Delphi接口的底层实现

1、Delphi接口的底层实现引言接口是面向对象程序语言中一个很重要的元素，它被描述为一组服务的集合，对于客户端来说，我们关心的只是提供的服务，而不必关心服务是 如何实现的；对于服务端的类来说，如果它想实现某种服务，实现与该服务相关 的接口即可，它也不必与使用服务的客户端进行过多的交互。 这种良好的设计方 式已经受到很广泛的应用。早在Delphi 3的时候就引入了接口的概念，当时完全是因为 COM的出现 而诞生的，但经过这么多版本的进化， Delphi的接口已经成为Object Pascal语 言的一部分，我们完全可以用接口来完成我们的设计，而不用考虑与 COM相关 的东西。那么接口在Delphi

2、中是如何实现的呢，很多人想得很复杂，其实它的本质 不过也是一些简单的数据结构和调用规则。笔者假设读者已经有接口的使用经 验，本文试图向你展示接口在 Delphi中的实现过程，使你在使用接口的时候， 知其然而知其所以然。接口在内存中的分布接口在概念上并不是一个实体，它需要与实现接口的类关联，如 果脱离了这些类，接口就变得没有意义了。但接口在内存中仍然有其布局，它依 附在对象的内存空间中。Delphi对象本质上是一个指向特定内存空间的指针，这块内存的前四个字 节是一个指针指向类的VMT表，接下来排布对象的数据成员，如果对象实现了 接口，则在后面又排着一系列指针，我们可以认为这些指针就是对应的接口，

3、每个指针就指向一个接口方法表。我们来看一下简单的例子：typeITestl = in terface'5347BB0D-89B7-4674-A991-5C527BE6F8A8'procedure SayHello1;end;ITest2 = in terface'567B86BB-711D-40C2-8E5E-364B742C2FF1' procedure SayHello2;ITes t2)end;TTest = class (TInterfacedObject,ITest1,publicprocedure SayHello1;procedure SayHel

4、lo2;end;impleme ntati on TTest procedure TTest.SayHello1;beginshowMessage(l ntToStr(FRefCou nt);ShowMessage( 'Itest1 say hello');end ;procedure TTest.SayHello2;beginShowMessage(I ntToStr(FRefCou nt);ShowMessage( 'Itest2 say hello');end ;end .上面是两个接口的声明以及一个实现接口的类，TTest类在内存中的分布可以用下图来表示

5、：其中FRefCount为父类TInterfacedObject的一个成员，接下来存放的是TinterfacedObject实现的接口 IInterface，再下来分别是TTest类实现的ITest2 和ITestl指针。各个接口指针分别指向各自的方法表，注意ITest2和ITestl是从IInterface继承下来的，所以自然就有了IInterface的所有方法。方法表中每个指针指向方法真正实现的地方，其实这个说法只是暂时的，稍后会解释方法表 中的指针真正指向的地方，并说明其原因。上面的内存分布并非笔者随意想出来的，而是经过多次测试证实的，下面我们用一些代码来证实上面分布图：vartest:

6、 Itest2;beg intest := TTest.Create;test.SayHello2;end;在证明接口的内存布局之前，需要了解接口的变量是个什么东西，比如上面 的test是什么，它的本质上是一个指针，在没有被赋值之前，它指向空；而得到对象的赋值之后，它指向上面分布图中的Itest2处，对于同一个对象的多个接 口变量来说，它们的“值”不一定是相等的，比如有下面的代码：VarTesti: ITestl;Test2: ITest2;Test: TTest;Beg inTest := Ttest.Create;Testi := Test;Test2 := Test;If In tege

7、r(Testl) <> In teger(Tes t2) the nShowMessage('it is not eqeua l');En d;最后，会弹出一个对话框，说明Test1和Test2是不相等的；只有属性同一 种接口类型，这两个变量才会相等，比如 Test1和Test2都是Iinterface，则他 们的“值”是相等的。好了，回过头来看看之前的代码片段吧，在第 4行设置断点，运行程序并使上面代码执行，程序执行到断点处中止，按下Ctrl+Alt+C调用CPU窗口 ,可以看 到下面的反汇编代码:= TTest.Create;mov dl,$01mov eax,

8、$00458e0c;eax指向VMT的地址call TObject.Create;创建TTest对象，eax指向TTest对象的首地址mov edx,eax;edx指向eax指向的地方，edx也指向TTest对象的首地址jz +$03sub edx,-$0c;对象首地址偏移12个字节，到ITest2指针处lea eax,ebp-$04;test变量的地址是 ebp-04的值，eax指向这个地址call lntfCopy;调用IntfCopy，将edx的值拷贝给eax，引用计数管理Unit1.pas.50: test.SayHello2;mov eax,ebp-$04;将test指向的地址赋给

9、eax，此时eax指向Itest2的地址mov edx,eax;将eax的内容赋给edx，此时edx指向ITest2指向的方法表call dword ptr edx+$0c;调用ITest2指向的方法表偏移12个字节处retsub edx,-$0c这一句，edx原来指向对象的内存空间，偏移12个字节刚好到哪 里呢？刚好到ITest2接口指针处。接下来eax指向Test变量在栈中的地址，此 时如果直接将edx赋值给eax在逻辑上也没有错，但这样就不能对接口进行引 用计数的管理了。因此要调用IntfCopy，进行接口地址的赋值，再加上一个引用 计数。IntfCopy其实是调用System单元中的_

10、lntfCopy，它的实现如下：procedure _lntfCopy( var Dest: llnterface;const Source: llnterface);$IFDEF PUREPASCALvarP: Pointer;beginP := Pointer(Dest);/保存 Dest，无引用计数if Source <> nil thenSource._AddRef;增加Source的引用计数，即增加 ITest2的引用计数Pointer(Dest) := Pointer(Source);将 Source 的值赋给 Dest，无引用计数if P <> nil t

11、henllnterface(P)._Release; /减少目标接口的引用计数，但这里的P为空指针，所以不会调用这句end ;此时的Dest参数是eax，亦即Test变量的地址，Source参数是edx，正好是对象内容空间中的ITest2的地址。我们看到其中只是对接口地址的拷贝，及增加接口的引用计数。如果Dest有内容，则减少它的引用计数，不过这里Dest 为空，所以不会调用减少引用计数的代码。接下来到call dword ptr edx+$0c ，edx指向ITest2指向的方法表首地址，而edx+$0c偏移到哪里呢，看看上面的内存图，正好到ISayHello2处。此时调用ISayHello

12、2指向地址的代码，我们可以简单地认为就是调用 TTest.SayHello2。但事实上却不是这样的，为什么？因为在调用SayHello2之前，要先指定eax的值为TTest对象的Self指针，以此作为隐含参数传进 SayHello2。我们可以到edx+$0c的地址看看，按F8将执行点执行到call dword ptredx+$0c这一句，再按F7,跳到edx+$0c的地址，可以看到下面的反汇编代 码：add eax,-$0c;eax向上偏移12个字节正好是对象内存首地址。jmp TTest.SayHello2 ； 跳到 TTest.SayHello2 处。仔细看前面的汇编码，可以知道 eax正

13、好指向ITest2指针，向上偏移12个字节则好就到了对象内存的首地址。接着调用TTest.SayHello2完成。通过上面的例子，不仅证明了接口在对象内存空间中的布局，还可以得出以下结论：1. 一个实现特定接口的对象创建完之后赋给该接口，编译器作了一些工作，使得接口变量指向了对象内存中的某个特定 地址。2. 调用接口的方法时，实际上调用的是接口方法表中特定的地址，在该地址处编译器计算出实现该接口的对象内存首地 址，再调用对象相应的方法。接口内存空间的形成上节说明了接口在对象内存空间中的分布，但对象内存空间是在运行时生成的，那么接口的内存空间是如何生成的呢，这一节将阐述之。在此之前，让我们再回到

14、上面的对象内存图，对象内存的首地址是一个指 针，指向一张VMT表，而Delphi的类其实也是一个指针，这个指针正好也指向 VMT表。类是在编译时就确定下来的，VMT表当然也是编译器生成的。VMT表在负偏移vmtIntfTable (-72)字节处是一个指针，它指向下面的数 据结构：Pin terfaceTable = ATI nterfaceTable;Tin terfaceTable = packed recordEn tryCo unt: in teger;En tries: array0.9999 of Tin terfaceE ntry;end;EntryCount表示对象实现的接口数

15、。Entries 是一个指向 TinterfaceEntry 结构的数组，TinterfaceEntry 表示了一个接 口的进入点，它的声明如下：Pin terfaceE ntry = atI nterfaceE ntry;Tin terfaceE ntry = packed recordiiD: TGUiD;VTable: Poi nter;iOffset: in teger;implGetter: in teger;end;iiD表示接口的GUID，如果接口没有指定 GUID，则它里面的值全为0。VTable指向接口的方法表。IOffset指明接口与对象首地址的偏移。ImplGetter是

16、一个方法指针，当IOffset不可用时指向接口的地址，一般不用， 初始化为0。上面的数据结构在编译期就生成了，那么当一个对象创建时，相应的接口内存是如何生成的呢。在对象创建完毕之后，会调用TObejct .In it In sta nce(l nsta nee: Poin ter)类方法初始化对象的数据。看其代码:class function TObject.Initlnstance(lnstanee:Poi nter): TObject;$IFDEF PUREPASCALvarIn tfTable:Pin terfaceTable;ClassPtr: TClass;I: Integer;be

17、gin/将对象全部清0FillChar(I nsta nceA,In sta nceSize,0);/指定首地址为 Self，即指向VMT的指针Pin teger(I nsta nceIn teger(Self);ClassPtrSelf;建立对象的接口内存分布while ClassPtr <> nil dobegin/取得接口表In tfTableClassPtr.Get In terfaceTable;if IntfTable <> nil thendofor I := 0 to IntfTable.EntryCount-with In tfTable.E ntri

18、esldo beginif VTable <> nil then对象偏移IOffset处，设定为指向VTable的指针Pin teger(PChar(l nsta nce)IOffset)AIn teger(VTable);end ;/继续建立其父类的接口内存内存ClassPtrClassPtr.ClassPare nt;end;ResultIn sta nee;end ;我们看 Plnteger(PChar(Instance)IOffset)A := Integer(VTable)这一句, PChar(Instance)IOffset是对象偏移 IOffset 的地址，而 IOf

19、fset 是IntfTable.Entriesl的IOffset，这个值在编译期就指定了，是接口到对象的偏移 值。所以，经过上面方法调用之后，对象的内存空间就如同前面所画一样了。现在我们对接口在内存的来龙去脉已经了如指掌，可以利用这些知识来实 现一些非常的功能了。在我们的经验中，对象生成之后可以直接赋给一个接口， 编译器会自动将指针偏移到接口处。但如果反过来，将一个接口赋给一个对象却是不允许的，因为信息不足啊，任何类都可以实现这个接口，编译器并不知道这 个接口是由那个类实现的，所以就无从转换了。如果我们提供一个现实该接口的 类，再根据该类的VMT中的接口信息，就可以得到lOffset 了，如此

20、一来不就可 以偏移到对象的首地址了吗，下面的例程可以从一个接口得到实现该接口的对 象，前提是必须提供实现这个接口的类：fun cti on GetObjFroml ntf(ACIass:TClass; con st Intf: II nterface): TObject;varPI ntfTable:Pin terfaceTable;In tfE ntry: Tin terfaceE ntry;i: Integer;beginResult := n il;取得接口表结构Pin tfTable := AClass.GetI nterfaceTable;if PIntfTable = nil th

21、en Exit;while AClass <> nil dobeginfor i := 0 to PintfTableA.EntryCount- 1 dobeginIntfEntry := PI ntfTableA.E ntriesi;/判断接口表指向的地址是否和传入接口指向的地址相同if PPointer(lntf)A= intfEntry.VTablethenbegin偏移到对象首地址Result := TObject(Integer(lntf)- intfEntry.lOffset);Exit;end ;end ;/继续在父类中找AClass := AClass.ClassP

22、are nt;end;end ;看下面例子:varIntf: Itest2;Obj: TTest;beginIntf := TTest.Create;In tf.SayHello2;Obj := TTest(GetObjFromlntf(TTest,Intf);Obj.SayHello1;end ;执行上面代码，先弹出Hello2的对话框，再弹出Hello1的对象，说明 GetObjFromIntf函数执行成功，我们实现了从接口到对象的转换过程。接口的引用计数上面接口的内存空间与COM的接口在二进制上是兼容的，即接 口就是一个指向VTable的指针，与COM兼容的还有另一个特性，就是通过引 用

23、计数自动管理COM对象的生命周期。C+程序员必须手工去管理引用计数的 增减，而Delphi编译器帮我们做了这些事情，因为引用计数是有规律，只要遵 循这些规律，便能自动管理引用计数的增减。llnterface的声明如下：lln terface = in terface'00000000-0000-0000-C000-000000000046'function Querylnterface(const IID: TGUID; out Obj): HResult; stdcall;fun cti on _AddRef: In teger; stdcall;fun cti on _Re

24、lease: In teger; stdcall;end;任何实现llnterface的类都必须实现上面三个方法，其中的 _AddRef和 _Release就是实现引用计数管理的。Delphi提供了 llnterfaceObject类默认实现 In terface，它声明一个成员FRefCou nt: In teger指定引用计数，_AddRef被调用 时只是将FRefCount增1:Result := In terlockedl ncreme nt(FRefC oun t);Release被调用时，减少FRefCount，如果FRefCount为0时，即调用Destroy 消毁自己：Result := In terlockedDecreme nt(FRefC oun t);if Result = 0 thenDestroy;如果即想实现接口，而不想通过引用计数管理生命周期的，可以在AddRef 和Release中简单地将结果返回为-1即可，TComponent类即是如此