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把委托说透（2）：深入理解委托

寿爹座 2025-5-29 20:13:56
在上一篇随笔中我们通过示例逐步引入了委托，并比较了委托和接口。本文将重点剖析委托的实质。
委托在本质上仍然是一个类，我们用delegate关键字声明的所有委托都继承自System.MulticastDelegate。后者又是继承自System.Delegate类，System.Delegate类则继承自System.Object。委托既然是一个类，那么它就可以被定义在任何地方，即可以定义在类的内部，也可以定义在类的外部。
正如很多资料上所说的，委托是一种类型安全的函数回调机制， 它不仅能够调用实例方法，也能调用静态方法，并且具备按顺序执行多个方法的能力。
委托揭秘

在把委托说透（1）中可以看到，委托的使用其实是很简单的。尽管如此，其内部实现仍然相当复杂。.NET强大的编译器和CLR掩盖了这种复杂性。
为了解释方便，我们把（1）中的委托代码复制在下面，并做一处小小的改动，将LogToTextFile设置为实例方法。
  1. namespace DelegateSample
  2. {
  4.     public delegate void Log(string message);
  6.     class UserService
  7.     {
  8.         public Log LogDelegate { get; set; }
  10.         public UserService() { }
  12.         public void Register(User user)
  13.         {
  14.             if (user.Name == "Kirin")
  15.             {
  16.                 LogDelegate("注册失败，已经包含名为" + user.Name + "的用户");
  17.             }
  18.             else
  19.             {
  20.                 LogDelegate("注册成功！");
  21.             }
  22.         }
  23.     }
  25.     class Program
  26.     {
  27.         static void Main(string[] args)
  28.         {
  29.             User user = new User { Name = "Kirin", Password = "123" };
  30.             UserService service = new UserService();
  31.             service.LogDelegate = LogToConsole;<br>            Program p = new Program();
  32.             service.LogDelegate += p.LogToTextFile;
  33.             service.Register(user);
  35.             Console.ReadLine();
  36.         }
  38.         static void LogToConsole(string message)
  39.         {
  40.             Console.WriteLine(message);
  41.         }
  43.         void LogToTextFile(string message)
  44.         {
  45.             using (StreamWriter sw = File.AppendText("log.txt"))
  46.             {
  47.                 sw.WriteLine(message);
  48.                 sw.Flush();
  49.                 sw.Close();
  50.             }
  51.         }
  52.     }
  53. }
复制代码

打开Reflector反编译Log委托，可以看到Log类被编译为如下形式：
1.png

在上图中可以得出如下结论：
委托是一个类

可以很清晰的看出Log—>MulticastDelegate—>Delegate这种继承机制。
尽管委托继承自System.MulticastDelegate类，但我们并不能显示地声明一个继承自System.MulticastDelegate类的委托。委托必须使用delegate关键字声明，编译器会自动为我们生成继承代码。
由于委托继承自System.MulticastDelegate类，自然也继承MulticastDelegate类的字段、属性和方法。这些成员中，最重要的当属三个非公共字段，如下表所示：
字段名称字段类型描述
_targetSystem.Object该字段指明委托所调用的方法所在的实例类型。如果委托调用的为静态方法，该字段为null；如果为实例方法则为该方法所在的对象。
_methodPtrSystem.IntPtr标识回调方法的指针。
_invocationListSystem.Object在构建委托链时指向一个委托数组，在委托刚刚构建时通常为null。
由上表可以看出，每个委托对象实际上是对方法及其调用时操作的对象的封装。MulticastDelegate类还定义了两个只读公有实例属性：Target和Method，分别对应_target和_methodPtr。Target属性返回一个方法回调时操作的对象引用。如果是静态方法则返回null。Method属性返回一个标识回调方法的System.Reflection.MethodInfo对象。
编译器自动为委托创建了BeginInvoke、EndInvoke和Invoke三个方法

当我们在像调用普通的方法一样调用委托时，如
  1. LogDelegate("注册失败，已经包含名为" + user.Name + "的用户");
复制代码
这时实际上调用的是编译器自动生成的Invoke方法
  1. LogDelegate.Invoke("注册失败，已经包含名为" + user.Name + "的用户");
复制代码
使用IL DASM查看UserService的IL代码，可以验证以上结论，如下图所示：
2.png
在使用委托时，我们也可以显示调用Invoke方法（CLR 2.0）。
3.png

Invoke方法的参数和返回值与委托是一致的。在调用Invoke方法时，会使用_target和_methodPtr字段。
BeginInvoke和EndInvoke方法用来实现异步调用，本文在此不进行讨论。
委托链

委托链是一个委托的集合，它允许我们调用这个集合中的委托所代表的所有方法（对于有返回值的方法，委托链的返回值为链表中最后一个方法的返回值，本文后面会有详细介绍）。在Delegate类中定义了3个静态方法来帮助我们操作委托链。
  1. public static Delegate Combine(params Delegate[] delegates);
  2. public static Delegate Combine(Delegate a, Delegate b);
  3. public static Delegate Remove(Delegate source, Delegate value);
复制代码
要理解委托链，我们首先基于前面的例子，重新声明两个委托：logDel1和logDel2。
  1. Log logDel1 = LogToConsole;
  2. Program p = new Program();
  3. Log logDel2 = p.LogToTextFile;
复制代码
这两个委托的_target、_methodPtr和_invocationList值分别如下图所示：
4.png



构造委托链

然后，我们使用Combin方法来构造一个委托链：
  1. Log logChain = null;
  2. logChain = (Log)Delegate.Combine(logChain, logDel1);
复制代码
由于logChain初始为null，在使用Combin方法构造委托链时，将返回另外一个参数logDel1，再将logDel1的引用赋给logChain。这时logChain将指向logDel1所指向的对象。
5.png

接下来我们将logDel2也添加到logChain中来：
  1. logChain = (Log)Delegate.Combine(logChain, logDel2);
复制代码
此时，由于logChain已经不再是null，将重新构建一个新的委托对象。该委托对象的_target和_methodPtr字段与logDel2（第二个参数）相同，_invocationList字段将指向一个委托数组。该委托数组中包含两个元素，第一个元素（索引为0）指向封装了LogToConsole方法的委托（即logDel1指向的委托）；第二个元素（索引为1）指向封装了LogToTextFile方法的委托（即logDel2指向的委托）。最后，将这个新创建的委托对象的引用赋给logChain。
6.png

若再将一个新的委托logDel3添加到委托链中，则仍然会构建一个新的委托对象，并将logDel3的引用添加到该委托对象_invocationList的末尾（此时链表共有3个元素）。然后，再将该委托对象的引用赋给logChain。而logChain之前指向的委托对象则等待垃圾回收。
至此，委托链构造完毕，我们来看看如何执行委托链表中的委托。由于logChain仍然指向一个委托对象，因此执行委托链表的语法与执行委托是一样的：
  1. logChain("执行委托链");
复制代码
与普通的委托（如logDel1）所不同的是，logChain的_invocationList字段不为null。这时将首先遍历执行_invocationList中的所有委托。所执行的方法的顺序与添加的顺序一致，依次为LogToConsole、LogToTextFile。
委托Log的Invoke方法的实现用伪代码表示如下：
  1. public void Invoke(string message)
  2. {
  3.     Delegate[] delegateSet = _InvocationList as Delegate[];
  4.     if (delegateSet != null)
  5.     {
  6.         // 如果委托数组不为空，则依次执行该委托数组中的委托
  7.         foreach (Feedback d in delegateSet)
  8.             d(value);
  9.     }
  10.     else
  11.     {
  12.         // 如果委托数组为空，则该委托不代表一个委托链
  13.         // 按照正常方式执行该委托
  14.         _methodPtr.Invoke(_target, value);
  15.     }
  16. }
复制代码


 包含返回值的委托的Invoke实现如下，假设返回值为string：
  1. public string Invoke(string message)
  2. {
  3.     string result = null;
  4.     Delegate[] delegateSet = _InvocationList as Delegate[];
  5.     if (delegateSet != null)
  6.     {
  7.         // 如果委托数组不为空，则依次执行该委托数组中的委托
  8.         foreach (Feedback d in delegateSet)
  9.             result = d(value);
  10.     }
  11.     else
  12.     {
  13.         // 如果委托数组为空，则该委托不代表一个委托链
  14.         // 按照正常方式执行该委托
  15.         result = _methodPtr.Invoke(_target, value);
  16.     }
  17.     return result;
  18. }
复制代码
可以看到在委托链中，返回值为链表中最后一个委托的返回值。
那么如果对两个委托链调用Combine方法呢？
  1. Log logChain = null;
  2. Log logChain1 = null;
  3. Log logChain2 = null;
  4. logChain1 = (Log)Delegate.Combine(logChain1, logDel1);
  5. logChain1 = (Log)Delegate.Combine(logChain1, logDel2);
  6. logChain2 = (Log)Delegate.Combine(logChain2, logDel3;
  7. logChain2 = (Log)Delegate.Combine(logChain2, logDel4;
  8. logChain = (Log)Delegate.Combine(logChain1, logChain2);
复制代码
最终的结果是，logChain的_target和_methodPtr均与logDel4相同（确切地说，两个委托对象的_methodPtr字段并不相同，但Method属性是相同的），而_invocationList中委托的顺序依次为logDel1、logDel2、logDel3、logDel4。
综上所述，可以对Delegate.Combine(Delegate A, Delegate B)方法做如下总结：
1. 如果A和B均为null，则返回null。
2. 如果A或B一个为null而另一个不为null，则返回不为null的委托。
3. 如果A和B均不为null，返回一个新的委托，该委托
    （1）_target字段与B的_target字段的值相同
    （2）Method属性与B的Method属性的值相同
    （3）_invocationList字段为一个委托数组，该数组中委托的顺序为：A中_invacationList所指向的委托数组 + B中_invacationList所指向的委托数组。
移除委托链

Combine方法用来向委托链中添加一个委托，而Remove方法用来从委托链中移除一个委托。
  1. logChain = (Log)Delegate.Remove(logChain, new Log(LogToConsole));
复制代码
当调用Remove时，会遍历（倒序）第一个参数（logChain）中的中的委托列表（_invocationList字段）， 找到与第二个参数（new Log(LogToConsole)）的_target和_methodPtr字段相匹配的委托，并将其从委托列表中移除。返回值需分以下几种情况，为了描述方便，我们将logChain记为A，将new Log(LogToConsole)记为B。
1. 如果A为null，返回null。
2. 如果B为null，返回A。
3. 如果A的_invocationList为null，即不包含委托链，那么如果A本身与B匹配，则返回null，否则返回A。
4. 如果A的_invocationList中不包含与B匹配的委托，则返回A。
5. 如果A的_invocationList中包含与B匹配的委托，则从链表中移除B，然后
    （1）如果A的链表中只剩下一个委托，则返回该委托。
    （2）如果A的链表中还剩下多个委托，将重新构建一个新的委托R（R的_invocationList字段为A的_invocationList移除了B之后的链表），并返回R。
注意，Remove方法只移除源委托的_invocationList列表中第一个匹配的委托，要想移除所有匹配的委托，可以使用RemoveAll方法。
有了委托链，在（1）中提出的第二个疑问就迎刃而解了。当用户希望使用多种日志记录方式的时候，使用委托链可以轻松地添加和删除某种日志记录方式，从而避免了人为地维护一个列表。
总结

本文首先介绍了委托的实质，委托是一个类，它继承自System.MulticastDelegate，而MulticastDelegate又继承自System.Delegate。然后重点剖析了委托链，讨论了如何创建和移除委托链。
在接下来的随笔中，我们将对.NET中委托的一个典型应用——事件，进行全面深入的介绍。
参考资料

CLR via C# 2nd Edition

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