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C++ 不支持虚拟模板方法。原因是vtable每当对这种方法进行新的实例化时，这都会改变（必须将其添加到vtable）。

相比之下，Java 确实允许虚拟泛型方法。在这里，如何实现这一点也很清楚：Java 泛型在运行时被擦除，因此泛型方法是运行时的常用方法，因此不需要进行任何更改vtable。

但现在到 C#。C# 确实具有具体化的泛型。对于具体化的泛型，尤其是在使用值类型作为类型参数时，必须有不同版本的泛型方法。但是我们遇到了与 C++ 相同的问题：每当对泛型方法进行新的实例化时，我们都需要更改 vtable。

我对 C# 的内部工作并不太了解，所以我的直觉可能完全是错误的。那么对 C#/.NET 有更深入了解的人可以告诉我他们如何能够在 C# 中实现泛型虚拟方法吗？

这是显示我的意思的代码：

[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
static void Test_GenericVCall()
{
    var b = GetA();
    b.M<string>();
    b.M<int>();
}

[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
static A GetA()
{
    return new B();
}

class A
{
    public virtual void M<T>()
    {
    }
}

class B : A
{
    public override void M<T>()
    {
        base.M<T>();
        Console.WriteLine(typeof(T).Name);
    }
}

M在函数中调用时，CLR 如何分派到正确的 JITed 代码Test_GenericVCall？

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运行这段代码并分析 IL 和生成的 ASM，我们可以看到发生了什么：

internal class Program
{
    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
    private static void Test()
    {
        var b = GetA();
        b.GenericVirtual<string>();
        b.GenericVirtual<int>();
        b.GenericVirtual<StringBuilder>();
        b.GenericVirtual<int>();
        b.GenericVirtual<StringBuilder>();
        b.GenericVirtual<string>();
        b.NormalVirtual();
    }

    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
    private static A GetA()
    {
        return new B();
    }

    private class A
    {
        public virtual void GenericVirtual<T>()
        {
        }

        public virtual void NormalVirtual()
        {
        }
    }

    private class B : A
    {
        public override void GenericVirtual<T>()
        {
            base.GenericVirtual<T>();
            Console.WriteLine("Generic virtual: {0}", typeof(T).Name);
        }

        public override void NormalVirtual()
        {
            base.NormalVirtual();
            Console.WriteLine("Normal virtual");
        }
    }

    public static void Main(string[] args)
    {
        Test();
        Console.ReadLine();
        Test();
    }
}

我用 WinDbg 对 Program.Test 进行了断点：

.loadby sos clr; !bpmd CSharpNewTest CSharpNewTest.Program.Test

然后，我使用Sosex.dll的出色!muf命令向我展示交错的源代码、IL 和 ASM：

0:000> !muf
CSharpNewTest.Program.Test(): void
    b:A

        002e0080 55              push    ebp
        002e0081 8bec            mov     ebp,esp
        002e0083 56              push    esi
var b = GetA();
    IL_0000: call CSharpNewTest.Program::GetA()
    IL_0005: stloc.0  (b)
>>>>>>>>002e0084 ff15c0371800    call    dword ptr ds:[1837C0h]
        002e008a 8bf0            mov     esi,eax
b.GenericVirtual<string>();
    IL_0006: ldloc.0  (b)
    IL_0007: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e008c 6800391800      push    183900h
        002e0091 8bce            mov     ecx,esi
        002e0093 ba50381800      mov     edx,183850h
        002e0098 e877e49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e009d 8bce            mov     ecx,esi
        002e009f ffd0            call    eax
b.GenericVirtual<int>();
    IL_000c: ldloc.0  (b)
    IL_000d: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e00a1 6830391800      push    183930h
        002e00a6 8bce            mov     ecx,esi
        002e00a8 ba50381800      mov     edx,183850h
        002e00ad e862e49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e00b2 8bce            mov     ecx,esi
        002e00b4 ffd0            call    eax
b.GenericVirtual<StringBuilder>();
    IL_0012: ldloc.0  (b)
    IL_0013: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e00b6 6870391800      push    183970h
        002e00bb 8bce            mov     ecx,esi
        002e00bd ba50381800      mov     edx,183850h
        002e00c2 e84de49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e00c7 8bce            mov     ecx,esi
        002e00c9 ffd0            call    eax
b.GenericVirtual<int>();
    IL_0018: ldloc.0  (b)
    IL_0019: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e00cb 6830391800      push    183930h
        002e00d0 8bce            mov     ecx,esi
        002e00d2 ba50381800      mov     edx,183850h
        002e00d7 e838e49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e00dc 8bce            mov     ecx,esi
        002e00de ffd0            call    eax
b.GenericVirtual<StringBuilder>();
    IL_001e: ldloc.0  (b)
    IL_001f: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e00e0 6870391800      push    183970h
        002e00e5 8bce            mov     ecx,esi
        002e00e7 ba50381800      mov     edx,183850h
        002e00ec e823e49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e00f1 8bce            mov     ecx,esi
        002e00f3 ffd0            call    eax
b.GenericVirtual<string>();
    IL_0024: ldloc.0  (b)
    IL_0025: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e00f5 6800391800      push    183900h
        002e00fa 8bce            mov     ecx,esi
        002e00fc ba50381800      mov     edx,183850h
        002e0101 e80ee49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e0106 8bce            mov     ecx,esi
        002e0108 ffd0            call    eax
b.NormalVirtual();
    IL_002a: ldloc.0  (b)
        002e010a 8bce            mov     ecx,esi
        002e010c 8b01            mov     eax,dword ptr [ecx]
        002e010e 8b4028          mov     eax,dword ptr [eax+28h]
    IL_002b: callvirt A::NormalVirtual()
        002e0111 ff5014          call    dword ptr [eax+14h]
}
    IL_0030: ret

有趣的是普通的虚拟调用，可以将其与通用的虚拟调用进行比较：

b.NormalVirtual();
    IL_002a: ldloc.0  (b)
        002e010a 8bce            mov     ecx,esi
        002e010c 8b01            mov     eax,dword ptr [ecx]
        002e010e 8b4028          mov     eax,dword ptr [eax+28h]
    IL_002b: callvirt A::NormalVirtual()
        002e0111 ff5014          call    dword ptr [eax+14h]

看起来很标准。让我们看一下泛型调用：

b.GenericVirtual<string>();
    IL_0024: ldloc.0  (b)
    IL_0025: callvirt A::GenericVirtuallong
        002e00f5 6800391800      push    183900h
        002e00fa 8bce            mov     ecx,esi
        002e00fc ba50381800      mov     edx,183850h
        002e0101 e80ee49b71      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer (71c9e514)
        002e0106 8bce            mov     ecx,esi
        002e0108 ffd0            call    eax

好的，所以通用虚拟调用是通过加载我们的对象b（在 中esi，被移动到中ecx），然后调用到clr!JIT_VirtualFunctionPointer. 还推送了两个常量：183850in edx。我们可以得出结论，这可能是函数的句柄A.GenericVirtual<T>，因为它对于 6 个调用站点中的任何一个都没有改变。另一个常量183900看起来是泛型参数的类型句柄。事实上，SSCLI证实了这些怀疑：

HCIMPL3(CORINFO_MethodPtr, JIT_VirtualFunctionPointer, Object * objectUNSAFE, CORINFO_CLASS_HANDLE classHnd, CORINFO_METHOD_HANDLE methodHnd)

因此，查找基本上委托给JIT_VirtualFunctionPointer，它必须准备一个可以调用的地址。假设它将 JIT 它并返回一个指向 JIT 代码的指针，或者制作一个蹦床，当第一次调用时，它将 JIT 函数。

0:000> uf clr!JIT_VirtualFunctionPointer
clr!JIT_VirtualFunctionPointer:
71c9e514 55              push    ebp
71c9e515 8bec            mov     ebp,esp
71c9e517 83e4f8          and     esp,0FFFFFFF8h
71c9e51a 83ec0c          sub     esp,0Ch
71c9e51d 53              push    ebx
71c9e51e 56              push    esi
71c9e51f 8bf2            mov     esi,edx
71c9e521 8bd1            mov     edx,ecx
71c9e523 57              push    edi
71c9e524 89542414        mov     dword ptr [esp+14h],edx
71c9e528 8b7d08          mov     edi,dword ptr [ebp+8]
71c9e52b 85d2            test    edx,edx
71c9e52d 745c            je      clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x70 (71c9e58b)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x1b:
71c9e52f 8b12            mov     edx,dword ptr [edx]
71c9e531 89542410        mov     dword ptr [esp+10h],edx
71c9e535 8bce            mov     ecx,esi
71c9e537 c1c105          rol     ecx,5
71c9e53a 8bdf            mov     ebx,edi
71c9e53c 03ca            add     ecx,edx
71c9e53e c1cb05          ror     ebx,5
71c9e541 03d9            add     ebx,ecx
71c9e543 a180832872      mov     eax,dword ptr [clr!g_pJitGenericHandleCache (72288380)]
71c9e548 8b4810          mov     ecx,dword ptr [eax+10h]
71c9e54b 33d2            xor     edx,edx
71c9e54d 8bc3            mov     eax,ebx
71c9e54f f77104          div     eax,dword ptr [ecx+4]
71c9e552 8b01            mov     eax,dword ptr [ecx]
71c9e554 8b0490          mov     eax,dword ptr [eax+edx*4]
71c9e557 85c0            test    eax,eax
71c9e559 7430            je      clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x70 (71c9e58b)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x47:
71c9e55b 8b4c2410        mov     ecx,dword ptr [esp+10h]

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x50:
71c9e55f 395804          cmp     dword ptr [eax+4],ebx
71c9e562 7521            jne     clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x6a (71c9e585)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x55:
71c9e564 39480c          cmp     dword ptr [eax+0Ch],ecx
71c9e567 751c            jne     clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x6a (71c9e585)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x5a:
71c9e569 397010          cmp     dword ptr [eax+10h],esi
71c9e56c 7517            jne     clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x6a (71c9e585)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x5f:
71c9e56e 397814          cmp     dword ptr [eax+14h],edi
71c9e571 7512            jne     clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x6a (71c9e585)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x64:
71c9e573 f6401801        test    byte ptr [eax+18h],1
71c9e577 740c            je      clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x6a (71c9e585)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x85:
71c9e579 8b4008          mov     eax,dword ptr [eax+8]
71c9e57c 5f              pop     edi
71c9e57d 5e              pop     esi
71c9e57e 5b              pop     ebx
71c9e57f 8be5            mov     esp,ebp
71c9e581 5d              pop     ebp
71c9e582 c20400          ret     4

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x6a:
71c9e585 8b00            mov     eax,dword ptr [eax]
71c9e587 85c0            test    eax,eax
71c9e589 75d4            jne     clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x50 (71c9e55f)

clr!JIT_VirtualFunctionPointer+0x70:
71c9e58b 8b4c2414        mov     ecx,dword ptr [esp+14h]
71c9e58f 57              push    edi
71c9e590 8bd6            mov     edx,esi
71c9e592 e8c4800400      call    clr!JIT_VirtualFunctionPointer_Framed (71ce665b)
71c9e597 5f              pop     edi
71c9e598 5e              pop     esi
71c9e599 5b              pop     ebx
71c9e59a 8be5            mov     esp,ebp
71c9e59c 5d              pop     ebp
71c9e59d c20400          ret     4

可以在 SSCLI 中查看实现，看起来它仍然适用：

HCIMPL3(CORINFO_MethodPtr, JIT_VirtualFunctionPointer, Object * objectUNSAFE,
                                                       CORINFO_CLASS_HANDLE classHnd,
                                                       CORINFO_METHOD_HANDLE methodHnd)
{
    CONTRACTL {
        SO_TOLERANT;
        THROWS;
        DISABLED(GC_TRIGGERS);      // currently disabled because of FORBIDGC in HCIMPL
    } CONTRACTL_END;

    OBJECTREF objRef = ObjectToOBJECTREF(objectUNSAFE);

    if (objRef != NULL && g_pJitGenericHandleCache)
    {
        JitGenericHandleCacheKey key(objRef->GetMethodTable(), classHnd, methodHnd);
        HashDatum res;
        if (g_pJitGenericHandleCache->GetValueSpeculative(&key,&res))
            return (CORINFO_GENERIC_HANDLE)res;
    }

    // Tailcall to the slow helper
    ENDFORBIDGC();
    return HCCALL3(JIT_VirtualFunctionPointer_Framed, OBJECTREFToObject(objRef), classHnd, methodHnd);
}
HCIMPLEND

所以基本上它会检查缓存以查看我们之前是否见过这种类型/类组合，否则将其发送到JIT_VirtualFunctionPointer_Framed哪个调用MethodDesc::GetMultiCallableAddrOfVirtualizedCode以获取它的地址。该MethodDesc调用传递了对象引用和泛型类型句柄，因此它可以查找要分派到哪个虚函数，以及虚函数的版本（即带有什么泛型参数）。

如果您想更深入地了解所有这些，可以在 SSCLI 中查看 - 似乎这在 4.0 版本的 CLR 中没有改变。

简而言之，CLR 可以满足您的期望。生成不同的调用站点，这些调用站点携带调用虚拟通用函数的类型的信息。然后将其传递给 CLR 以进行调度。复杂性在于 CLR 必须同时跟踪通用虚函数及其 JIT 处理的版本。

于 2014-06-22T13:26:47.210 回答
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template为了有一个通用术语，我将 C++和 C# 泛型称为“模式代码”。

模式代码在它生成具体代码的地方需要：

  • 模式的完整描述（模式的源代码，或类似的东西）
  • 关于它被实例化的模式参数的信息
  • 足以将两者结合起来的编译环境

在 C++ 中，该模式在编译单元级别生成具体代码。我们有完整的编译器、完整的源代码template和参数的完整类型信息template，所以我们摇晃和烘烤。

传统的泛型（未具体化）也会在类似的位置生成具体代码，但它们随后允许使用新类型进行运行时扩展。因此使用运行时类型擦除而不是相关类型的完整类型信息。Java 显然这样做只是为了避免需要新的泛型字节码（参见上面的编码）。

Reified generics 将原始泛型代码打包成某种表示形式，这种表示形式足够强大，可以将泛型重新应用到新类型上。在运行时，C# 有一个完整的编译器副本，并且添加的类型也带有基本完整的关于它是从什么编译而来的信息。使用所有 3 个部分，它可以将模式重新应用到新类型上。

C++ 不携带编译器，它没有存储足够的关于类型或模板的信息以在运行时应用。已经进行了一些尝试来将模板实例化延迟到 C++ 中的链接时间。

因此，当传递新类型时，您的虚拟泛型方法最终会编译新方法。在运行时。

于 2014-06-22T12:18:22.130 回答
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C++ 模板和 C# 泛型都是旨在实现泛型编程范式的功能：编写不依赖于它们操作的数据类型的算法和数据结构。

但他们以非常不同的方式工作。

泛型在代码上注入类型信息以在运行时可用。因此，不同的算法/数据结构知道他们正在使用什么类型，并自行调整。由于类型信息在运行时是可用/可访问的，因此可以在运行时完成类型决定并取决于运行时输入。这就是为什么多态性（也是运行时决定）和 C# 泛型可以很好地协同工作的原因。

另一方面，C++ 模板是一个非常不同的野兽。它们是一个编译时代码生成系统。这意味着模板系统所做的是在编译时根据使用的类型生成不同版本的代码。即使这可以实现泛型无法实现的许多强大功能（实际上 C++ 模板系统是图灵完备的），代码生成是在编译时完成的，所以我们必须知道在编译时使用的类型。
由于模板只是为使用的不同类型生成不同版本的代码，给定一个函数模板template<typename T> void foo( const T& t );，foo( 1 )并且foo( 'c' ) 不调用相同的函数，它们分别调用int和char生成的版本。

这就是为什么多态不能与模板一起使用的原因：每个函数模板实例都是一个不同的函数，因此使模板多态是没有意义的。运行时应该调用什么版本？

于 2014-06-22T12:06:52.353 回答
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C++ 通常直接编译为本机代码，并且本机代码C.Foo<int>(int)可能C.Foo<long>(long)会有所不同。此外，C++ 通常将指向本机代码的指针存储在 vtable 中。结合这些，您会看到如果C.Foo<T>是虚拟的，那么指向每个实例化的指针都需要成为 vtable 的一部分。

C# 没有这个问题。C# 编译为 IL，而 IL 被 JITted 为本机代码。IL vtables 不包含指向本机代码的指针，它们包含指向 IL 的指针（有点）。除此之外，.NET 泛型不允许专业化。所以在 IL 级别，C.Foo<int>(int)并且C.Foo<long>(long)总是看起来完全一样。

因此，C++ 的问题对于 C# 来说根本不存在，也不是需要解决的问题。

PS：Java 方法实际上也被 .NET 运行时使用。通常，无论泛型类型参数如何，泛型方法都会产生完全相同的本机代码，在这种情况下，该方法只会有一个实例。这就是为什么您有时会System.__Canon在堆栈跟踪等中看到对的引用，它是 Java 的?.

于 2014-06-22T12:26:37.913 回答
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自从我在 C# 泛型之前做 C# 事情以来已经有很长时间了，所以我不知道 C# 实现通常如何在内部做事情。

然而，在 C++ 端，虚拟模板受到单独翻译每个翻译单元的设计目标的限制。

下面是一个虚拟函数模板的假设示例，它不能用当前的 C++ 编译：

#include <iostream>
using namespace std;

struct Base
{
    template< int n >
    virtual void foo() { cout << "Base::foo<" << n << ">" << endl; }

    static auto instance() -> Base&;
};

auto main()
    -> int
{
    Base::instance().foo<666>();
}

//-------------------------------- Elsewhere:

struct Derived: Base
{
    template< int n >
    virtual void foo() { cout << "Derived::foo<" << n << ">" << endl; }
};

auto Base::instance() -> Base&
{
    static Derived o;
    return o;
}

以下是手动实现的方法：

#include <iostream>
#include <map>
#include <typeindex>
using namespace std;

struct Base
{
    virtual ~Base() {}

    template< int n >
    struct foo_pointer
    {
        void (*p)( Base* );
    };

    template< int n >
    using Foo_pointer_map = map<type_index, foo_pointer< n >>;

    template< int n >
    static
    auto foo_pointer_map()
        -> Foo_pointer_map< n >&
    {
        static Foo_pointer_map< n > the_map;
        return the_map;
    }

    template< int n >
    static
    void foo_impl( Base* ) { cout << "Base::foo<" << n << ">" << endl; }

    template< int n >
    void foo() {  foo_pointer_map< n >()[type_index( typeid( *this ) )].p( this ); }

    static auto instance() -> Base&;
};

bool const init_Base = []() -> bool
{
    Base::foo_pointer_map<666>()[type_index( typeid( Base ) )].p = &Base::foo_impl<666>;
    return true;
}();

auto main()
    -> int
{
    Base::instance().foo<666>();
}

//-------------------------------- Elsewhere:

struct Derived: Base
{
    template< int n >
    static
    void foo_impl( Base* ) { cout << "Derived::foo<" << n << ">" << endl; }
};

bool const init_Derived = []() -> bool
{
    // Here one must know about the instantiation of the base class function with n=666.
    Base::foo_pointer_map<666>()[type_index( typeid( Derived ) )].p = &Derived::foo_impl<666>;
    return true;
}();

auto Base::instance() -> Base&
{
    static Derived o;
    return o;
}

此代码编译并产生人们期望从第一个代码得到的结果，但只能使用关于模板的所有实例化的知识，这些实例化可能位于不同的翻译单元中。

在查找表被初始化的地方，这个知识通常是不可用的。

尽管如此，现代 C++ 编译器确实提供了整个程序优化，可能在链接时生成代码，因此它可能不会超出当前技术。即不是技术上的不可能，而是不切实际。除此之外，还有动态库的问题，当然 C++ 不支持，但仍然是 C++ 编程实际现实的一部分。

于 2014-06-22T12:31:19.600 回答