.NET中继承和多态深入剖析（上)

封装、继承、多态是面向对象的最重要的3个特点。但是想真的弄明白他们其中的奥秘还是的费一番功夫。记得在学校学习C++的时候，讲到这个地方，自己早已是一头雾水，当时还在想，弄成private做什么，多麻烦啊。到了多态，继承更是昏死了。今天就来深入了解下其中的奥秘吧。

本文主要是从内存结构出发来讲解.NET中的继承和多态，因为内存布局的不同所以和其他语言中的继承多态可能有一定区别。

一 笔试题目

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Cpu c1 = new Cpu();
c1.fun();

Cpu c2 = new IntelCpu();
c2.fun();

Cpu c3 = new CoreCpu();
c3.fun();

IntelCpu c4 = new CoreCpu();
c4.fun();
}
}

class Cpu
{
public Cpu()
{
Console.WriteLine("初始化Cpu");
}

public virtual void fun()
{
Console.WriteLine("Cpu的方法\n");
}
}

class IntelCpu : Cpu
{
public IntelCpu()
{
Console.WriteLine("初始化IntelCpu");
}

public override void fun()
{
Console.WriteLine("IntelCpu的方法\n");
}
}

class CoreCpu : IntelCpu
{
public CoreCpu()
{
Console.WriteLine("初始化CoreCpu");
}

public new void fun()
{
Console.WriteLine("CoreCpu的方法\n");

}
}
上面是我们常见的关于继承和多态的题目。或许很多人都有一套做这种题目的方法，能够让你准确的得到答案，但是我们了解继承和多态不是为了背公式，不是为了做题目，是未来灵活使用。所以有必要弄清楚她内部到底是怎么实现的。或许平时可能用不上，但是我认为还是会有所帮助的。

二 继承和多态的基础

什么是继承和多态？教科书和网络上都有很多感念解释。这里就不进行解释了。如果对这2个概念还不太了解，我想也很难把这篇文章看下去。

在学校学习C++的时候，老师会告诉我们什么是继承，还会告诉我们c++中有公有，私有，保护等几种继承方式。说的最多的就是继承提高了代码重用。而在C#中，是只有公有继承的。也就是说子类会继承父类所有了字段、方法和属性（不包括构造方法）并且在子类中是可以访问的，而且继承是具有传递性的。

我们可以在子类对象中调用父类的方法，以达到代码重用的目的。如果我们对父类对象的方法进行重写，那么我们的子类就有了自己的特殊方法，与父类行为有所不同，于是又引入了多态。而多态在C++中让我记得最深的一句话就是可以通过指向父类对象的指针，调用子类的方法。当时就觉得很玄乎，明明是指向父类，怎么就调用子类了。当时能力有限，也无法深入研究，后来看COM相关的东西，谈到接口，谈到了方法表，我才有了点大概影像，原来是有张表记录了方法的地方，当然移动指针就可以调用不同方法了。但是每当看到Cpu c2 = new IntelCpu(); \这样的代我码我就头痛不已。我根本无法弄明白到底是按Cpu还是IntelCpu去调用方法。

三 .NET内存结构

在深入了解继承和多态之前，有必要了解下.NET的一个内存结构。因为一切对象和方法的调用是离不开线程栈和GC堆的。所以我们需要先了解对象在.NET下是如何表示的。

1：CLR中域结构



图-1
上图是一个.NET程序运行后的情况，在CLR执行托管代码的第一行代码前，会创建三个应用程序域（系统域、共享域、默认程序域）。系统域负责创建和初始化共享域和默认应用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域，并且维护进程范围内部使用的隐含或者显式字符串符号。所有不属于任何特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib，对于所有应用程序域的用户代码都是必需的。它会被自动加载到共享域中。默认域是应用程序域（AppDomain）的一个实例，一般的应用程序代码在其中运行。然后我们看到下面有进程堆、JIT堆、GC堆和LOH堆。其中JIT堆是存放编译后代码的地方，而GC和LOH是存放对象的地方。那么对象和各自的方法是通过方法表（Method Tables）连接起来的。而这个方法表就是我们所要讨论的核心。
2：对象在堆栈中的结构



图-2
在前面的.NET学习笔记中有介绍对象在堆栈的分配情况和结构。可以参见：NET学习笔记（三） ------系统类型和通用操作。
我们知道对象的变量是保存在线程堆上的，而引用对象是保存在堆上的。每个对象都有额外的两个字段，分别是同步索引块和类型对象指针。
什么是类型对象？我们知道在运行程序时,CLR系统会加载3个域，其中最重要的就是我们的默认程序域。在图1中我们可以看到默认程序域的结构。在加载程序域时，CLR会根据程序集中的元数据来构建各个自定义类型的对象，比如我们定义了一个CPU内，那么这个就构建一个CPU的类型对象，对象中记录了这个类型的静态字段、方法，所有这个类型的实例对象的类型对象指针都指向这个类型对象（更详细的描述参见《CLR Via C#》第2版P90）
所以调用一个方法的过程是，通过栈上的引用变量找到GC堆上的对象，通过这个实例对象的类型对象指针找到它自身的类型对对象，然后从类型对象中的方法表中调用对应方法（这里指一般情况，不涉及继承和多态）。而这个类型对象是存放在默认程序域中的。
3：方法表结构



图-3
这是一张很经典.NET的内存结构图，其中的主体就是我们提到的方法表，方法表是存放在默认程序域中的是通过对象的类型指针（TypeHandle）和GC中的对象联系起来的。实际这里的TypeHandle是指向方法表的，方法表是放在程序域的高频堆中的。类加载器在当前类，父类和接口的元数据中遍历，然后创建方法表。在排列过程中，它替换所有的被覆盖的虚方法和被隐藏的父类方法，创建新的槽，在需要时复制槽。而类型对象的虚接口图，接口数量也会记录在方法表中。从上图还可以看到，在方法表中有块白色的区域，这个叫方法槽表（Method Solt Table），它指向各个方法的描述，前面我们知道实际JIT编译后的指令是存放在JIT堆中的。而在方法槽表下面是静态变量存储区域。所以我们这里说的方法表就是前面说的类型对象，而其中决定类型行为的方法保存在方法槽表的区域中。
4：方法槽表
其面一直谈的对象的内存结果，这里终于谈到我们的重点内容，方法槽表了。从图-3我们可以看到这个方法槽表的结构。最开始是方法槽数、任何类型的开始4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。然后后面是类型从基类继承的虚方法，接着是自己类型实现的方法，最后是构造方法。方法槽表的主要就够就是：虚方法--实例方法--构造方法，这样的排序。这里要特别主要的是，基类的实例方法和静态方法是不会继承到子类的方法槽表中的，这里和我们之前理解的，子类会继承父类所有的非构造方法是不同的。因为继承是逻辑上的，而这里是物理上的结构。也就是说，一个类型的方法表槽中，只有父类的虚方法和自己定义的方法（暂不管那4个方法和构造方法）。理解了方法槽表的结构，讲有助与理解继承和多态的本质。
5：备注:
如果想对.NET中CLR创建对象的过程和结构有详细了解请参考:
深入探索.NET框架内部了解CLR如何创建运行时对象:http://www.microsoft.com/china/MSDN/library/netFramework/netframework/JITCompiler.mspx?mfr=true

四 SOS扩展调试
前面介绍完了一个对象在CLR中的结构，这将有助于我们弄清继承和多态，但是在讲解继承和多态之前，先的说下VS中的调试。因为我们需要借助一些调试工具，来查看CLR在运行时内存对象的信息。在程序中我们使用sos进行扩展调试，关于详细命令信息MSDN中有介绍，我也是在网上大概看了下，会用点简单的。下面给大家2个参考地址，大概知道怎么使用就行了。
/article/4870535.html
http://www.rainsts.net/article.asp?id=598