聊聊 C# 和 C++ 中的 泛型模板 底层玩法

Posted 2022-06-16 dotNET跨平台

最近在看 C++ 的方法和类模板，我就在想 C# 中也是有这个概念的，不过叫法不一样，人家叫模板，我们叫泛型，哈哈，有点意思，这一篇我们来聊聊它们底层是怎么玩的？

一：C++ 中的模板玩法

毕竟 C++ 是兼容 C 语言，而 C 是过程式的玩法，所以 C++ 就出现了两种模板类型，分别为：函数模板 和 类模板，下面简单分析一下。

1. 函数模板的玩法

玩之前先看看格式：template <typename T> rettype funcname (parameter list) 。

说实话，我感觉 C++ 这一点就做的非常好，人家在开头就特别强调了，这是一个 template，大家不要搞错了，按照这个格式，我们来一个简单的 Sum 操作，参考代码如下：

#include <iostream>

//求和函数
template <typename T> T getsum(T  t1, T  t2) 
 return t1 + t2;


int main() 

 int sum1 = getsum<int>(10, 10);

 long sum2 = getsum<long>(20, 20);

 printf("output: int：sum=%d, long: sum=%ld", sum1, sum2);

接下来我就很好奇，这种玩法和 普通方法 调用有什么不同，要想找到答案，可以用 IDA 去看它的静态汇编代码。

从静态反汇编代码看，当前生成了两个函数符号分别为：j_??$getsum@H@@YAHHH@Z 和 j_??$getsum@J@@YAJJJ@Z，现在我们就搞清楚了，原来一旦给 模板 指定了具体类型，它就生成了一个新的函数符号。

乍一看这句话好像没什么问题，但如果你心比较细的话，会发现一个问题，如果我调用两次 getsum<int> 方法，那会生成两个具体函数吗？为了寻找答案，我们修改下代码：

int main() 

 int sum1 = getsum<int>(10, 10);

 int sum2 = getsum<int>(15, 15);

然后再用 IDA 查看一下。

哈哈，可以发现这时候并没有生成一个新的函数符号，其实往细处说：j_??$getsum@H@@YAHHH@Z  是函数签名组合出来的名字，因为它们签名一致，所以在编译阶段必然就一个了。

2. 类模板的玩法

首先看下类模板的格式：template <typename T1, typename T2, …> class className ;

还是那句话，开头一个 template 暴击，告诉你这是一个模板 😄😄😄, 接下来上一段代码：

#include <iostream>

template <typename T> class Calculator

public:
 T getsum(T a1, T b1) 
  return a1 + b1;
 
;

int main() 

 Calculator<int> cal1;
 int sum1 = cal1.getsum(10, 10);

 Calculator<long> cal2;
 int sum2 = cal2.getsum(15, 15);

 printf("output: sum1=%d, sum2=%ld", sum1,sum2);

接下来直接看 IDA 生成的汇编代码。

从上面的方法签名组织上看，有点意思，类名+方法名 柔和到一个函数符号上去了，可以看到符号不一样，说明也是根据模板实例化出的两个方法。

二：C# 中的模板玩法

接下来我们看下 C# 中如何实现 getsum 方法，当我把代码 copy 到 C# 中，我发现不能实现简单的 泛型参数 加减乘除操作，这就太搞了，网上找了下实现方式，当然也可以让 T 约束于 unmanaged，那就变成指针玩法了。

namespace ConsoleApp1

    internal class Program
    
        static void Main(string[] args)
        
            Calculator<int> calculator1 = new Calculator<int>();
            Calculator<long> calculator2 = new Calculator<long>();

            int sum1 = calculator1.getsum(10, 10);

            long sum2 = calculator2.getsum(15, 15);

            Console.WriteLine($"sum=sum1, sum2=sum2");
            Console.ReadLine();
        
    

    public class Calculator<T> where T : struct, IComparable
    
        public T getsum(T a1, T b1)
        
            if (typeof(T) == typeof(int))
            
                int a = (int)Convert.ChangeType(a1, typeof(int));
                int b = (int)Convert.ChangeType(b1, typeof(int));

                int c = a + b;
                return (T)Convert.ChangeType(c, typeof(T));
            
            else if (typeof(T) == typeof(float))
            
                float a = (float)Convert.ChangeType(a1, typeof(float));
                float b = (float)Convert.ChangeType(b1, typeof(float));

                float c = a + b;
                return (T)Convert.ChangeType(c, typeof(T));
            
            else if (typeof(T) == typeof(double))
            
                double a = (double)Convert.ChangeType(a1, typeof(double));
                double b = (double)Convert.ChangeType(b1, typeof(double));

                double c = a + b;
                return (T)Convert.ChangeType(c, typeof(T));
            
            else if (typeof(T) == typeof(decimal))
            
                decimal a = (decimal)Convert.ChangeType(a1, typeof(decimal));
                decimal b = (decimal)Convert.ChangeType(b1, typeof(decimal));

                decimal c = a + b;
                return (T)Convert.ChangeType(c, typeof(T));
            

            return default(T);
        
    

那怎么去看 Calculator<int> 和 Calculator<long> 到底变成啥了呢？大家应该知道，C# 和 操作系统 隔了一层 C++，所以研究这种远离操作系统的语言还是有一点难度的，不过既然隔了一层 C++ ，那在 C++ 层面上必然会有所反应。

如果你熟悉 CLR 的类型系统，应该知道 C# 所有的 类 在其上都有一个 MethodTable 类来承载，所以它就是鉴别我们是否生成多个个体的依据，接下来我们用 WinDbg 查看托管堆，看看在其上是如何呈现的。

0:008> !dumpheap -stat
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ff9d37638e0        1           24 ConsoleApp1.Calculator`1[[System.Int64, System.Private.CoreLib]]
00007ff9d3763800        1           24 ConsoleApp1.Calculator`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]]

从输出信息看，C++ 层面变成了两个 methodtable 类，如果不信的化，还可以分别查看 mt 下的所有方法。

0:008> !dumpmt -md 00007ff9d37638e0
MethodDesc Table
           Entry       MethodDesc    JIT Name
...
00007FF9D36924E8 00007ff9d37638d0    JIT ConsoleApp1.Calculator`1[[System.Int64, System.Private.CoreLib]]..ctor()
00007FF9D36924E0 00007ff9d37638c0    JIT ConsoleApp1.Calculator`1[[System.Int64, System.Private.CoreLib]].getsum(Int64, Int64)

0:008> !dumpmt -md 00007ff9d3763800
--------------------------------------
MethodDesc Table
           Entry       MethodDesc    JIT Name
00007FF9D36924D0 00007ff9d37637f0    JIT ConsoleApp1.Calculator`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]]..ctor()
00007FF9D36924C8 00007ff9d37637e0    JIT ConsoleApp1.Calculator`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]].getsum(Int32, Int32)

从输出信息看，getsum(Int64, Int64) 和 getsum(Int32, Int32) 方法的入口地址 Entry 是完全不一样的，所以它们是完全独立的个体。

三：总结

当看到 模板 和 泛型 两个词，我感觉前者更 通俗易懂 一些，当给模板赋予不同类型时将会生成新的实例，在  C/C++ 中直接化为不同的函数符号，在 C# 中会生成不同的 MethodTable，由于 C# 远离机器， 所以尽量谈到 C++ 层面即可 🤣🤣🤣