【抬杠C#】如何实现接口的base调用

背景

在三年前发布的C#8.0中有一项重要的改进叫做接口默认实现，从此以后，接口中定义的方法可以包含方法体了，即默认实现。不过对于接口的默认实现，其实现类或者子接口在重写这个方法的时候不能对其进行base调用，就像子类重写方法是可以进行base.Method()那样。例如：

public interface IService
{
    void Proccess()
    {
        Console.WriteLine("Proccessing");
    }
}

public class Service : IService
{
    public void Proccess()
    {
        Console.WriteLine("Before Proccess");
        base(IService).Proccess(); // 目前不支持，也是本文需要探讨的部分
        Console.WriteLine("End Proccess");
    }
}

当初C#团队将这个特性列为了下一步的计划（点此查看细节），然而三年过去了依然没有被提上日程。这个特性的缺失无疑是一种很大的限制，有时候我们确实需要接口的base调用来实现某些需求。本文将介绍两种方法来实现它。

方法1：使用反射找到接口实现并进行调用

这种方法的核心思想是，使用反射找到你需要调用的接口实现的MethodInfo，然后构建DynamicMethod使用OpCodes.Call去调用它即可。

首先我们定义方法签名用来表示接口方法的base调用。

public static void Base<TInterface>(this TInterface instance, Expression<Action<TInterface>> selector);
public static TReturn Base<TInterface, TReturn>(this TInterface instance, Expression<Func<TInterface, TReturn>> selector);

所以上一节的例子就可以改写成：

public class Service : IService
{
    public void Proccess()
    {
        Console.WriteLine("Before Proccess");
        this.Base<IService>(m => m.Proccess());
        Console.WriteLine("End Proccess");
    }
}

于是接下来，我们就需要根据lambda表达式找到其对应的接口实现，然后调用即可。

第一步根据lambda表达式获取MethodInfo和参数。要注意的是，对于属性的调用我们也需要支持，其实属性也是一种方法，所以可以一并处理。

private static (MethodInfo method, IReadOnlyList<Expression> args) GetMethodAndArguments(Expression exp) => exp switch
{
    LambdaExpression lambda => GetMethodAndArguments(lambda.Body),
    UnaryExpression unary => GetMethodAndArguments(unary.Operand),
    MethodCallExpression methodCall => (methodCall.Method!, methodCall.Arguments),
    MemberExpression { Member: PropertyInfo prop } => (prop.GetGetMethod(true) ?? throw new MissingMethodException($"No getter in propery {prop.Name}"), Array.Empty<Expression>()),
    _ => throw new InvalidOperationException("The expression refers to neither a method nor a readable property.")
};

第二步，利用Type.GetInterfaceMap获取到需要调用的接口实现方法。此处注意的要点是，instanceType.GetInterfaceMap(interfaceType).InterfaceMethods 会返回该接口的所有方法，所以不能仅根据方法名去匹配，因为可能有各种重载、泛型参数、还有new关键字声明的同名方法，所以可以按照方法名+声明类型+方法参数+方法泛型参数唯一确定一个方法（即下面代码块中IfMatch的实现）

internal readonly record struct InterfaceMethodInfo(Type InstanceType, Type InterfaceType, MethodInfo Method);

private static MethodInfo GetInterfaceMethod(InterfaceMethodInfo info)
{
    var (instanceType, interfaceType, method) = info;
    var parameters = method.GetParameters();
    var genericArguments = method.GetGenericArguments();
    var interfaceMethods = instanceType
        .GetInterfaceMap(interfaceType)
        .InterfaceMethods
        .Where(m => IfMatch(method, genericArguments, parameters, m))
        .ToArray();

    var interfaceMethod = interfaceMethods.Length switch
    {
        0 => throw new MissingMethodException($"Can not find method {method.Name} in type {instanceType.Name}"),
        > 1 => throw new AmbiguousMatchException($"Found more than one method {method.Name} in type {instanceType.Name}"),
        1 when interfaceMethods[0].IsAbstract => throw new InvalidOperationException($"The method {interfaceMethods[0].Name} is abstract"),
        _ => interfaceMethods[0]
    };

    if (method.IsGenericMethod)
        interfaceMethod = interfaceMethod.MakeGenericMethod(method.GetGenericArguments());

    return interfaceMethod;
}

第三步，用获取到的接口方法，构建DynamicMethod。其中的重点是使用OpCodes.Call，它的含义是以非虚方式调用一个方法，哪怕该方法是虚方法，也不去查找它的重写，而是直接调用它自身。

private static DynamicMethod GetDynamicMethod(Type interfaceType, MethodInfo method, IEnumerable<Type> argumentTypes)
{
    var dynamicMethod = new DynamicMethod(
        name: "__IL_" + method.GetFullName(),
        returnType: method.ReturnType,
        parameterTypes: new[] { interfaceType, typeof(object[]) },
        owner: typeof(object),
        skipVisibility: true);

    var il = dynamicMethod.GetILGenerator();
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);

    var i = 0;
    foreach (var argumentType in argumentTypes)
    {
        il.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
        il.Emit(OpCodes.Ldc_I4, i);
        il.Emit(OpCodes.Ldelem, typeof(object));
        if (argumentType.IsValueType)
        {
            il.Emit(OpCodes.Unbox_Any, argumentType);
        }
        ++i;
    }
    il.Emit(OpCodes.Call, method);
    il.Emit(OpCodes.Ret);
    return dynamicMethod;
}

最后，将DynamicMethod转为强类型的委托就完成了。考虑到性能的优化，可以将最终的委托缓存起来，下次调用就不用再构建一次了。

完整的代码点这里

方法2：利用函数指针

这个方法和方法1大同小异，区别是，在方法1的第二步，即找到接口方法的MethodInfo之后，获取其函数指针，然后利用该指针构造委托。这个方法其实是我最初找到的方法，方法1是其改进。在此就不多做介绍了

方法3：利用Fody在编译时对接口方法进行IL的call调用

方法1虽然可行，但是肉眼可见的性能损失大，即使是用了缓存。于是乎我利用Fody编写了一个插件InterfaceBaseInvoke.Fody。

其核心思想就是在编译时找到目标接口方法，然后使用call命令调用它就行了。这样可以把性能损失降到最低。该插件的使用方法可以参考项目介绍。

性能测试

方法	平均用时	内存分配
父类的base调用	0.0000 ns	-
方法1（DynamicMethod）	691.3687 ns	776 B
方法2（FunctionPointer）	1,391.9345 ns	1,168 B
方法3（InterfaceBaseInvoke.Fody）	0.0066 ns	-

总结

本文探讨了几种实现接口的base调用的方法，其中性能以InterfaceBaseInvoke.Fody最佳，在C#官方支持以前推荐使用。欢迎大家使用，点心心，谢谢大家。