C# 委托浅析与漫谈

1. 概述

委托是C#区别于其他语言的一个特色,用它我们能写出简洁优雅的代码、能很方便的实现对象间的交互。

初学者可能会觉得委托体系很复杂:lambda表达式、语句lambda、匿名方法、委托、事件,光名词就一堆。其实这些只是C#编译器为我们提供的语法糖,在编译后它们都是MulticastDelegate类型的对象。而且从用途上讲主要也就两方面:将“方法对象化”和实现“观察者模式”,本文围绕这两方面,分享本人对委托中相关概念的理解,顺便介绍一些相关的其它东西。

2. 闭包

闭包似乎在javascript里谈得比较多,其实只要支持定义”局部函数”的语言都会涉及到”闭包”的概念,像C++11的lambda、java的匿名内部类、Smalltalk的Block等。
在C#中也有闭包,比如下面这个简单的例子:
例1

这里向Count这个扩展方法传入了一个匿名方法,注意这里变量min对于这个匿名方法很特殊,它对匿名方法来说叫”自由变量(free variable)”(与之相对的叫”bound variable”),因为它不是该匿名方法的参数,也不是它的局部变量,这段代码能成功编译是因为从词法作用域的角度看,min这个变量对于匿名方法内部是可见的。

2.1 词法作用域(lexical scoping)

首先我们搞清一些概念:

  • scope:英语中有“视野”之义,表示符号名的可见范围
  • extent:或叫lifetime,表示变量的一生。scope有时会影响extent。

JavaScript中的变量提升
关于这两者区别的一个例子就是javascript中的“变量提升”:
例2

答案是弹出”undefined”。为什么?因为首先javascript是函数作用域,第二javascript中的局部变量名的scope贯穿整个函数,即函数中变量名在函数起始到结束范围内都是有效的,所以调用alert时text这个变量名被解析为局部变量,而这时还未执行到赋值语句,也就是局部text的extent还未开始,text只是个有效的变量名,并没有指向一个有效的对象,因此会弹出”undefined”。
好,我们继续

什么是词法作用域

“词法作用域”也叫静态作用域(static scoping),”词法”表示源代码级别,”静态”指发生在解释时/编译时(与之相对是运行时),根据字面可理解为“变量在源代码中的可见范围”。

因为是基于源代码的,所以看上去很符合我们的直观感受,大多数的编程语言,包括许多动态语言,都使用词法作用域的规则来进行标识符解析的。C#也不例外。

我们通常所称的“闭包”全称叫“词法闭包”,它是指存储了一个函数和创建该函数时所处词法环境的对象。在闭包中,它访问的外部变量叫做“被捕捉的变量(captured variable)”。比如上面例1中,第3行,匿名方法内部使用了min这个符号,但min既不是匿名方法的参数,也不是它的局部变量,所以编译器开始从定义这个匿名方法的词法环境开始向上不断搜索min这个符号,成功找到后,将它“捕捉”进匿名方法里,形成“闭包”,传递给Count方法的其实是这个“闭包”。

“捕捉”到底是什么意思?把它复制一份?还是保存它的引用?带着疑问猜猜下面C#代码的执行结果:
例3

我们来分析一下。首先,C#中的捕捉是“按引用捕捉”,所以:

  • 在循环中创建闭包时捕捉的并不是i那个时刻的值,而是i的引用,是i这个对象本身,所以这些闭包共享同一个i
  • i在循环中不断更新,当第一个闭包被调用时i == count

所以这段代码的运行结果是”4,5,6″。
为什么循环结束了i还能被访问?因为它被捕捉到了闭包里,它的extent被延长到至少和闭包对象一样长。
大多数语言的闭包都是按引用捕捉(更符合直观感受),java比较非主流,它是按值捕捉(即复制,注意引用类型是复制引用)。所以请看下面的java代码:

编译这段代码会报错:local variables referenced from an inner class must be final or effectively final,意思说”被内部类引用的局部变量必须由final修饰或实际上就是final的(就是自始至终都没有被重新赋值)”。
为什会这样呢?因为从直觉上看,这段代码执行runnable.run()后i应该变成2,但java是按值捕捉,i并不会变,为避免误解,所以Java语言规定被内部类访问的外部变量要是不可变。
要突破这一限制,我们可以“手动实现按引用捕捉”,即创建一个类,把需要修改的变量放到那个类里。
C++的lambda很灵活,它允许我们指定捕捉哪些变量、按值还是按引用捕捉。在构建闭包时,编译器生成一个重载了”()”操作符的类,把被捕捉的变量定义为它的成员。

C#编译器是如何实现闭包的?

CLR的类型系统中并没有“匿名方法”、“闭包”这些概念,其实C#编译器为我们生成了一些代码,比如生成一个类,把被捕捉的变量和匿名方法打包进去,变成实例变量和实例方法。但具体怎么实现并没有具体的标准,只要能符合语言规范就行,所以这个不必深究,有兴趣的自己可以用反编译工具查看一下。

3. 多播委托、事件与观察者模式

观察者模式也叫”发布者/订阅者模式”是GoF设计模式中比较常用的一个,它是用来解决“一个对象需要在特定时刻通知n个其它对象”的问题的。
比如:mvc中model在自己属性发生改变时发布广播,事先关注了的view会收到并更新自已的状态,使界面与程序内部状态保持同步,同时又保持了内部逻辑与界面的良好分离。
这里我演示一个简单的例子:
实现一个下载程序,下载时能显示进度。为实现逻辑与界面的分离,我们设计两个类:

  • Downloader:下载器,用于执行下载任务
  • ProgressView:进度界面,显示进度条和百分比

那么问题来了,下载器如何通知界面更新?直接告诉它(调用它的一个方法)?如果这样么做的话下载器和界面的耦合度就会过高,这里我们可以运用“依赖倒置”的思想,加入一个IProgressMonitor接口。于是初步设计是这样的:
代码:

  • IProgressMonitor.cs
  • ProgressVeiw.cs
  • Downloader.cs
  • Program.cs

整个逻辑是这样的:

  • 创建下载器
  • ProgressView对下载进度“感兴趣”,就到下载器那“登记一下
  • 下载器开始下载
  • 下载器下载过程进度有变化时就通知已登记了的对象,具体这些对象要干嘛,它不管,它只负责通知
  • ProgressView收到通知,更新界面

从代码中可以看到,实现“登记”、“通知”是通过手动操作一个集合实现的,其实这种功能.Net已经帮我们实现,那就是多播委托。

3.1 多播委托(MulticastDelegate)

委托类层次图

.Net中所有具体委托类型其实都继承自MulticastDelegate,多播委托内部有一个数组,用来保存其它委托,这就是所谓的“委托链”,有了它就可以对多个委托进行组合,让一个委托可以一次执行多个操作。比如:

这里编译器其实把+=操作符替换成了Delegate.Combine(Delegate a, Delegate b)方法,该方法内部又是直接调用第一个参数的CombineImpl方法。有兴趣的可以阅读其源码
因此多播委托的作用在于,现实观察者模式就不用手动维护一个订阅者集合了。于是上面的例子可以重构成这样:

  • Downloader.cs
  • 删除IProgressMonitor接口,因为只需要委托签名匹配即可,不需要用接口来约束
  • Program.cs

注意上面Downloader.cs注释中的NOTE标记,在观察者模式中,发布者应该是它自己发布消息,而此处是public修饰,可以直接在外部调用,违背了观察者模式,因此我们需要使用事件来进行访问控制。

3.2 事件

方法相当简单,只需要添加一个event关键字

那事件和委托有什么区别?其实事件和属性一样,属语法糖,编译器会为我们生成访问器方法和实际的实例变量。
比如上面,编译器生成了Action成员,把事件的+=,-=转换为一对public的addXxx、removeXxx方法。
如果不想让编译器为我们自动生成委托成员,我们也可以手动实现,如:

所以事件的作用在于,实现观察者模式只需要用event关键字定义一个实例变量即可

其它语言相关概念

C++

C/C++中的函数指针与.Net中委托的区别在于

  • 函数指针很“赤裸”,就是一个unsigned int类型的值,表示函数第一条CPU指令的内存地址
  • 委托是比较复杂的CLR对象,内部封装了目标对象和方法指针,多播委托内部还维护了一个委托链

C++虽然没有内置观察者模式的实现,但许多第三方库如qt、boost都提供了“信号(signal)-槽(slot)”的功能。信号相当于.Net中的事件,槽相当于事件处理方法。
使用boost的signals2时需要注意的是,它实现的线程安全是指一个线程中添加、移除slot,不会影响另一个线程遍历slot集合。我们仍要注意对象被销毁的问题,比如一个slot在某线程中正在执行,而同时signal所属的那个对象在另一个线程被销毁了,这时访问那个对象会不会导致程序crash就要看运气了。

Java

java没有匿名方法的语法,但可以用”匿名内部类 + 单方法接口”代替,java8对语法和api进行了扩展,引入了lambda,其实只是语法糖,本质还是接口。
有一些第三方类库提供了观察者模式的实现,比如:谷歌guava中的EventBus。

Ruby

ruby语法非常丰富,这里介绍下它的block(代码块,一种匿名方法的语法:do |param| ...end{ |param| do_something param },这个概念来自Smalltalk)。
我们在写程序时会经常需要实现“回调”的功能,即接收一个函数,然后在适当的时刻调用它,ruby直接原生支持了,任何方法都可以接收一个block作为隐式的参数,不用在参数列表中显式声明,在方法里可以用yield关键字调用传进来的block。如:

再比如核心库中的File::open方法

再看ruby的一个web框架Sinatra的API

用这种语法来写HTTP Web应用是不是很爽?因为这种API设计可以算是实现了一种HTTP的DSL(领域专用语言)了。
如果你喜欢这种风格,可以试试.Net的开源web框架Nancy,我已用她写了两个项目,API很实用,比ASP.NET MVC灵活。
这里简单展示一下她的特色:content negotiation(内容协商,根据客户端请求返回指定类型内容)

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