聊聊 C# 中的多型底層 (虛方法呼叫) 是怎麼玩的

一線碼農發表於2022-06-01

最近在看 C++ 的虛方法呼叫實現原理，大概就是說在 class 的首位置存放著一個指向 vtable array 指標陣列的指標，而 vtable array 中的每一個指標元素指向的就是各自的 虛方法，實現方式很有意思，哈哈，現在我很好奇 C# 中如何實現的。

一： C# 中的多型玩法

1. 一個簡單的 C# 例子

為了方便說明，我就定義一個 Person 類和一個 Chinese 類，詳細程式碼如下：


    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Person person = new Chinese();

            person.SayHello();

            Console.ReadLine();
        }
    }

    public class Person
    {
        public virtual void SayHello()
        {
            Console.WriteLine("sayhello");
        }
    }

    public class Chinese: Person
    {
        public override void SayHello()
        {
            Console.WriteLine("chinese");
        }
    }
}

2. 彙編程式碼分析

接下來用 windbg 在 person.SayHello() 處下一個斷點，觀察一下它的反彙編程式碼：


D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\Program.cs @ 9:
05cf21b3 b93c5dce05      mov     ecx,5CE5D3Ch (MT: ConsoleApp1.Chinese)
05cf21b8 e8030f89fa      call    005830c0 (JitHelp: CORINFO_HELP_NEWSFAST)
05cf21bd 8945f4          mov     dword ptr [ebp-0Ch],eax
05cf21c0 8b4df4          mov     ecx,dword ptr [ebp-0Ch]
05cf21c3 e820fbffff      call    05cf1ce8 (ConsoleApp1.Chinese..ctor(), mdToken: 0600000A)
05cf21c8 8b4df4          mov     ecx,dword ptr [ebp-0Ch]
05cf21cb 894df8          mov     dword ptr [ebp-8],ecx

D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\Program.cs @ 11:
>>> 05cf21ce 8b4df8          mov     ecx,dword ptr [ebp-8]
05cf21d1 8b45f8          mov     eax,dword ptr [ebp-8]
05cf21d4 8b00            mov     eax,dword ptr [eax]
05cf21d6 8b4028          mov     eax,dword ptr [eax+28h]
05cf21d9 ff5010          call    dword ptr [eax+10h]
05cf21dc 90              nop

從彙編程式碼看，邏輯非常清晰，大體步驟如下：

eax,dword ptr [ebp-8]

從棧上(ebp-8)處獲取 person 在堆上的首地址，如果不相信的話，可以用 !do 027ea88c 試試看。


0:000> dp ebp-8 L1
0057f300  027ea88c

0:000> !do 027ea88c
Name:        ConsoleApp1.Chinese
MethodTable: 05ce5d3c
EEClass:     05cd3380
Size:        12(0xc) bytes
File:        D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\bin\x86\Debug\net6.0\ConsoleApp1.dll
Fields:
None

eax,dword ptr [eax]

如果大家瞭解 例項 在堆上的記憶體佈局的話，應該知道，這個首地址存放的就是 methodtable 指標,我們可以用 !dumpmt 05ce5d3c 來驗證下。


0:000> dp 027ea88c L1
027ea88c  05ce5d3c

0:000> !dumpmt 05ce5d3c
EEClass:         05cd3380
Module:          05addb14
Name:            ConsoleApp1.Chinese
mdToken:         02000007
File:            D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\bin\x86\Debug\net6.0\ConsoleApp1.dll
BaseSize:        0xc
ComponentSize:   0x0
DynamicStatics:  false
ContainsPointers false
Slots in VTable: 6
Number of IFaces in IFaceMap: 0

eax,dword ptr [eax+28h]

那這句話是什麼意思呢？如果你瞭解 CoreCLR 的話，你應該知道 methedtable 是由一個 class MethodTable 類來承載的，所以它取了 methodtable 偏移 0x28 位置的一個欄位，那這個偏移欄位是什麼呢？我們先用 dt 把 methodtable 結構給匯出來。


0:000> dt 05ce5d3c MethodTable
coreclr!MethodTable
   =7ad96bc8 s_pMethodDataCache : 0x00639ec8 MethodDataCache
   =7ad96bc4 s_fUseParentMethodData : 0n1
   =7ad96bcc s_fUseMethodDataCache : 0n1
   +0x000 m_dwFlags        : 0xc
   +0x004 m_BaseSize       : 0x74088
   +0x008 m_wFlags2        : 5
   +0x00a m_wToken         : 0
   +0x00c m_wNumVirtuals   : 0x5ccc
   +0x00e m_wNumInterfaces : 0x5ce
   +0x010 m_pParentMethodTable : IndirectPointer<MethodTable *>
   +0x014 m_pLoaderModule  : PlainPointer<Module *>
   +0x018 m_pWriteableData : PlainPointer<MethodTableWriteableData *>
   +0x01c m_pEEClass       : PlainPointer<EEClass *>
   +0x01c m_pCanonMT       : PlainPointer<unsigned long>
   +0x020 m_pPerInstInfo   : PlainPointer<PlainPointer<Dictionary *> *>
   +0x020 m_ElementTypeHnd : 0
   +0x020 m_pMultipurposeSlot1 : 0
   +0x024 m_pInterfaceMap  : PlainPointer<InterfaceInfo_t *>
   +0x024 m_pMultipurposeSlot2 : 0x5ce5d68
   =7ad04c78 c_DispatchMapSlotOffsets : [0]  " $ (System.Private.CoreLib.dll"
   =7ad04c70 c_NonVirtualSlotsOffsets : [0]  " $ ($((, $ (System.Private.CoreLib.dll"
   =7ad04c60 c_ModuleOverrideOffsets : [0]  " $ ($((,$((,(,,0 $ ($((, $ (System.Private.CoreLib.dll"
   =7ad12838 c_OptionalMembersStartOffsets : [0]  "(((((((,(((,(,,0(((,(,,0(,,0,004"

從 methodtable 的佈局圖來看, eax+28h 是 m_pMultipurposeSlot2 結構的第二個欄位了，因為第一個欄位是 虛方法表指標，如果要驗證的話，也很簡單，用 !dumpmt -md 05ce5d3c 把所有的方法給匯出來，然後結合 dp 05ce5d3c 看下 0x5ce5d68 之後是不是許多的方法。


0:000> !dumpmt -md 05ce5d3c
EEClass:         05cd3380
Module:          05addb14
Name:            ConsoleApp1.Chinese
mdToken:         02000007
File:            D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\bin\x86\Debug\net6.0\ConsoleApp1.dll
BaseSize:        0xc
ComponentSize:   0x0
DynamicStatics:  false
ContainsPointers false
Slots in VTable: 6
Number of IFaces in IFaceMap: 0
--------------------------------------
MethodDesc Table
   Entry MethodDe    JIT Name
02610028 02605568   NONE System.Object.Finalize()
02610030 02605574   NONE System.Object.ToString()
02610038 02605580   NONE System.Object.Equals(System.Object)
02610050 026055ac   NONE System.Object.GetHashCode()
05CF1CE0 05ce5d24   NONE ConsoleApp1.Chinese.SayHello()
05CF1CE8 05ce5d30    JIT ConsoleApp1.Chinese..ctor()
0:000> dp 05ce5d3c L10
05ce5d3c  00000200 0000000c 00074088 00000005
05ce5d4c  05ce5ccc 05addb14 05ce5d7c 05cd3380
05ce5d5c  05cf1ce8 00000000 05ce5d68 02610028
05ce5d6c  02610030 02610038 02610050 05cf1ce0

仔細看輸出，上面的 05ce5d68 後面的 02610028 就是 System.Object.Finalize() 方法，02610030 對應著 System.Object.ToString() 方法。

call dword ptr [eax+10h]

有了前面的基礎，這句話就好理解了，它是從 m_pMultipurposeSlot2 結構中找 SayHello 所在的單元指標位置，然後做 call 呼叫。


0:000> !U 05cf1ce0
Unmanaged code
05cf1ce0 e88f9dde74      call    coreclr!PrecodeFixupThunk (7aadba74)
05cf1ce5 5e              pop     esi
05cf1ce6 0001            add     byte ptr [ecx],al
05cf1ce8 e913050000      jmp     05cf2200
05cf1ced 5f              pop     edi
05cf1cee 0300            add     eax,dword ptr [eax]
05cf1cf0 245d            and     al,5Dh
05cf1cf2 ce              into
05cf1cf3 0500000000      add     eax,0
05cf1cf8 0000            add     byte ptr [eax],al

從彙編看，它還是一段 樁程式碼，言外之意就是該方法沒有被 JIT 編譯，如果編譯完了，這裡的 05CF1CE0 05ce5d24 NONE ConsoleApp1.Chinese.SayHello() 的 Entry (05CF1CE0) 也會被同步修改，驗證一下很簡單，我們繼續 go 程式碼讓其編譯完成，然後再 dumpmt 。


0:008> !dumpmt -md 05ce5d3c
EEClass:         05cd3380
Module:          05addb14
Name:            ConsoleApp1.Chinese
mdToken:         02000007
File:            D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\bin\x86\Debug\net6.0\ConsoleApp1.dll
BaseSize:        0xc
ComponentSize:   0x0
DynamicStatics:  false
ContainsPointers false
Slots in VTable: 6
Number of IFaces in IFaceMap: 0
--------------------------------------
MethodDesc Table
   Entry MethodDe    JIT Name
02610028 02605568   NONE System.Object.Finalize()
02610030 02605574   NONE System.Object.ToString()
02610038 02605580   NONE System.Object.Equals(System.Object)
02610050 026055ac   NONE System.Object.GetHashCode()
05CF2270 05ce5d24    JIT ConsoleApp1.Chinese.SayHello()
05CF1CE8 05ce5d30    JIT ConsoleApp1.Chinese..ctor()

0:008> dp 05ce5d3c L10
05ce5d3c  00000200 0000000c 00074088 00000005
05ce5d4c  05ce5ccc 05addb14 05ce5d7c 05cd3380
05ce5d5c  05cf1ce8 00000000 05ce5d68 02610028
05ce5d6c  02610030 02610038 02610050 05cf2270

此時可以看到它由 05cf1ce0 變成了 05cf2270，這個就是 JIT 編譯後的方法程式碼，我們用 !U 反編譯下。


0:008> !U 05cf2270
Normal JIT generated code
ConsoleApp1.Chinese.SayHello()
ilAddr is 05E720D5 pImport is 008F6E88
Begin 05CF2270, size 27

D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\Program.cs @ 28:
>>> 05cf2270 55              push    ebp
05cf2271 8bec            mov     ebp,esp
05cf2273 50              push    eax
05cf2274 894dfc          mov     dword ptr [ebp-4],ecx
05cf2277 833d74dcad0500  cmp     dword ptr ds:[5ADDC74h],0
05cf227e 7405            je      05cf2285
05cf2280 e8cb2bf174      call    coreclr!JIT_DbgIsJustMyCode (7ac04e50)
05cf2285 90              nop

D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\Program.cs @ 29:
05cf2286 8b0d74207e04    mov     ecx,dword ptr ds:[47E2074h] ("chinese")
05cf228c e8dffbffff      call    05cf1e70
05cf2291 90              nop

D:\net6\ConsoleApplication2\ConsoleApp1\Program.cs @ 30:
05cf2292 90              nop
05cf2293 8be5            mov     esp,ebp
05cf2295 5d              pop     ebp
05cf2296 c3              ret

終於這就是多型下的 ConsoleApp1.Chinese.SayHello 方法啦。

3. 總結

本質上來說，CoreCLR 也是 C++ 寫的，所以也逃不過用 虛表 來實現多型的玩法，不過玩法也稍微複雜了一些，希望本篇對大家有幫助。

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1. 一個簡單的 C# 例子

2. 彙編程式碼分析

3. 總結

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