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[CLR via C#]18. Attribute

简介: 原文:[CLR via C#]18. Attribute   attribute可以说是Microsoft .NET Framework提出的最具创意的技术之一了。利用attribute,可以声明性的为自己的代码构造添加注解,从而实现一些特殊的功能。
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原文:[CLR via C#]18. Attribute

  attribute可以说是Microsoft .NET Framework提出的最具创意的技术之一了。利用attribute,可以声明性的为自己的代码构造添加注解,从而实现一些特殊的功能。attribute允许将定义的信息应用于几乎每一个元数据表的记录项。这种可扩展的元数据信息能在运行时查询,从而动态改变代码的执行方式。
 
  一、使用attribute
  attribute可运用于类型和成员。Microsoft采取了一种机制提供对用户自定义的attribute的支持。这种机制叫做定制attribute。
  关于自定义attribute,首先应该知道:它们只是将一些附加信息与某个目标元素关联起来的方式。编译器会在托管模块中生成这些额外的信息。
  CLR允许将attribute应用于可在文件的元数据中表示的几乎所有元素。不过,最常应用attribute的还是以下定义表中的记录项:TypeDef(类、结构、枚举、接口和委托),MethodDef(含构造器)、ParamDef(方法参数)、FiledDef(字段)、PropertyDef(属性)、EventDef(事件),AssemblyDef(程序集)和MouduleDef(模块)。
  具体的说,在C#中只允许将attribute应用于对以下任何一个目标元素进行定义的源代码:程序集、模块、类型(类、结构、枚举、接口、委托)、字段、方法(含构造器)、方法参数、方法返回值、属性、事件和泛型类型参数。
  应用一个attribute时,C#允许用一个前缀明确指定attribute要应用于的目标元素。以下代码展示了所有可能的前缀。在许多情况下,即使省略前缀,编译器一样能判断一个attribute要应用于的目标元素。但在另一些情况下,必须指定前缀向编译器清楚表达我们的移除。下面倾斜显示的前缀是必须的。
[assembly: MyAttr(1)]         // 应用于程序集
[module: MyAttr(2)]           // 应用于模块
 
[type: MyAttr(3)]             // 应用于类型
internal sealed class SomeType<[typevar: MyAttr(4)] T> { // 应用于泛型类型变量
 
   [field: MyAttr(5)]         // 应用于字段
   public Int32 SomeField = 0;
 
   [return: MyAttr(6)]        // 应用于返回值
   [method: MyAttr(7)]        // 应用于方法
   public Int32 SomeMethod(
      [param: MyAttr(8)]      // 应用于方法参数
      Int32 SomeParam) { return SomeParam; }
 
   [property: MyAttr(9)]      // 应用于属性
   public String SomeProp {
      [method: MyAttr(10)]    // 应用于get访问器方法
      get { return null; }
   }
 
   [event: MyAttr(11)]        // 应用于事件
   [field: MyAttr(12)]        // 应用于编译器生成的字段
   [method: MyAttr(13)]       // 应用于编译器生成的add&&remove方法
   public event EventHandler SomeEvent;
}
 
 
[AttributeUsage(AttributeTargets.All)]
public class MyAttr : Attribute {
   public MyAttr(Int32 x) { }
}
 

   前面介绍了如何应用一个attribute,接下来看看attribute到底是什么?

  attribute实际是一个类的实例。为了符合"公共语言规范"(CLS)的要求,attribute类必须直接或间接地从公共抽象类System.Attribute派生。C#只允许使用符合CLS规范的attribute。attribute类是可以在任何命名空间中定义的。

  如前所述,attribute是类的一个实例。类必须有一个公共构造器,这样才能创建它的实例。所以,将一个attribute应用于一个目标元素时,语法类似于调用类的某个实例构造器。除此之外,语言可能支持一些特殊的语法,允许你设置于attribute类关联的公共字段或属性。比如,我们将DllImport这个attribute应用于GetVersionEx方法:
[DllImport("kernel32",CharSet = CharSet.Auto, SetLastError = true)]

  这一行代码语法表面上很奇怪,因为调用构造器时永远不会出现这样的语法。查阅DllImportAttbute类的文档,会发现它只接受一个String类型的参数。在这个例子中,"Kernel32"这个String类型的参数已经传给它了。构造器的参数称为"定位参数",而且是强制性的。也就是说,应用attribute时,必须指定参数。

  那么,另外两个"参数"是什么?这种特殊的语法允许在DllImportAttbute对象构造好之后,设置对象的任何公共字段和属性。在这个例子中,当DllImportAttbute对象构造好,而且将"Kernel32"传给构造器之后,对象的公共实例字段CharSet和SetListError被分别设置为CharSet.Auto和true。用于设置字段或属性的"参数"被称为"命名参数"。这种参数是可选的,因为在应用attribute的一个实例时,不一定要指定命名参数。
  另外,还可以将多个attribute应用于一个目标元素。将多个attribute应用一个目标元素时,attribute的顺序是无关紧要的。在C#中,可将每个attribute都封闭到一对方括号中,也可以在一对方括号中封闭多个以逗号分隔的attribute。
 
  二、定义自己的attibude类
  现在我们已经知道attribute是从System.Attribute派生的一个类的实例,并知道如何应用一个attribute。接着我们来研究下如何定制attribute。假定你是Microsoft的一位员工,并负责为枚举类型添加位标志(biit flag)支持。为此,我们,要做的第一件事情是定义一个FlagAttribute类:
namespace System {
    public class FlagsAttribute : System.Attribute {
        public FlagsAttribute(){
        }
    }
}
  注意,FlagsAttribute类是从Attribute继承的。所以,才使FlagsAttribute类成为符合CLS要求的一个attribute。除此之外,注意类名有一个Attribute后缀;这是为了保持于标准的相容性,但并不是必须的。最后,所有的非抽象attribute都至少要包括一个公共构造器。
  提示:attribute类型是一个类,但这个类应该非常简单。这个类应该只提供一个公共构造器,它接受attribute的强制性状态消息,而且这个类可以提供公共字段和属性,以接受attribute的可选状态信息。这个类不应提供任何公共方法、事件或其他成员。
 
  三、attribute的构造器和字段/属性的数据类型
  定义一个attribute类时,可定义构造器来获取参数。开发人员在应用该attribute类型的一个实例时,必须指定这些参数。除此之外,可在自己的类型中定义非静态公共字段和属性,使开发人员能够为attribute类的实例选择恰当的设置。
  定义attribute类的实例构造器、字段和属性时,数据类型只能限制在一个小的子集内。具体的说,合法的数据类型只有:Boolean,Char,Byte,Sbyte,Int16,UInt16,Int32,Uint32,Int64,Uint64,Single,Double,String,Type,Object或枚举类型。除此之外,还可使用上述任意类型的一维0基数组。然而,要尽量避免使用数组,因为对于attribute类来说,如果它的构造器要获取一个数组作为参数,就会失去与CLS的相容性。
  应用一个attribute时,必须传递一个编译时常量表达式,它与attribute类定义的类型相匹配。在attribute类定义一个Type参数,Type字段或者Type属性的任何地方,都必须使用C#的typeof操作符。在attribute类定义一个Object参数、Object字段或Object属性的任何地方,都可以传递一个Int32、String或者其他任何常量表达式(包括null)。如果常量表达式代表一个值类型,那么在运行时构造一个attribute的实例时,会对值类型进行装箱。以下是一个示例attribute及用法:
 
public enum Color { Red }
 
[AttributeUsage(AttributeTargets.All)]
internal sealed class SomeAttribute : Attribute
{
    public SomeAttribute(String name, Object o, Type[] types)
    {
        // 'name'  引用了一个String类型
        // 'o'     引用了一个合法类型(如有必要,就进行装箱)
        // 'types' 引用一个一维0基Type数组
    }
}
 
[Some("Jeff", Color.Red, new Type[] { typeof(Math), typeof(Console) })]
internal sealed class SomeType
{
}

  逻辑上,当编译器检测到一个目标元素应用了一个attribute时,编译器会调用attribute类的构造器,向它传递任何指定的参数,从而构造attribute类的一个实例。然后,编译器会采用增强型构造器语法所指定的值,对任何公共字段和属性进行初始化。在构造并初始化好定制attribute类的对象之后,编译器会将这个attribute对象序列化到目标元素的元数据表记录项中。

  提示:所谓"attribute",就是一个类的实例,它被序列化成驻留在元数据中的一个字节流。在运行时,可以对元数据中包含的字节进行反序列化,从而构造类的一个实例。实际发生的事情是:编译器在元数据中生成创建attribute类的一个实例所需的信息。每个构造器参数都采取这样的格式写入:一个1字节长度的类型ID,后跟具体的值。在对构造器参数进行"序列化"之后,编译器写入字段/属性名称,后跟一个1字节的类型ID,再跟上具体的值,从而生成指定的每个字段和属性的值。对于数组,会先保存数组元素的个数,后跟每个单独的元素。
 
  四、检测定制的attribute
  可利用反射的技术来检查attribute的存在。以后我们会完整探讨这种技术。
  假定你是Microsoft的员工,负责实现Enum的Format方法(Format方法会更根据是否有FlagsAttribute输出不同的值),你会像下面这样实现它:
public static String Format(Type enumType, Object value, String format) {
    
    // 枚举类型是否应用了FlagsAttrobute类型的一个实例
    if(enumType.IsDefined(typeof(FlagsAttribute),false)){
        //如果是,就执行代码,将值视为一个位标志枚举类型
        ...
    }else {
        // 如果不是,就执行代码,将值视为一个普通枚举类型
    }
}

  上述代码调用Type的IsDefined方法,要求系统查看枚举类型的元数据,检查是否关联了FlagsAttribute类的一个实例。如果IsDefined返回true,表面FlagsAttribute的一个实例已于枚举类型关联,Format方法会认为值包含了一个位标志集合。如果IsDefined放回false,Format方法会认为值是一个普通的枚举类型。

  定义定制attribute时,也必须实现一些代码来检查某个目标上是否存在该attribute类的实例,然后执行一些逻辑分支代码。正因为能做到这一点,定制attribute才如此有用。
  FCL提供了多种方式检查一个attribute的存在。我们知道所有于CLS相容的attribute都是从System.Attribute派生的。这个类定义了三个静态方法来获取与一个目标关联的attribute:IsDefined,GetCustomAttribute和GetCustomAttributes。每个方法都有几个重载版本。
方法名称 说明
IsDefined 如果至少有一个指定的Attribute派生类的实例如目标关联,就放回true。这个方法效率很高,因为它不构造(反序列化)attribute类的任何实例
GetCustomAttribute
返回引用于目标的指定attribute类的一个实例。实例使用编译时指定的参数、字段和属性来构造。如果目标没有引用任何attribute类的实例,就返回null。如果目标应用了指定attribute的多个实例,就抛出异常。方法通常用于已将AllowMultiple设为false的attribute。
GetCustomAttributes 返回一个数组,其中每个元素都是应用于目标的指定attribute类的一个实例。如果不为这个方法指定具体的attribute类,数组中包含的就是已应用的所有attribute的实例,不管它们是什么类。每个实例都使用编译时指定的参数、字段和属性来构造(反序列化)。如果目标没有应用任何attribute类的实例,就返回一个空数组。该方法通常用于已将AllowMultiple设为true的attribute,或者用于列出已应用的所有attribute。
  如果只想知道一个attribute是否应用于一个目标,那么应该调用IsDefined,因为它的效率比另外两个方法高的多。我们知道,将一个attribute应用于一个目标时,可以为attribute的构造器指定参数,并可以选择设置字段或属性。使用IsDefined不会构造一个attribute对象,不会调用它的构造器,也不会设置它的字段和属性。
  每次使用GetCustomAttribute和GetCustomAttributes方法时,都会为构造attribute对象的新实例,并根据源代码中指定的值来设置每个实例的字段和属性。这个两个方法返回的都是一个引用,执行完全构造好的attribute类的实例。
  调用上述任何一个方法时,它们内部必须扫描托管模块的元数据,执行字符串比较来定位指定的attribute类。显然,这些操作会耗费一定的事件。假如对性能要求高,可以考虑缓存这些方法调用的返回结果。
  System.Reflection 命名空间定义了几个类允许你检查一个模块的元数据的内容。这些类包括Assmbly,Module,ParameterInfo,MemberInfo,Type,MethodInfo,ConstructorInfo,FiledInfo,EeventInfo,PropertyInfo及其各自的*Builder类。所以这些方法还提供了IsDefined和GetCustomAttributes方法。只有System.Attribute提供了非常方便的GetCustomAttribute方法。
  反射类提供的那个版本的GetCustomAttributes方法返回的是有Object实例构成的一个数据(Object[]),而不是由Attribute实例构成的一个数组(Attribute[])。
  注意:将一个类传给IsDefined,GetCustomAttribute或GetCustomAttributes方法时,这些方法会搜索指定的attribute类或它的派生类,如果代码要搜索一个具体的attribute类,应该针对返回值执行一个额外的检查,确保这些方法返回的正是向搜索的莪累。还可以考虑将自己的attribute类定义成sealed,减少可能存在的混淆,并避免这个检查。
    以下示例代码列出了一个类型中定义的所有方法,并显示应用于每个方法的attribute代码。
 
[assembly: CLSCompliant(true)]
 
    [Serializable]
    [DefaultMemberAttribute("Main")]
    [DebuggerDisplayAttribute("Richter", Name = "Jeff", Target = typeof(Program))]
    public sealed class Program
    {
        [Conditional("Debug")]
        [Conditional("Release")]
        public void DoSomething() { }
 
        public Program()
        {
        }
 
 
        [assembly: CLSCompliant(true)]
        [STAThread]
        public static void Main()
        {
            // 显示应用于这个类型的attribute集
            ShowAttributes(typeof(Program));
 
            // 获取与类型关联的方法集
            MemberInfo[] members = typeof(Program).FindMembers(
               MemberTypes.Constructor | MemberTypes.Method,
               BindingFlags.DeclaredOnly | BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public | BindingFlags.Static,
               Type.FilterName, "*");
 
            foreach (MemberInfo member in members)
            {
                // 显示应用于这个成员的attribute集
                ShowAttributes(member);
            }
 
            Console.Read();
        }
        private static void ShowAttributes(MemberInfo attributeTarget)
        {
            Attribute[] attributes = Attribute.GetCustomAttributes(attributeTarget);
 
            Console.WriteLine("Attributes applied to {0}: {1}",
               attributeTarget.Name, (attributes.Length == 0 ? "None" : String.Empty));
 
            foreach (Attribute attribute in attributes)
            {
                // 显示已应用的每个attribute的类型
                Console.WriteLine("  {0}", attribute.GetType().ToString());
 
                if (attribute is DefaultMemberAttribute)
                    Console.WriteLine("    MemberName={0}",
                       ((DefaultMemberAttribute)attribute).MemberName);
 
                if (attribute is ConditionalAttribute)
                    Console.WriteLine("    ConditionString={0}",
                       ((ConditionalAttribute)attribute).ConditionString);
 
                if (attribute is CLSCompliantAttribute)
                    Console.WriteLine("    IsCompliant={0}",
                       ((CLSCompliantAttribute)attribute).IsCompliant);
 
                DebuggerDisplayAttribute dda = attribute as DebuggerDisplayAttribute;
                if (dda != null)
                {
                    Console.WriteLine("    Value={0}, Name={1}, Target={2}",
                       dda.Value, dda.Name, dda.Target);
                }
            }
            Console.WriteLine();
        }
    }

    输出结果为:

Attributes applied to Program:
  System.SerializableAttribute
  System.Diagnostics.DebuggerDisplayAttribute
    Value=Richter, Name=Jeff, Target=ConsoleTest.Program
  System.Reflection.DefaultMemberAttribute
    MemberName=Main
 
Attributes applied to DoSomething:
  System.Diagnostics.ConditionalAttribute
    ConditionString=Debug
  System.Diagnostics.ConditionalAttribute
    ConditionString=Release
 
Attributes applied to Main:
  System.STAThreadAttribute
 
Attributes applied to .ctor: None
 
  五、两个attribute实例的相互匹配
  现在,我们的代码能判断是否将一个attribute的实例应用于一个目标了。除此之外,可能还需要检查attribute的字段来确定它们的值。为此,一个方法就是老老实实地写代码来检查attribute类的字段的值。System.Attribute重写了Object的Equals方法。这个方法内部会比较两个对象的类型。如果 不一致,Equals会返回false。如果类型一致,Equals会利用反射来比较两个attribute对象中的字段值(为每个字段调用Equals)。如果所有字段都匹配,就返回true;否则返回false。但我们可以在自己attribute类中重写Equals来移除反射的使用,从而提升性能。
  System.Attribute还公开了虚方法Match,可重写它来提供更丰富的语义。Match的默认实现只是调用的Equals方法并返回它的结果。下面演示了如何重写Equals和Match,后者在一个attribute代码另一个attribute的子集的前提下返回true。另外,还演示了如何使用Match。
[Flags]
    internal enum Accounts
    {
        Savings = 0x0001,
        Checking = 0x0002,
        Brokerage = 0x0004
    }
 
 
    [AttributeUsage(AttributeTargets.Class)]
    internal sealed class AccountsAttribute : Attribute
    {
        private Accounts m_accounts;
 
        public AccountsAttribute(Accounts accounts)
        {
            m_accounts = accounts;
        }
 
        public override Boolean Match(Object obj)
        {
            // 如果基类实现了Match,而且基类
            // 不是Attribute,就取消对下面这行的注释
            //if (!base.Match(obj))
            //{
            //    return false;
            //}
 
            if (obj == null)
            {
                return false;
            }
 
 
            if (this.GetType() != obj.GetType())
            {
                return false;
            }
 
            AccountsAttribute other = (AccountsAttribute)obj;
 
            // 比较字段,判断它们是否有相同的值
            if ((other.m_accounts & m_accounts) != m_accounts)
            {
                return false;
            }
 
            return true;   // 对象匹配
        }
 
        public override Boolean Equals(Object obj)
        {
            //如果基类实现了Equals,而且基类不能Object
            //就取消对下面的注释
            //if (!base.Equals(obj))
            //{
            //    return false;
            //}
 
            if (obj == null)
            {
                return false;
            }
 
            if (this.GetType() != obj.GetType())
            {
                return false;
            }
 
            AccountsAttribute other = (AccountsAttribute)obj;
 
            // 比较字段,判断它们是否有相同的值
            if (other.m_accounts != m_accounts)
            {
                return false;
            }
 
            return true;   // Objects are equal
        }
 
        // 还需要重写GetHashCode,因为我们重写了Equals
        public override Int32 GetHashCode()
        {
            return (Int32)m_accounts;
        }
    }
 
 
    [Accounts(Accounts.Savings)]
    internal sealed class ChildAccount { }
 
    [Accounts(Accounts.Savings | Accounts.Checking | Accounts.Brokerage)]
    internal sealed class AdultAccount { }
 
    public class Program
    {
 
        public static void Main()
        {
 
            CanWriteCheck(new ChildAccount());
            CanWriteCheck(new AdultAccount());
 
            // 只是为了演示在一个没有应用AccountsAttribute的方法也能正确工作
            CanWriteCheck(new Program());
 
            Console.Read();
        }
 
 
        private static void CanWriteCheck(Object obj)
        {
            // 构造attribute类型的一个实例,并把它初始化我们要
            // 显示查找的内容
            Attribute checking = new AccountsAttribute(Accounts.Checking);
 
            // 构造应用于类型的attribute实例
            Attribute validAccounts = Attribute.GetCustomAttribute(
                obj.GetType(), typeof(AccountsAttribute), false);
 
            // 如果attribute应用于类型,而且attribute指定了
            // "Checking" 账户, 表面该类可以开支票
            if ((validAccounts != null) && checking.Match(validAccounts))
            {
                Console.WriteLine("{0} types can write checks.", obj.GetType());
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("{0} types can NOT write checks.", obj.GetType());
            }
        }
    }

    输出结果:

ConsoleTest.ChildAccount types can NOT write checks.
ConsoleTest.AdultAccount types can write checks.
ConsoleTest.Program types can NOT write checks.
 
  六、检测定制attribute时不创建从Attribute派生的对象
  本节将讨论如何利用另一种技术来检测应用于一个元数据记录项的attribute。在某些安全性要求严格的场合,这个技术能保证不会执行从Attribute派生的类中的代码。毕竟,调用Attribute的GetCustomAttribute或者GetCustomAttributes方法时,这些方法会在内部调用attribute类的构造器,而且可能调用属性的set方法。除此之外,首次访问一个类型会造成CLR调用类型的类型构造器(如果有的化话)。在构造器、set构造器方法以及类型构造器中,可能包含每次查找一个attribute时都要执行的代码,这样一来,就相当于允许未知的代码在APPDomain中运行,可以说是一个安全隐患。
  使用System.Reflection.CustomAttributeData类,可以在查找attribute时同时禁止执行attribute类中的代码。这个类定义了一个静态方法GetCustomAttributes来获取与一个目标关联的attribute。该方法有4个重载版本:一个接受一个Assembly,一个接受一个Module,一个接受一个ParameterInfo,还有一个接受一个Memberinfo。这个类是在System.Reflection命名空间定义的。通常,是先用Assembly的静态方法ReflectionOnlyLoad加载一个程序集,在用CustomAttributeData类分析这个程序集的元数据中的attribute。简单的说,ReflectionOnlyLoad以一种特方式加载程序集,期间会禁止CLR执行程序集中的任何代码,包括类型构造器。
  CustomAttributeData的GetCustomAttributes方法相当于一个工厂方法。也就是说,调用它会返回IList<CustomAttributeData>类型的对象,其中包括了一个有CustomAttributeData构成的一个集合。在集合中,应用于指定目标的每个定制attribute都有一个对象的元素。针对每个CustomAttribute对象都可以查询一些只读属性,判断attribute对象是如何构造和初始化的。具体的说,Customctor属性指出构造器方法"要"如何调用。ComstructorArguments属性以一个IList<CustomAttributeTypedArgument>实例的形式返回"要"传给这个构造器的实参。NamedArguments属性以一个IList<CustomAttributeNamedArgument>实例的形式,返回"要"设置的字段或属性。注意,这里之所以说"要",是因为不会实际地调用构造器和set访问器方法。通过禁止执行attribute类的任何方法,我们获得了增强的安全性。
 
  七、条件attribute类
  如果一个attribute类应用了System.Diagnostics.ConditionalAttribute,就称为条件attribute类。下面是一个例子:
//#define TEST
#define VERIFY
namespace ConsoleTest
{
    using System;
    using System.Diagnostics;
 
    [Conditional("TEST")]
    [Conditional("VERIFY")]
    public sealed class CondAttribute : Attribute
    {
 
    }
 
    [Cond]
    public class Program
    {
        public static void Main()
        {
            Console.WriteLine("CondAttribute is {0} applied to Program type.",
                Attribute.IsDefined(typeof (Program), typeof (CondAttribute)) ? "" : "not");
            Console.Read();
        }
    }
}

  编译器如果发现向目标元素应用了CondAttribute的一个实例,那么当含有目标元素的代码编译时,只有定义TEST或VERIFY符号的前提下,编译器才会在元数据中生成attribute信息。虽然如此,attribute类的定义元数据和实现存在于程序集中。

 

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C++ Virtual详解
Virtual是C++ OO机制中很重要的一个关键字。只要是学过C++的人都知道在类Base中加了Virtual关键字的函数就是虚拟函数(例如函数print),于是在Base的派生类Derived中就可以通过重写虚拟函数来实现对基类虚拟函数的覆盖。
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Attribute(特性),怎么用才更好?
前几年:   2008年的某一天,我坐火车去北京。硬卧上铺,一晚上就到北京了。爬到上铺之后发现,旁边上铺有一老兄抱着一个笔记本,一开始还以为是看电影呢,仔细一看才发现——老天呀,居然在写代码!     这老兄也太工作狂了,当时可是晚上九点多了呀。
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杰克.陈
一个安静的程序猿~
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