天方夜谭VCL: 生死虫虫
生命是什么？科学和宗教都给出了不同的诠释。有句话也许说得更有意思：生命是这样一种东西，如果你把它当作一个开场或结局，那么它总是一样的；而当你把它当作一个过程，它总是不同的。其实，万事万物又何尝不是分别以生和死作为开场和结局呢？对象也不例外，不过生成以及销毁对象都需要健全的机制作保证。否则不仅对象本身遭殃，甚至会导致程序乃至整个系统崩溃。
传说中，东方的天、人、阿修罗、畜生、饿鬼、地狱六道轮回（以及由此演变出的丰都鬼城），和西方的地狱、炼狱、天堂，都有一套非常完整、严密、健全的机制，管理着时空中各种生命体。同样，一套框架也需要这么一套机制来管理记忆体中的对象，以保证正常运作。VCL自然也不例外。但虫虫这次并不准备详细分析涉及VCL对象生死的代码，相信大家对剖析涉及底层汇编都有了一定的经验。所以前面虫虫会对这方面提几句，把重点放在设计的结构和模式上，并解决一个在BBS上看到的问题。
对象生成
对象生成的方式几乎都是一样，一般流程如右图所示（VCL类的初始化是指初始化VMT和接口指针）。对象一般生存在两个地方，栈（stack）或自由存储区（free store）[1]中。由于Object Pascal只支持第二种方式，所以VCL类都在自由存储区中，表现在C++中就是必须使用new和delete分配、回收空间，速度自然会比存在于栈中的普通C++类要慢一些。
控制VCL对象生成过程的代码主要在TObject::InstanceSize、TObject::NewInstance、TObject::InitInstance几个成员函数中。有兴趣的朋友可对照右图分析一下，源代码在Source/Vcl/system.pas里，没有什么特别之处。我们将把重点主要放在分析动态生成（Dynamic Creation）机制上。
动态生成是一个相当实用的技术。比如上次我们提到的一个绘制图形的程序[2]，具体的图形以插件的方式提供，主程序对相应的图形类一无所知，但是仍然需要“动态”地生成这些对象。又比如Delphi/C++ Builder的IDE对象设计器，也是一个很好的例子：鼠标双击，一个对象就动态生成在设计面板，可以供我们设计之用了。C++语言本身并没有也不可能提供对动态生成的支持，不过MFC中用宏（macro）模拟就可以取得令人满意的效果[3]。
图1对象生成流程
仔细想来，动态生成是个很好笑的技术，它需要程序生成一个对其性质并不清楚的对象。您能造一个您不知道的东西吗？不可能。但是如果告诉您制造的原料和方法呢？那当然就很简单了。所以动态生成的关键是：留好事先约定的接口。MFC的宏模拟就是一种方式，Object Pascal则是使用了另一种方式。
“高级”RTTI方式往往会引入一个所谓“类的类”，即“元类（metaclass）”的概念[4]。在Object Pascal中，每个类都有一个代表其相应信息的类。代表TObject类信息的类是TClass，代表TPersistent类信息的类就是TPersistentClass……
图2实现RTTI的metaclass
Object Pascal可以借此来实现对TComponent派生类的“动态生成（Dynamic Creation）”机制。 function CreateComponent(AOwner: TComponent;AClass: TComponentClass)
:TComponent;
var
Instance: TComponent;
begin
Instance := TComponent(AClass.NewInstance);
{try}
Instance.Create(Owner);
{except
raise;
end;}
CreateComponent := Instance;
end;
但是在C++ Builder中，这一切就无效了。对于所谓的“元类”，C++ Builder的VCL中只提供TMetaClass类，并且功能很少，甚至根本没有提供NewInstance等方法，巧妇难为无米之炊啊。Borland怎么这么偏心眼呢？又怎么办呢？国内各大BBS上，我问过，也看别人问过这样的问题，可以总是没有答案。在国外的BBS上这样的问题也不少，而常见的解决方案（是，用Object Pascal写单元，再让C++调用，这也未免……
动态生成的难点
TMetaClass究竟是什么？我们已经知道，就是指向VMT入口的指针。假如给我们一个TMetaClass，我们能做到动态生成吗？对照对象生成的流程图，我们来分析
获取类实体大小：通过TMetaClass::InstanceSize可以做到；
分配空间：这个当然可以；
初始化：如果无特殊需要，直接调用TObject::NewInstance就行了。老弟，不是开玩笑吧？TObject::NewInstance是private！呵呵，想个办法绕过去，通过VMT表“开门”不就OK？）
调用构造函数：倒！这个怎么办？TMetaClass里可没记录过某个类的构造函数，再说，一个类的构造函数好象也不只一个吧？
唯一的问题，就出在构造函数上：我们需要一个形式固定的“虚”构造函数，也就是我们刚才说的：留好实现约定的接口。这一招的要点，跟MFC是一致的。
虚构造函数？C++的构造函数可以是虚（virtual）的吗？当然不可以。VCL类从TComponent类开始，构造函数就是虚的（难怪刚才我们只生成TComponent的派生类），Object Pascal所谓的虚构造是如何做到的呢？Scott Meyers在Virtualizing constructors and non-member functions一文[5]中详细说明了所谓虚构造的实现方式：事先约定一个普通的虚函数，其功能是构造函数而已。也就是说，Object Pascal所谓的虚构造函数（名字是Create），不过是一个事先约定好功能的普通虚成员函数罢了。MFC是这么做的，事实上，VCL也一定差不多。在设计模式中，这叫做FACTORY METHOD模式，正好又名VIRTUAL CONSTRUCTOR模式[6]。
那么，这个虚函数一定可以在VMT中找出来！问题不就解决了吗？在TComponent类的VMT入口开始的若干个指针地址中找出TComponent::TComponent（也就是Object Pascal中的TComponent.Create），相信是很容易的事情吧？ #include
#include
using namespace std;
void main()
{
void** p = (void**)__classid(TComponent);
for(int i = 0; i < 15; ++i)
cout << *(p++) << '\t';
}
这几行程序能输出TComponent的VMT中前15个函数地址。在我的机器上输出结果是（也许在您那里有所不同）： 40026BD440030A5440026AF040030B2C400309F8
40030B3840030C3040030F8840030B4840030B40
40030F90400306CC0000000E0001000045840000
再查查TComponent::TComponent的地址。IDE菜单View->Debug Windows->Modules，选择vcl50.bpl，找到TComponent::TComponent（如下图）。看到了吧？它的地址跟上面输出的第12个地址完全相同，这，就是我们的目标！（其实我们还有更偷懒的方法：看看前面那段Object Pascal程序的汇编代码就行啦！）
图3寻找TComponent::TComponent的地址
现在写个我们自己的CreateComponent很容易了吧？从VMT入口算，第12个指针是构造函数的指针。而VCL类是“虚”构造的，所有TComponent的派生类的构造函数地址也会放在那里。所以，从VMT第一个指针往前数11个，就是我们需要的第12个指针了。 TComponent* CreateComponent(TComponent* AOwner, TClass cls)
{
TComponent* r;
const void* const fn = *(void**)((char*)cls + vmtNewInstance),
* const fc = *((void**)cls + 11);
//fn是NewInstance的地址，
//fc则是构造函数的地址，从第一个往后数11个，即第12个
//下面为了偷懒，用几句汇编
asm{
mov eax, cls
call fn//调用NewInstance，执行图1流程前3步
mov r, eax
mov edx, AOwner
call fc//调用构造函数
}
return r;
}
我们不妨测试一下。 #pragma inline
#include
#include
using namespace std;
class TTestButton: public TButton
{
public:
__fastcall TTestButton(TComponent* Owner): TButton(Owner)
{
cout << "Hello!" << endl;
}
__fastcall ~TTestButton()
{
cout << "Goodbye!" << endl;
}
};
TComponent* CreateComponent(TComponent* AOwner, TClass cls)
{
//...
}
void main()
{
TComponent* p = CreateComponent(0, __classid(TTestButton));
cout << AnsiString(p->ClassName()).c_str() << endl;
delete p;
}
输出： Hello!
TTestButton
Goodbye!
结果令人满意！
属主机制
这里简单提一下VCL类的组织形式：属主（Owner）机制。
从TComponent开始，VCL类的构造函数就带有一个TComponent*类型（Object Pascal中表现为TComponent）的参数AOwner。每个从TComponent继承的类的实体都拥有唯一一个所有者（Owner，亦即属主），这就决定了这些类之间是树形关系。例如 TForm* Form1 = new TForm(Application);
TForm* Form2 = new TForm(Application);
TButton* Button1 = new TButton(TForm1);
图4树形结构
这样就形成了如下以Application为根（Root）的树形结构：
上图中的箭头表示从属关系，也就是下图的意思
图5 从属关系
于是当Application析构的时候，它会通知自己所拥有的对象Form1和Form2析构，Form1和Form2再通知自身所拥有的对象析构，如此递归下去，正如同推倒了多米诺骨牌（Domino）：Form1和Form2以及它们所拥有的对象，不用显式调用析构函数，资源就自动回收了。
这种Owner机制就是设计模式中典型的结构型模式COMPOSITE（组合）[6]，即某个对象拥有一系列类似的对象，而这一系列对象中的每一个又拥有一系列的对象，如此递归下去，管理起来很方便。由Application向其所拥有的对象发送析构的消息的方式，是典型的行为模式Observer（观察者），这也是VCL消息处理的基本模型，我们以后会详细讨论这一问题。
小结
本来开始想对对于VCL类实体具体的生成和销毁做汇编级的分析，后来发现没有多少新的东西，就留给有兴趣的朋友钻研吧。我不得不承认，这篇文章的“黑客”气太重了点儿，扩充性并不好。下次我们将逐步进入VCL消息处理机制，看看它的精华部分。
参考
1. Herb Sutter. Exceptional C++. Addison-Wesley, Reading, MA. 1999.
侯捷．《Exceptional C++中文版》．培生教育出版集团．2000．
2. 虫虫．《天方夜谭VCL：多态》．C++ View．2001，10．
3. 侯捷．《深入浅出MFC》，2/e．松岗电脑图资料股份有限公司／华中科技大学出版社．1997／2001．
4. 虫虫．《天方夜谭VCL：开门》．C++ View．2001，9．
5. Scott Meyers. More Effective C++. Addison-Wesley, Reading, MA. 1996.
侯捷．《More Effective C++中文版》．培生教育出版集团．2000．
6. GoF. Design Patterns: Elements of Resuable Object-Oriented Software. Addison-Wesley, Reading, MA. 1995.
李英军等．《设计模式：可复用面向对象软件软件的基础》．机械工业出版社．2000．
