Delphi 的接口机制浅探(转)

目 录

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⊙ 接口的引用计数管理

接口指针总是被初始化为 nil

接口指针赋值为对象

接口指针赋值为接口指针

接口引用计数使用规则小结

⊙ 接口对象的编译器实现

接口对象的内存空间

接口跳转表

对象内存空间中接口跳转指针的初始化

⊙ implements 的实现

以接口成员变量实现 implements

以对象成员变量实现 implements

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正 文

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⊙ 接口的引用计数管理

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接口指针总是被初始化为 nil

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接口是生存期自管理对象，即使是局部接口指针，也总是被初始化为 nil。接口指针被初始化为 nil 是很重要的，从下文中 Delphi 生成维护接口引用计数的代码时可以看到这一点。

当接口与一个对象连接时，编译器会执行一些特殊的代码维护接口对象的引用计数。例如以下代码：

var

MyObject: TMyObject;

MyIntf, MyIntf2: IInterface;

begin

MyObject := TMyObject.Create;  // 创建 TMyObject 对象

MyIntf  := MyObject;           // 将接口指向 MyObject 对象

MyIntf2 := MyIntf;             // 接口指针的赋值

end;

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接口指针赋值为对象

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当执行到 MyIntf := MyObject 语句时，编译器的实现是：

1. 如果 MyObject <> nil，则设置一临时接口指针 P 指向 MyObject 对象内存空间中

的“接口跳转表”指针(后面会分析“接口跳转表”)；否则 P := nil；

2. 执行 System.pas 中的 _IntfCopy(MyIntf, P) 操作，进行引用计数管理；

{ System.pas }

procedure _IntfCopy(var Dest: IInterface; const Source: IInterface);

var

P: Pointer;

begin

P := Pointer(Dest);           // 保存目的接口指针，用于后面的 Release 调用

if Source <> nil then         // 源接口指针增加引用计数

Source._AddRef;

Pointer(Dest) := Pointer(Source); // 目的接口指针赋值为源接口指针

if P <> nil then                  // 原目的接口指针减少引用计数

IInterface(P)._Release;

end;

_IntfCopy 的代码比较简单，就是增加 Source 接口对象的引用计数，减少被赋值的接口对象的引用计数，最后把源接口指针赋值至目标接口指针。(其中还有源接口指针为 nil 的情况，看源代码比我说得还要清楚)

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接口指针赋值为接口指针

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对于两个接口指针的赋值的情况，如MyIntf2 := MyIntf，这时比 MyIntf := MyObject 的情况要简单一些，编译器不需要进行对象到接针的转换工作，这时真正执行的代码是：_IntfCopy(MyIntf2, MyIntf)。

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接口对象清除工作

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在一个过程(procedure/function)执行结束时，编译器会生成代码减少接口对象的引用计数。编译器使用接口指针为参数调用 _IntfClear 函数，_IntfClear 函数的作用是减少接口对象的引用计数并设置接口指针为 nil ：

{ System.pas }

function _IntfClear(var Dest: IInterface): Pointer;

var

P: Pointer;

begin

Result := @Dest;

if Dest <> nil then

begin

P := Pointer(Dest);

Pointer(Dest) := nil;

IInterface(P)._Release;

end;

end;

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接口引用计数使用规则小结

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根据以上代码及分析，我们可以小结过程(procedure/function)中的接口引用计数使用规则：

1. 一般不需要使用 _AddRef/_Release 函数设置接口引用计数；

2. 可以将接口赋值为接口或对象，Delphi 自动处理源/目标接口对象的引用计数；

3. 如果要提前释放接口对象，可以设置接口指针为 nil，但不要调用 _Release。

因为 _Release 不会把接口指针设置为 nil，最后 Delphi 自动调用 _IntfClear

时会出错；

下面我们看看将接口指针作为参数传送时的情况：

1. 以 var 或 const 方式传递接口指针时，像普通的参数传递一样。

2. 以 out 方式传递接口指针时，编译器会先调用 _IntfClear 函数减少引用计数，

清除接口指针为 nil 。(out 也是以引用方式传送参数)。

3. 以传值方式传递接口指针时，编译器会在参数被使用之前调用 _IntfAddRef 函数

增加引用计数，在过程结束之前调用 _IntfClear 函数减少引用计数。

(* 为什么以传值方式要特别处理引用计数呢？因为复制了接口指针？)

{ System.pas }

procedure _IntfAddRef(const Dest: IInterface);

begin

if Dest <> nil then Dest._AddRef;

end;

对于全局接口指针变量，在接口变量被赋值时增加对象的引用计数，在程序退出之前编译器自动调用 _IntfClear 函数减少引用计数以清除对象。

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⊙ 接口对象的编译器实现

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接口对象的内存空间

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假设我们定义了如下两个接口 IIntfA 和 IIntfB，其中 ProcA 和 ProcB 将实现为静态方法，而 VirtA 和 VirtB 将以虚方法实现：

IIntfA = interface

procedure ProcA;

procedure VirtA;

end;

IIntfB = interface

procedure ProcB;

procedure VirtB;

end;

然后我们定义一个 TMyObject 类，它继承自 TInterfacedObject，并实现 IIntfA 和 IIntfB 两个接口：

TMyObject = class(TInterfacedObject, IIntfA, IIntfB)

FFieldA: Integer;

FFieldB: Integer;

procedure ProcA;

procedure VirtA; virtual;

procedure ProcB;

procedure VirtB; virtual;

end;

然后我们执行以下代码：

var

MyObject: TMyObject;

MyIntf:  IInterface;

MyIntfA: IIntfA;

MyIntfB: IIntfB;

begin

MyObject := TMyObject.Create;  // 创建 TMyObject 对象

MyIntf  := MyObject;           // 将接口指向 MyObject 对象

MyIntfA := MyObject;

MyIntfB := MyObject;

end;

以上代码的执行过程中，编译器实现的内存空间情况如下：( 后文简称“图一” )

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对象/接口指针   | 对象内存空间    |          | 虚方法表     |

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MyObject    ->  | VMTptr        00|--------->| VirtA      00|

| FRefCount     04|          | VirtB      04|

MyIntf      ->  | IInterface    08|----|

| FFieldA       0C|    |           | IInterface    跳转表   |

| FFieldB       10|    |---------> | addr of QueryInterface |

MyIntfB     ->  | IIntfB        14|---------|      | addr of _AddRef        |

MyIntfA     ->  | IIntfA        18|--|      |      | addr of _Release       |

|      |

|      |      | IIntfB        跳转表   |

|      |----> | addr of ProcB          |

|             | addr of VirtB          |

|

|             | IIntfA        跳转表   |

|-----------> | addr of ProcA          |

| addr of VirtA          |

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先看最左边一列。MyObject 是对象指针，指向对象数据空间中的 0 偏移处(虚方法表指针)。可以看到 MyIntf/MyIntfA/MyIntfB 三个接口都实现为指针，这三个指针分别指向 MyObject 对象数据空间中一个 4 bytes 的区域。

中间一列是对象内存空间。可以看到，与不支持接口的对象相比，TMyObject 的对象内存空间中增加了三个字段：IInterface/IIntfB/IIntfA这些字段也是指针，指向(我暂命名为)“接口跳转表”的内存地址。(* 注意 MyIntfA/MyIntfB 的存放顺序与 TMyObject 类声明的顺序相反，为什么？)

第三列是类的虚方法表，与一般的类(不支持接口的类)一致。

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接口跳转表

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“接口跳转表”就是一排函数指针，指向实现当前接口的函数地址，这些函数按接口中声明的顺序排列。现在让我们来看一看所谓的“接口跳转表”有什么用处。

我们知道，一个对象在调用类的成员函数的时候，比如执行 MyObject.ProcA，会隐含传递一个 Self 指针给这个成员函数：MyObject.ProcA(Self)。Self 就是对象数据空间的地址。那么编译器如何知道 Self 指针？原来对象指针 MyObject 指向的地址就是 Self，编译器直接取出 MyObject^ 就可以作为 Self。

在以接口的方式调用成员函数的时候，比如 MyIntfA.ProcA，这时编译器不知道 MyIntfA 到底指向哪种类型(class)的对象，无法知道 MyIntfA 与 Self 之间的距离，因此编译器直接把 MyIntfA 指向的地址设置为 Self。从上图可以看到，MyIntfA 指向 MyObject 对象空间中 $18 偏移地址。这时的 Self 指针当然是错误的，编译器不能直接调用 TMyObject.ProcA，而是调用 IIntfA 的“接口跳转表”中的 ProcA。“接口跳转表”中的 ProcA 的内容就是对 Self 指针进行修正(Self - $18)，然后再调用 TMyObject.ProcA，这时就是正确调用对象的成员函数了。由于每个类实现接口的顺序不一定相同，因此对于相同的接口在不同的类中实现，就有不同的接口跳转表(当然，可能编辑器能够聪明地检查到一些类的“接口跳转表”偏移量相同，也可以共享使用)。

上面说的是编译器的实现过程，使用“接口跳转表”真正的原因是 interface 必须支持 COM 的二进制格式标准。下图是我从《〈COM 原理与应用〉学习笔记》中摘录的 COM 二进制规格：

接口指针 ----> pVtable ----> 指针函数1 ->  |----------|

指针函数2 ->  | 对象实现 |

指针函数3 ->  |----------|

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对象内存空间中接口跳转指针的初始化

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还有一个问题，那就是对象内存空间中的接口跳转指针是如何初始化的。原来，在 TObject.InitInstance 中，用 FillChar 清零对象内存空间后，进行的工作就是初始化对象的接口跳转指针：

(* 我还没有细看)

class function TObject.InitInstance(Instance: Pointer): TObject;

var

IntfTable: PInterfaceTable;

ClassPtr: TClass;

I: Integer;

begin

FillChar(Instance^, InstanceSize, 0);

PInteger(Instance)^ := Integer(Self);

ClassPtr := Self;

while ClassPtr <> nil do

begin

IntfTable := ClassPtr.GetInterfaceTable;

if IntfTable <> nil then

for I := 0 to IntfTable.EntryCount-1 do

with IntfTable.Entries[I] do

begin

if VTable <> nil then

PInteger(@PChar(Instance)[IOffset])^ := Integer(VTable);

end;

ClassPtr := ClassPtr.ClassParent;

end;

Result := Instance;

end;

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⊙ implements 的实现

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Delphi 中可以使用 implements 关键字将接口方法委托给另一个接口或对象来实现。

下面以 TMyObject 为基类，考查 implements 的实现方法。

TMyObject = class(TInterfacedObject, IIntfA, IIntfB)

FFieldA: Integer;

FFieldB: Integer;

procedure ProcA;

procedure VirtA; virtual;

procedure ProcB;

procedure VirtB; virtual;

destructor Destroy; override;

end;

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以接口成员变量实现 implements

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TMyObject2 = class(TInterfacedObject, IIntfA)

FIntfA: IIntfA;

property IntfA: IIntfA read FIntfA implements IIntfA;

end;

这时编译器的实现是非常简单的，因为 FIntfA 就是接口指针，这时如果使用接口赋值 MyIntfA := MyObject2 这样的语句调用时，MyIntfA 就直接指向 MyObject2.FIntfA。

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以对象成员变量实现 implements

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如下例，如果一个接口类 TMyObject2 以对象的方式实现 implements (通常应该是这样)，其对象内存空间的排列与 TMyObject(见“图一”)几乎是一样的：

TMyObject2 = class(TInterfacedObject, IIntfA, IIntfB)

FMyObject: TMyObject;

function GetMyObject: TMyObject;

property MyObject: TMyObject read GetMyObject implements IIntfA, IIntfB;

end;

不同的地方在于 TMyObject2 的“接口跳转表”的内容发生了变化。由于 TMyObject2 并没有自己实现 IIntfA 和 IIntfB，而是由 FMyObject 对象来实现这两个接口。这时，“接口跳转表”中调用的方法就必须改变为调用 FMyObject 对象的方法。比如下面的代码：

var

MyObject2: TMyObject2;

MyIntfA: IIntfA;

begin

MyObject2 := TMyObject2.Create;

MyObject2.FMyObject := TMyObject.Create;

MyIntfA := MyObject2;

MyIntfA._AddRef;

MyIntfA.ProcA;

MyIntfA._Release;

end;

当执行 MyIntfA._AddRef 语句时，编译器生成的“接口跳转”代码为：

MyIntfA._AddRef;

mov eax,[ebp-$0c]              // eax = MyIntfA^

push eax                       // MyIntfA^ 设置为 Self

mov eax,[eax]                  // eax = 接口跳转表地址指针

call dword ptr [eax+$04]       // 转到接口跳转表

{ “接口跳转段”中的代码 }

mov eax,[esp+$04]              // [esp+$04] 是接口指针内容 (MyIntfA^)

add eax,-$14                   // 修正 eax = Self (MyObject2)

call TMyObject2.GetMyObject

mov [esp+$04],eax              // 获得 FMyObject 对象，注意 [esp+$04]

jmp TInterfacedObject._AddRef  // 调用 FMyObject._AddRef

[esp+$04] 是值得注意的地方。“接口跳转表”中只修正一个参数 Self，其它的调用参数(如果有的话)在执行过程进入“接口跳转表”之前就由编译器设置好了。在这里 _AddRef 是采用 stdcall 调用约定，因此 esp+$04 就是 Self。前面说过，编译器直接把接口指针的内容作为 Self 参数，然后转到“接口跳转表”中对 Self 进行修正，然后才能调用对象方法。上面的汇编代码就是修正 Self 为 FMyObject 并调用 FMyObject 的方法。

可以看到 FMyObject._AddRef 方法增加的是 FMyObject 对象的引用计数，看来 implements 的实现只是简单地把接口传送给对象执行，而要实现 COM 组件聚合，必须使用其它方法。

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⊙ 结 束

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