Тема 5. Виртуальные методы. Механизм вызова виртуальных методов. Абстрактные виртуальные методы. Динамические методы. Методы обработки сообщений.
Понятие виртуального метода
Все методы, которые до сих пор рассматривались, имеют одну общую черту — все они статические. При обращении к статическому методу компилятор точно знает класс, которому данный метод принадлежит. Поэтому, например, обращение к статическому методу ParseLine в методе NextLine (принадлежащем классу TTextReader) компилируется в вызов TTextReader.ParseLine:
function TTextReader.NextLine: Boolean;
var
S: string;
N: Integer;
begin
Result := not EndOfFile;
if Result then
begin
Readln(FFile, S);
N := ParseLine(S); // Компилируется в вызов TTextReader.ParseLine(S);
if N <> ItemCount then
SetLength(FItems, N);
end;
end;
В результате метод NextLine работает неправильно в наследниках класса TTextReader, так как внутри него вызов перекрытого метода ParseLine не происходит. Конечно, в классах TDelimitedReader и TFixedReader можно продублировать все методы и свойства, которые прямо или косвенно вызывают ParseLine, но при этом теряются преимущества наследования, и мы возвращаемся к тому, что необходимо описать два класса, в которых большая часть кода идентична. ООП предлагает изящное решение этой проблемы — метод ParseLine всего-навсего объявляется виртуальным:
type
TTextReader = class
...
function ParseLine(const Line: string): Integer; virtual; //Виртуальный метод
...
end;
Объявление виртуального метода в базовом классе выполняется с помощью ключевого слова virtual, а его перекрытие в производных классах — с помощью ключевого слова override. Перекрытый метод должен иметь точно такой же формат (список параметров, а для функций еще и тип возвращаемого значения), что и перекрываемый:
type
TDelimitedReader = class(TTextReader)
...
function ParseLine(const Line: string): Integer; override;
...
end;
TFixedReader = class(TTextReader)
...
function ParseLine(const Line: string): Integer; override;
...
end;
Суть виртуальных методов в том, что они вызываются по фактическому типу экземпляра, а не по формальному типу, записанному в программе. Поэтому после сделанных изменений метод NextLine будет работать так, как ожидает программист:
function TTextReader.NextLine: Boolean;
var
S: string;
N: Integer;
begin
Result := not EndOfFile;
if Result then
begin
Readln(FFile, S);
N := ParseLine(S); // Работает как <фактический класс>.ParseLine(S)
if N <> ItemCount then
SetLength(FItems, N);
end;
end;
Работа виртуальных методов основана на механизме позднего связывания (late binding). В отличие от раннего связывания (early binding), характерного для статических методов, позднее связывание основано на вычислении адреса вызываемого метода при выполнении программы. Адрес метода вычисляется по хранящемуся в каждом объекте описателю класса.
Благодаря механизму наследования и виртуальных методов в среде Delphi реализуется такая концепция ООП как полиморфизм. Полиморфизм существенно облегчает труд программиста, поскольку обеспечивает повторное использование кода уже написанных и отлаженных методов.
Механизм вызова виртуальных методов
Работа виртуальных методов основана на косвенном вызове подпрограмм. При косвенном вызове команда вызова подпрограммы оперирует не адресом подпрограммы, а адресом места в памяти, где хранится адрес подпрограммы. Вы уже сталкивались с косвенным вызовом при использовании процедурных переменных. Процедурная переменная и была тем местом в памяти, где хранился адрес вызываемой подпрограммы. Для каждого виртуального метода тоже создается процедурная переменная, но ее наличие и использование скрыто от программиста.
Все процедурные переменные с адресами виртуальных методов пронумерованы и хранятся в таблице, называемой таблицей виртуальных методов (VMT — от англ. Virtual Method Table). Такая таблица создается одна для каждого класса объектов, и все объекты этого класса хранят на нее ссылку.
Структуру объекта в оперативной памяти поясняет рисунок 3:
Рисунок 3. Структура объекта TTextReader в оперативной памяти
Вызов виртуального метода осуществляется следующим образом:
Через объектную переменную выполняется обращение к занятому объектом блоку памяти;
Далее из этого блока извлекается адрес таблицы виртуальных методов (он записан в четырех первых байтах);
На основании порядкового номера виртуального метода извлекается адрес соответствующей подпрограммы;
Вызывается код, находящийся по этому адресу.
Покажем, как можно реализовать косвенный вызов виртуального метода ParseLine (он имеет нулевой номер в таблице виртуальных методов) обычными средствами процедурного программирования:
type
TVMT = array[0..9999] of Pointer;
TParseLineFunc = function (Self: TTextReader; const Line: string): Integer;
var
Reader: TTextReader; // объектная переменна
ObjectDataPtr: Pointer; // указатель на занимаемый объектом блок памяти
VMTPtr: ^TVMT; // указатель на таблицу виртуальных методов
MethodPtr: Pointer; // указатель на метод
begin
...
ObjectDataPtr := Pointer(Reader); // 1) обращение к данным объекта
VMTPtr := Pointer(ObjectDataPtr^); // 2) извлечение адреса VMT
MethodPtr := VMTPtr^[0]; // 3) извлечение адреса метода из VMT
TParseLineFunc(MethodPtr)(Reader, S); // 4) вызов метода
...
end.
Поддержка механизма вызова виртуальных методов на уровне языка Delphi избавляет программиста от всей этой сложности.
Абстрактные виртуальные методы
При построении иерархии классов часто возникает ситуация, когда работа виртуального метода в базовом классе не известна и наполняется содержанием только в наследниках. Так случилось, например, с методом ParseLine, тело которого в классе TTextReader объявлено пустым. Конечно, тело метода всегда можно сделать пустым или почти пустым (так мы и поступили), но лучше воспользоваться директивой abstract:
type
TTextReader = class
...
function ParseLine(const Line: string): Integer; virtual; abstract;
...
end;
Директива abstract записывается после слова virtual и исключает необходимость написания кода виртуального метода для данного класса. Такой метод называется абстрактным, т.е. подразумевает логическое действие, а не конкретный способ его реализации. Абстрактные виртуальные методы часто используются при создании классов-полуфабрикатов. Свою реализацию такие методы получают в законченных наследниках.
Динамические методы
Разновидностью виртуальных методов являются так называемые динамические методы. При их объявлении вместо ключевого слова virtual записывается ключевое слово dynamic, например:
type
TTextReader = class
...
function ParseLine(const Line: string): Integer; dynamic; abstract;
...
end;
В наследниках динамические методы перекрываются так же, как и виртуальные — с помощью зарезервированного слова override.
По смыслу динамические и виртуальные методы идентичны. Различие состоит только в механизме их вызова. Методы, объявленные с директивой virtual, вызываются максимально быстро, но платой за это является большой размер системных таблиц, с помощью которых определяются их адреса. Размер этих таблиц начинает сказываться с увеличением числа классов в иерархии. Методы, объявленные с директивой dynamic вызываются несколько дольше, но при этом таблицы с адресами методов имеют более компактный вид, что способствует экономии памяти. Таким образом, программисту предоставляются два способа оптимизации объектов: по скорости работы (virtual) или по объему памяти (dynamic).
Методы обработки сообщений
Специализированной формой динамических методов являются методы обработки сообщений. Они объявляются с помощью ключевого слова message, за которым следует целочисленная константа — номер сообщения. Следующий пример взят из исходных текстов библиотеки VCL:
type
TWidgetControl = class(TControl)
...
procedure CMKeyDown(var Msg: TCMKeyDown); message CM_KEYDOWN;
...
end;
Метод обработки сообщений имеет формат процедуры и содержит единственный var-параметр. При перекрытии такого метода название метода и имя параметра могут быть любыми, важно лишь, чтобы неизменным остался номер сообщения, используемый для вызова метода. Вызов метода выполняется не по имени, как обычно, а с помощью обращения к специальному методу Dispatch, который имеется в каждом классе (метод Dispatch определен в классе TObject).
Методы обработки сообщений применяются внутри библиотеки VCL для обработки команд пользовательского интерфейса и редко нужны при написании прикладных программ.