Delphi 的接口机制浅探
savetime2k@yahoo.com 2004.2.3
http://savetime.delphibbs.com
Delphi 的 Open Tools API 全是用 interface 实现的。为了学习 Open Tools API，只好先学 interface；为了学习 interface，又必须先学 COM。这样，我先花了三天看完了 COM 原理，再花二天考查 Delphi 的 interface 实现过程，得以整理出此文。
这不是一篇关于接口应用的文章，而是接口操作的编译器实现过程。我还没有真正使用过接口，也不知道包容和聚合模型是如何实现的，更不知道 ActiveX 和 OLE 是何物，所以不要问我应用方面的问题，我现在真的不懂。我倒是很希望有人能说一说 Delphi 的聚合是如何实现的(欢迎在本贴回复)。
在 interface 的学习过程中，我觉得对 COM 原理的理解是很重要的。本来我不想公开的自己的 COM 学习笔记，毕竟那是潘爱民的作品。不过我想如果有人和我一样，是完全不懂 COM 也希望能了解 interface 的实现机制，我愿意将此笔记公开作为本文的参考，希望不要在公共媒体张贴。[
http://www.delphibbs.com/keylife/iblog_show.asp?xid=5724 ]
目 录
===============================================================================
⊙ 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
===============================================================================
本文排版格式为：
正文由窗口自动换行；所有代码以 80 字符为边界；中英文字符以空格符分隔。
(作者保留对本文的所有权利，未经作者同意请勿在在任何公共媒体转载。)
正 文
===============================================================================
⊙ 接口的引用计数管理
===============================================================================
---------------------------
接口指针总是被初始化为 nil
---------------------------
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;
-------------------
接口指针赋值为对象
-------------------
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)
-----------------------
接口指针赋值为接口指针
-----------------------
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)。
-----------------
接口对象清除工作
-----------------
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;
-------------------------
接口引用计数使用规则小结
-------------------------
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。
===============================================================================
⊙ 接口对象的编译器实现
===============================================================================
-------------------
接口对象的内存空间
-------------------
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” )
----------------|-----------------|----------|--------------|-----------------
对象/接口指针 | 对象内存空间 | | 虚方法表 |
----------------|-----------------|----------|--------------|-----------------
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 |
------------------------------------------------------------------------------
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。
-----------
接口跳转表
-----------
“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(实际上，在上面的例子中 Delphi 编译器知道 MyIntfA 与 Self 之间的距离，只是为了与 COM 的二进制格式兼容，使其它语言也能够使用接口指针调用接口成员函数，必须使用后期的 Self 指针修正)，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 -> |----------|
-----------------------------------
对象内存空间中接口跳转指针的初始化
-----------------------------------
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;
===============================================================================
⊙ implements 的实现
===============================================================================
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;
------------------------------
以接口成员变量实现 implements
------------------------------
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。
------------------------------
以对象成员变量实现 implements
------------------------------
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。
===============================================================================
⊙ 结 束
===============================================================================