C#的虚函数解析机制

前言

　　这篇文章出自我个人对C#虚函数特性的研究和理解，未参考、查阅第三方资料，因此很可能存在谬误之处。我在这里只是为了将我的理解呈现给大家，也希望大家在看到我犯了错误后告诉我。

用词约定

• “方法的签名”包括返回类型、方法名、参数列表，这三者共同标识了一个方法。
• “声明方法”，即指出该方法的签名。“定义方法”，则是指定调用方法时执行的代码。
• “同名方法”是指方法的签名相同的两个方法。
• “重写”一个方法，意味着子类想继承父类对方法的声明，却想重新定义该方法。
• 单独使用“使用”一词时，包括“显式”或“隐式”两种使用方式：前者是指在代码中指明，后者是根据语句的上下文推断。
• 某个类的方法，包括了在该类中定义的方法，以及由继承得到的直接父类的方法。注意这条规则的递归性质。  

理论部分

　　在父类与子类里，除了类之间的继承链，还存在方法之间的继承链。

　　C#里，在一个类中声明一个方法时，有四个和方法的继承性有关的关键字：new、virtual、sealed、override。

• virtual 表示允许子类的同名方法与其^①建立继承链。
• override 表示其^①与父类的同名方法之间建立了继承链，并隐式使用 virtual 关键字。
• new 表示其切断了其^①与父类的同名方法之间的继承链。
• sealed 表示将其^①与父类的同名方法建立继承链（注意这个就是 override 关键字的特性），并且不允许子类的同名方法与其建立继承链。在使用 sealed 关键字时，必须同时显式使用 override 关键字。

　　以及：

• 在定义方法时，若不使用以上关键字，方法就会具有new关键字的特性。对于这一点，如果父类中没有同名方法，则没有任何影响；如果父类中存在一个同名方法，编译器会给出一个警告，询问你是否是想隐藏父类的同名方法，并推荐你显式地为其指定new关键字。

　　①其：指代正在进行声明的方法。

 

　　依照上述的说明，在调用类上的某个方法时，可以为该方法构建出一个或多个“方法继承链”。首先列出从子类^②一直到父类^③的类继承链，并列出这些类对该方法的最初定义或重定义。然后从父类到子类，逐个检查每个类对该方法的定义，按以下规则构造方法继承链：

1. 任何一个没有使用 override 或 sealed 关键字的方法定义都将成为继承链的开端；
2. 如果该类在定义方法时使用了 virtual 关键字，则会被附加到继承链中。
3. 继承链的结束取决于两个因素：若子类中存在使用了 new 关键字的同名方法，则之前的继承链立刻结束（该方法不会被添加到继承链中）；若子类中存在使用了 sealed 关键字的同名方法，则在将该方法添加到继承链后，然后结束继承链。

　　当你拿到一个子类^②的实例，却使用父类^③的对象引用调用一个方法时（例如“A instanceRef = new C(); instanceRef.Foo1()”，这时类型A的引用就指向了类型C的对象），C#会先检查该方法是否为一个虚方法（使用了 virtual 关键字）：如果不是，则简单地调用该方法的父类^③版本即可；如果是，则沿着方法的继承链向下寻找，找到位于继承链底部的那个方法。
　　②子类：指该实例的实际类型。
　　③父类：指在调用方法时，使用的对象引用的类型；该类型必然是子类的父类型。

实践部分

　　我定义了以下四个类：

public class A
{
    public virtual void Foo1()
    {
        Console.WriteLine("A.Foo1() was invoked.");
    }

    public void Foo2()
    {
        Console.WriteLine("A.Foo2() was invoked.");
    }
}

public class B : A
{
    public override void Foo1()
    {
        Console.WriteLine("B.Foo1() was invoked.");
    }

    public new virtual void Foo2()
    {
        Console.WriteLine("B.Foo2() was invoked");
    }
}

public class C : B
{
    public new void Foo1()
    {
        Console.WriteLine("C.Foo1() was invoked.");
    }
}

public class D : C
{
    public override sealed void Foo2()
    {
        Console.WriteLine("D.Foo2() was invoked.");
    }
}

 

　　当运行如下代码时，会打印出什么？

C aD = new D();
A aC = new C();

aD.Foo1();
aD.Foo2();
aC.Foo1();
aC.Foo2();

 

　　结果是：

C.Foo1() was invoked.
D.Foo2() was invoked.
B.Foo1() was invoked.
A.Foo2() was invoked.

 

　　例子很简单，依照之前的规则，可以画出如下一幅图。图中圆形的末端表示封闭、中断继承链；菱形的末端表示开放、允许构建继承链；类描述中的等式，表示从该类型的对象引用调用对应方法（等号左边的斜体）时，实际执行的代码体是在何处（等号右边的正常字体）定义的。

　　其实，为了确认这里描述出来的方法的继承链，甚至都不需要实地运行此代码。将代码放在Visual Studio里，使用“重构”（Refactor）菜单中的“重命名”（Rename）修改方法名称，待完成后就会发现在方法继承链的中断处，自动修改符号名称的动作也中止了。

补充

　　对于 this 关键字，上述的规则也适用。只需要将 this 依照当前的代码上下文翻译为对应的类型引用，就可以依照之前叙述的方法确定最终调用的代码了。例如在C中的Foo1方法里假如有这么一条语句：“this.Foo2()”。当在外部运行“D.Foo2()”时，就会就会解析到“C.Foo1()”，这时，C.Foo1()方法的内部在解析“this.Foo2()”时就会解析到D.Foo2()。

　　对于 base 关键字，则比较简单，只是在基类的方法（这里“基类的方法”一词，请参见“用词约定”的第6条。）中找到同名方法，然后调用，不存在解析虚函数的过程。

　　对于被委托对象包装的方法指针，在调用委托时，仍会按照上述规则解析到正确的方法。

　　本文示例中使用了“Foo”开头的方法名，而这个习惯借鉴自一些别的文章。这里是有个典故还是怎么？