DELPHI的原子世界(2)

關(guān)鍵詞：Delphi控件雜項

第二節(jié)  TClass原子
在System.pas單元中，TClass是這樣定義的：
  TClass = class of TObject;
它的意思是說，TClass是TObject的類。因為TObject本身就是一個類，所以TClass就是所謂的類的類。
從概念上說，TClass是類的類型，即，類之類。但是，我們知道DELPHI的一個類，代表著一項VMT數(shù)據(jù)。因此，類之類可以認(rèn)為是為VMT數(shù)據(jù)項定義的類型，其實，它就是一個指向VMT數(shù)據(jù)的指針類型！
在以前傳統(tǒng)的C++語言中，是不能定義類的類型的。對象一旦編譯就固定下來，類的結(jié)構(gòu)信息已經(jīng)轉(zhuǎn)化為絕對的機器代碼，在內(nèi)存中將不存在完整的類信息。一些較高級的面向?qū)ο笳Z言才可支持對類信息的動態(tài)訪問和調(diào)用，但往往需要一套復(fù)雜的內(nèi)部解釋機制和較多的系統(tǒng)資源。而DELPHI的Object Pascal語言吸收了一些高級面向?qū)ο笳Z言的優(yōu)秀特征，又保留可將程序直接編譯成機器代碼的傳統(tǒng)優(yōu)點，比較完美地解決了高級功能與程序效率的問題。
正是由于DELPHI在應(yīng)用程序中保留了完整的類信息，才能提供諸如as和is等在運行時刻轉(zhuǎn)換和判別類的高級面向?qū)ο蠊δ?，而類的VMT數(shù)據(jù)在其中起了關(guān)鍵性的核心作用。有興趣的朋友可以讀一讀System單元的AsClass和IsClass兩個匯編過程，他們是as和is操作符的實現(xiàn)代碼，以加深對類和VMT數(shù)據(jù)的理解。
有了`類的類型，就可以將類作為變量來使用。可以將類的變量理解為一種特殊的對象，你可以象訪問對象那樣訪問類變量的方法。例如：我們來看看下面的程序片段：
type
  TSampleClass = class of TSampleObject;
  TSampleObject = class( TObject )
  public
    constructor Create;
    destructor Destroy; override;
    class function GetSampleObjectCount:Integer;
    procedure GetObjectIndex:Integer;
  end;

var
  aSampleClass : TSampleClass;
  aClass : TClass;

在這段代碼中，我們定義了一個類TSampleObject及其相關(guān)的類類型TSampleClass，還包括兩個類變量aSampleClass和aClass。此外，我們還為TSampleObject類定義了構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、一個類方法GetSampleObjectCount和一個對象方法GetObjectIndex。
首先，我們來理解一下類變量aSampleClass和aClass的含義。
顯然，你可以將TSampleObject和TObject當(dāng)作常量值，并可將它們賦值給aClass變量，就好象將123常量值賦值給整數(shù)變量i一樣。所以，類類型、類和類變量的關(guān)系就是類型、常量和變量的關(guān)系，只不過是在類的這個層次上而不是對象層次上的關(guān)系。當(dāng)然，直接將TObject賦值給aSampleClass是不合法的，因為aSampleClass是TObject派生類TSampleObject的類變量，而TObject并不包含與TSampleClass類型兼容的所有定義。相反，將TSampleObject賦值給aClass變量卻是合法的，因為TSampleObject是TObject的派生類，是和TClass類型兼容的。這與對象變量的賦值和類型匹配關(guān)系完全相似。
然后，我們再來看看什么是類方法。
所謂類方法，就是指在類的層次上調(diào)用的方法，如上面所定義的GetSampleObjectCount方法,它是用保留字class聲明的方法。類方法是不同于在對象層次上調(diào)用的對象方法的，對象方法已經(jīng)為我們所熟悉，而類方法總是在訪問和控制所有類對象的共同特性和集中管理對象這一個層次上使用的。在TObject的定義中，我們可以發(fā)現(xiàn)大量的類方法，如ClassName、ClassInfo和NewInstance等等。其中，NewInstance還被定義為virtual的，即虛的類方法。這意味作你可以在派生的子類中重新編寫NewInstance的實現(xiàn)方法，以便用特殊的方式構(gòu)造該類的對象實例。
在類方法中你也可使用self這一標(biāo)識符，不過其所代表的含義與對象方法中的self是不同的。類方法中的self表示的是自身的類，即指向VMT的指針，而對象方法中的self表示的是對象本身，即指向?qū)ο髷?shù)據(jù)空間的指針。雖然，類方法只能在類層次上使用，但你仍可通過一個對象去調(diào)用類方法。例如，可以通過語句aObject.ClassName調(diào)用對象TObject的類方法ClassName，因為對象指針?biāo)赶虻膶ο髷?shù)據(jù)空間中的頭4個字節(jié)又是指向類VMT的指針。相反，你不可能在類層次上調(diào)用對象方法，象TObject.Free的語句一定是非法的。
值得注意的是，構(gòu)造函數(shù)是類方法，而析構(gòu)函數(shù)是對象方法！
什么？構(gòu)造函數(shù)是類方法，析構(gòu)函數(shù)是對象方法！有沒有搞錯？
你看看，當(dāng)你創(chuàng)建對象時分明使用的是類似于下面的語句：
    aObject := TObject.Create;
分明是調(diào)用類TObject的Create方法。而刪除對象時卻用的下面的語句：
    aObject.Destroy;
即使使用Free方法釋放對象，也是間接調(diào)用了對象的Destroy方法。
原因很簡單，在構(gòu)造對象之前，對象還不存在，只存在類，創(chuàng)建對象只能用類方法。相反，刪除對象一定是刪除已經(jīng)存在的對象，是對象被釋放，而不是類被釋放。
最后，順便討論一下虛構(gòu)造函數(shù)的問題。
在傳統(tǒng)的C++語言中，可以實現(xiàn)虛析構(gòu)函數(shù)，但實現(xiàn)虛構(gòu)造函數(shù)卻是一個難題。因為，在傳統(tǒng)的C++語言中，沒有類的類型。全局對象的實例是在編譯時就存在于全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中，函數(shù)的局部對象也是編譯時就在堆棧空間中映射的實例，即使是動態(tài)創(chuàng)建的對象，也是用new操作符按固定的類結(jié)構(gòu)在堆空間中分配的實例，而構(gòu)造函數(shù)只是一個對已產(chǎn)生的對象實例進(jìn)行初始化的對象方法而已。傳統(tǒng)C++語言沒有真正的類方法，即使可以定義所謂靜態(tài)的基于類的方法，其最終也被實現(xiàn)為一種特殊的全局函數(shù)，更不用說虛擬的類方法，虛方法只能針對具體的對象實例有效。因此，傳統(tǒng)的C++語言認(rèn)為，在具體的對象實例產(chǎn)生之前，卻要根據(jù)即將產(chǎn)生的對象構(gòu)造對象本身，這是不可能的。的確不可能，因為這會在邏輯上產(chǎn)生自相矛盾的悖論！
然而，正是由于在DELPHI中有動態(tài)的類的類型信息，有真正虛擬的類方法，以及構(gòu)造函數(shù)是基于類實現(xiàn)的等等這些關(guān)鍵概念，才可實現(xiàn)虛擬的構(gòu)造函數(shù)。對象是由類產(chǎn)生的，對象就好象成長中的嬰兒，而類就是它的母親，嬰兒自己的確不知道自己將來會成為什么樣的人，可是母親們卻用各自的教育方法培養(yǎng)出不同的人，道理是相通的。
正是在TComponent類的定義中，構(gòu)造函數(shù)Create被定義為虛擬的，才能使不同類型的控件實現(xiàn)各自的構(gòu)造方法。這就是TClass創(chuàng)造的類之類概念的偉大，也是DELPHI的偉大。

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第三章  WIN32的時空觀
    我的老父親看著地上玩玩具的小孫子，然后對我說：“這孩子和小時的你一樣，喜歡把東西拆開，看過究竟才罷手”。想想我小時侯，經(jīng)常將玩具車、小鬧鐘、音樂盒，等等，拆得一塌糊涂，常常被母親訓(xùn)斥。
    我第一次理解計算機的基本原理，與我拆過的音樂盒有關(guān)。那是在念高中時的一本漫畫書上，一位白胡子老頭在講解智能機的理論，一位留八字胡的叔叔在說計算機和音樂盒。他們說，計算機的中央處理器就是音樂盒中用來發(fā)音的那一排音樂簧片，計算機程序就是音樂盒中那個小圓筒上密布的凸點，小圓筒的轉(zhuǎn)動相當(dāng)于中央處理器的指令指針的自然移動，而小圓筒上代表音樂的凸點控制音樂簧片振動發(fā)音相當(dāng)于中央處理器執(zhí)行程序的指令。音樂盒發(fā)出美妙的旋律，是按工匠早已刻在小圓筒上的音樂譜演奏的，計算機完成復(fù)雜的處理，是根據(jù)程序員預(yù)先編制好的程序?qū)崿F(xiàn)的。上大學(xué)之后，我才知道那個白胡子老頭就是科學(xué)巨匠圖靈，他的有限自動機理論推動了整個信息革命的發(fā)展，而那個留八字胡的叔叔就是計算機之父馮.諾依曼，馮氏計算機體系結(jié)構(gòu)至今仍然是計算機的主要體系機構(gòu)。音樂盒沒白拆，母親可以寬心。
    有深入淺出的理解，才能有高深而又簡潔的創(chuàng)造。
    這一章我們將討論Windows的32位操作系統(tǒng)中與我們編程有關(guān)的基本概念，建立WIN32中正確的時空觀。希望閱讀完本章之后，我們能更加深入地理解程序、進(jìn)程和線程，理解執(zhí)行文件、動態(tài)連接庫和運行包的原理，看清全局?jǐn)?shù)據(jù)、局部數(shù)據(jù)和參數(shù)在內(nèi)存中的真相。


第一節(jié)  理解進(jìn)程
    由于歷史的原因，Windows是起源于DOS。而在DOS時代，我們一直只有程序的概念，而沒有進(jìn)程的概念。那時侯，只有操作系統(tǒng)的正規(guī)軍，如UNIX和VMS等等，才有進(jìn)程的概念，而且多進(jìn)程就意味著小型機、終端和多用戶，也意味著金錢。我絕大多數(shù)的時間只能使用相對廉價的微機和DOS系統(tǒng)，只是在學(xué)操作系統(tǒng)這門課程時才開始接觸進(jìn)程和小型機。
    在Windows 3.X之后，Microsoft才在圖形界面的操作系統(tǒng)站住腳跟，而我也是在這時開始正式面對多任務(wù)和進(jìn)程的概念。以前在DOS下，同一時間只能執(zhí)行一個程序，而在Windows下同一時間可執(zhí)行多個程序，這就是多任務(wù)。在DOS下運行一個程序的同時，不能執(zhí)行相同的程序，而在Windows下，同一程序可以同時有兩個以上的副本在運行，每一個運行的程序副本就是一個進(jìn)程。更確切地說，任何程序的一次運行就產(chǎn)生一個任務(wù)，而每個任務(wù)就是一個進(jìn)程。
    當(dāng)將程序和進(jìn)程放到一起理解時，可以認(rèn)為程序一詞說的是靜態(tài)的東西，一個典型的程序是由一個EXE文件或一個EXE文件加上若干DLL文件組成的靜態(tài)代碼和數(shù)據(jù)。而進(jìn)程是程序的一次運行，是在內(nèi)存中動態(tài)運行的代碼和動態(tài)變化的數(shù)據(jù)。當(dāng)靜態(tài)的程序要求運行時，操作系統(tǒng)將為本次運行提供一定的內(nèi)存空間，把靜態(tài)的程序代碼和數(shù)據(jù)調(diào)入這些內(nèi)存空間，將程序的代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位映射之后，就在該空間內(nèi)執(zhí)行程序，這樣就產(chǎn)生了動態(tài)的進(jìn)程。
    同一個程序同時運行著的兩個副本，意味著在系統(tǒng)內(nèi)存中有兩個進(jìn)程空間，只不過它們的程序功能是一樣的，但處于不同的動態(tài)變化的狀態(tài)之中。
    從進(jìn)程運行的時間上來說，各進(jìn)程是同時執(zhí)行的，專業(yè)術(shù)語稱為并行執(zhí)行或并發(fā)執(zhí)行。但這主要是操作系統(tǒng)給我們的表面感覺，實際上各進(jìn)程是分時執(zhí)行的，也就是各進(jìn)程輪流占用CPU的時間來執(zhí)行進(jìn)程的程序指令。對于一個CPU來說，同一時間只有一個進(jìn)程的指令在執(zhí)行。操作系統(tǒng)是調(diào)度進(jìn)程運行的幕后操縱者，它不斷保存和切換各進(jìn)程在CPU中執(zhí)行的當(dāng)前狀態(tài)，使得每一個被調(diào)度的進(jìn)程都認(rèn)為自己是完整和連續(xù)地運行著。由于進(jìn)程分時調(diào)度的速度非?？?，所以給我們的感覺就是進(jìn)程都是同時運行的。其實，真正意義上的同時運行只有在多CPU的硬件環(huán)境中才有。稍后在講述線程一節(jié)時，我們將發(fā)現(xiàn)，真正推動進(jìn)程運轉(zhuǎn)的是線程，進(jìn)程更重要的是提供了進(jìn)程空間。
    從進(jìn)程占據(jù)的空間上來說，各進(jìn)程空間是相對獨立的，每一個進(jìn)程在自己獨立的空間中運行。一個程序既包括代碼空間又包括數(shù)據(jù)空間，代碼和數(shù)據(jù)都要占據(jù)進(jìn)程空間。Windows為每一進(jìn)程所需的數(shù)據(jù)空間分配實際的內(nèi)存，而對代碼空間一般都采用共享手段，將一個程序的一份代碼映射給該程序的多個進(jìn)程。這意味著，如果一個程序有100K的代碼并需要100K的數(shù)據(jù)空間，也就是總共需要200K的進(jìn)程空間，則第一次運行程序時操作系統(tǒng)將分配200K的進(jìn)程空間，而運行程序的第二個進(jìn)程時，操作系統(tǒng)只分配100K的數(shù)據(jù)空間，而代碼空間則共享前一個進(jìn)程的空間。
    上面所說的是Windows操作系統(tǒng)中進(jìn)程的基本時空觀，其實Windows的16位和32位操作系統(tǒng)在進(jìn)程的時空觀上有很大的差異。
    從時間上來說，16位的Windows操作系統(tǒng)，如Windows 3.x等，進(jìn)程管理是非常簡單的，它實際上只是一個多任務(wù)管理操作系統(tǒng)。而且，操作系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度是被動的，如果一個任務(wù)不自己放棄對消息的處理，操作系統(tǒng)就必須等待。由于16位Windows系統(tǒng)在管理進(jìn)程方面的缺陷，一個進(jìn)程運行時，完全占有著CPU的資源。在那個年代，為了16位Windows可以有機會調(diào)度別的任務(wù)，微軟公司大力贊揚開發(fā)Windows應(yīng)用程序的開發(fā)者是心胸寬闊的程序員，以使得他們樂意多編寫幾行恩賜給操作系統(tǒng)的代碼。相反，WIN32的操作系統(tǒng)，如Windows 95和NT等，才是具備了真正的多進(jìn)程和多任務(wù)操作系統(tǒng)的能力。WIN32中的進(jìn)程完全由操作系統(tǒng)調(diào)度，一旦進(jìn)程運行的時間片結(jié)束，不管進(jìn)程是否還在處理數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)將主動切換到下一進(jìn)程。嚴(yán)格地說，16位的Windows操作系統(tǒng)不能算是完整的操作系統(tǒng)，而32位的WIN32操作系統(tǒng)才是真正意義上的操作系統(tǒng)。當(dāng)然，微軟公司不會說WIN32彌補了16位Windows的缺陷，而是宣稱WIN32實現(xiàn)了一種稱為“搶占式多任務(wù)”的先進(jìn)技術(shù)，這是商業(yè)手段。
    從空間上看，16位的Windows操作系統(tǒng)中的進(jìn)程空間雖然相對獨立，但進(jìn)程之間可已很容易地互相訪問對方的數(shù)據(jù)空間。因為，這些進(jìn)程實際是在相同的物理空間中的不同的數(shù)據(jù)段而已，而且不當(dāng)?shù)牡刂凡僮骱苋菀自斐慑e誤的空間讀寫，并使操作系統(tǒng)崩潰。然而，在WIN32操作系統(tǒng)中，各進(jìn)程空間完全是獨立的。WIN32為每一個進(jìn)程提供一個可達(dá)4G的虛擬的，并且是連續(xù)的地址空間。所謂連續(xù)的地址空間，是指每一個進(jìn)程都擁有從$00000000到$FFFFFFFF的地址空間，而不是向16位Windows的分段式空間。在WIN32中，你完全不必?fù)?dān)心自己的讀寫操作會無意地影響到其他進(jìn)程空間中的數(shù)據(jù)，也不用擔(dān)心別的進(jìn)程會來騷擾你的工作。同時，WIN32為你的進(jìn)程提供的連續(xù)的4G虛擬空間，是操作系統(tǒng)在硬件的支持下將物理內(nèi)存映射給你的，你雖然擁有如此廣闊的虛擬空間，但系統(tǒng)決不會浪費一個字節(jié)的物理內(nèi)存。

第二節(jié)  進(jìn)程空間
    在我們用DELPHI編寫WIN32的應(yīng)用程序時，很少去關(guān)心進(jìn)程在運行時的內(nèi)部世界。因為WIN32為我們的進(jìn)程提供了4G的連續(xù)虛擬進(jìn)程空間，可能目前世界上最龐大的應(yīng)用程序也只用到了其中的部分空間。似乎進(jìn)程空間是無限的，但4G的進(jìn)程空間是虛擬的，而你機器的實際內(nèi)存可能與此相差甚遠(yuǎn)。雖然，進(jìn)程擁有如此廣闊的空間，但有些復(fù)雜算法的程序還是會因為堆棧溢出而無法運行，特別是含有大量遞歸算法的程序。
    因此，深入地認(rèn)識和了解這4G的進(jìn)程空間的結(jié)構(gòu)，以及它與物理內(nèi)存的關(guān)系等等，將有助于我們更清楚地認(rèn)識WIN32的時空世界，從而可在實際的開發(fā)工作中運用正確的世界觀和方法論解決各種難題。
    下面，我們將通過簡單的實驗，來了解WIN32的進(jìn)程空間的內(nèi)部世界。這可能需要一些對CUP寄存器和匯編語言的知識，但我盡量用簡單的語言來說明。
    當(dāng)啟動DELPHI時，將自動產(chǎn)生一個Project1的項目，我們就拿它開刀。在Project1.dpr原程序的任意位置設(shè)一斷點，比如，就在begin一句處設(shè)一斷點。然后運行程序，當(dāng)程序運行到斷點時會自動停下來。這時，我們就可以打開調(diào)試工具中的CPU窗口來觀察進(jìn)程空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。
    當(dāng)前的指令指針寄存器Eip是停在$0043E4B8，從程序指令所在地址的最高兩位16進(jìn)制數(shù)都是零，可以看出當(dāng)前的程序處在4G進(jìn)程空間相當(dāng)?shù)锥说牡刂肺恢?，其占?jù)$00000000到$FFFFFFFF的相當(dāng)少的地址空間。
    在CPU窗口中的指令框中，你可以向上查看進(jìn)程空間中的內(nèi)容。當(dāng)查看小于$00400000的空間內(nèi)容時，你會發(fā)現(xiàn)小于$00400000的內(nèi)容出現(xiàn)一串串的問號“????”，那是因為該地址空間還未映射到實際物理空間的緣故。如果在這時，你查看一下全局變量HInstance的16進(jìn)制值就會發(fā)現(xiàn)它也是$00400000。雖然HInstance反映的是進(jìn)程實例的句柄，其實，它就是程序被加載到內(nèi)存中的起始地址值，在16位Windows中也是如此。因此，我們可以認(rèn)為進(jìn)程的程序是從$00400000開始加載的，也就是從4G虛擬空間中的4M以后的空間開始是程序加載的空間。
    從$00400000往后，到$0044D000之前，主要是程序代碼和全局?jǐn)?shù)據(jù)的地址空間。在CPU窗口中的堆?？蛑?，可以查看到當(dāng)前堆棧的地址。同樣，你會發(fā)現(xiàn)當(dāng)前堆棧的地址空間是從$0067B000到$00680000的，長度為$5000。其實，進(jìn)程最小的堆?？臻g大小就是$5000，它是根據(jù)編譯DELPHI程序時在ProjectOptions中Linker頁中設(shè)置的Min stack size值，加上$1000而得到的。堆棧是由高端地址向底端增長的，當(dāng)程序運行的堆棧不夠時，系統(tǒng)將自動向地端地址方向增加堆棧空間的大小，這一過程將把更多的實際內(nèi)存映射到進(jìn)程空間?？稍诰幾gDELPHI程序時，通過設(shè)置ProjectOptions中Linker頁中Max stack size的值，控制可增加的最大堆?？臻g。特別是在含有深層次的子程序調(diào)用關(guān)系或運用遞歸算法的程序中，一定要合理地設(shè)置Max stack size的值。因為，調(diào)用子程序是需要耗用堆?？臻g，而堆棧耗盡之后，系統(tǒng)就會拋出“Stack overflow”的錯誤。
    似乎，從堆?？臻g之后的進(jìn)程空間就應(yīng)該是自由的空間了吧。其實不然，WIN32的有關(guān)資料說，$80000000之后的2G空間是系統(tǒng)使用的空間?？磥?，進(jìn)程能夠真正擁有的只有2G空間。其實，進(jìn)程能真正擁有的空間連2G都不夠，因為從$00000000到$00400000的這4M空間也是禁區(qū)。
    但不管怎樣，我們的進(jìn)程可以使用的地址還是非常廣闊的。特別是堆棧空間之后到$80000000之間，是進(jìn)程空間的主戰(zhàn)場。進(jìn)程從系統(tǒng)分配的內(nèi)存空間將被映射到這塊空間，進(jìn)程加載的動態(tài)連接庫將被映射到這塊空間，新建線程的線程堆?？臻g也將映射到這塊空間，幾乎所有涉及分配內(nèi)存的操作都將映射到這塊空間。請注意，這里所說的映射，意味著實際內(nèi)存與這塊虛擬空間的對應(yīng)，沒有映射為實際內(nèi)存的進(jìn)程空間是無法使用的，就象調(diào)試時CPU窗口指令框中的那一串串的“????”。