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本文將介紹以下內(nèi)容：
接上回[第十八回：對象創(chuàng)建始末（上）]，繼續(xù)對對象創(chuàng)建話題的討論>>> 2.2 托管堆的內(nèi)存分配機制 引用類型的實例分配于托管堆上，而線程棧卻是對象生命周期開始的地方。對32位處理器來說，應(yīng)用程序完成進程初始化后，CLR將在進程的可用地址空間上分配一塊保留的地址空間，它是進程（每個進程可使用4GB）中可用地址空間上的一塊內(nèi)存區(qū)域，但并不對應(yīng)于任何物理內(nèi)存，這塊地址空間即是托管堆。 托管堆又根據(jù)存儲信息的不同劃分為多個區(qū)域，其中最重要的是垃圾回收堆（GC Heap）和加載堆（Loader Heap），GC Heap用于存儲對象實例，受GC管理；Loader Heap又分為High-Frequency Heap、Low-Frequency Heap和Stub Heap，不同的堆上又存儲不同的信息。Loader Heap最重要的信息就是元數(shù)據(jù)相關(guān)的信息，也就是Type對象，每個Type在Loader Heap上體現(xiàn)為一個Method Table（方法表），而Method Table中則記錄了存儲的元數(shù)據(jù)信息，例如基類型、靜態(tài)字段、實現(xiàn)的接口、所有的方法等等。Loader Heap不受GC控制，其生命周期為從創(chuàng)建到AppDomain卸載。 在進入實際的內(nèi)存分配分析之前，有必要對幾個基本概念做以交代，以便更好的在接下來的分析中展開討論。 · TypeHandle，類型句柄，指向?qū)?yīng)實例的方法表，每個對象創(chuàng)建時都包含該附加成員，并且占用4個字節(jié)的內(nèi)存空間。我們知道，每個類型都對應(yīng)于一個方法表，方法表創(chuàng)建于編譯時，主要包含了類型的特征信息、實現(xiàn)的接口數(shù)目、方法表的slot數(shù)目等。 · SyncBlockIndex，用于線程同步，每個對象創(chuàng)建時也包含該附加成員，它指向一塊被稱為Synchronization Block的內(nèi)存塊，用于管理對象同步，同樣占用4個字節(jié)的內(nèi)存空間。 · NextObjPtr，由托管堆維護的一個指針，用于標(biāo)識下一個新建對象分配時在托管堆中所處的位置。CLR初始化時，NextObjPtr位于托管堆的基地址。 因此，我們對引用類型分配過程應(yīng)該有個基本的了解，由于本篇示例中FileStream類型的繼承關(guān)系相對復(fù)雜，在此本文實現(xiàn)一個相對簡單的類型來做說明： //@ 2007 Anytao.com
//http://www. public class UserInfo { private Int32 age = -1; private char level = 'A'; } public class User { private Int32 id; private UserInfo user; } public class VIPUser : User { public bool isVip; public bool IsVipUser() { return isVip; } public static void Main() { VIPUser aUser; aUser = new VIPUser(); aUser.isVip = true; Console.WriteLine(aUser.IsVipUser()); } } 將上述實例的執(zhí)行過程，反編譯為IL語言可知：new關(guān)鍵字被編譯為newobj指令來完成對象創(chuàng)建工作，進而調(diào)用類型的構(gòu)造器來完成其初始化操作，在此我們詳細的描述其執(zhí)行的具體過程： · 首先，將聲明一個引用類型變量aUser： VIPUser aUser; 它僅是一個引用（指針），保存在線程的堆棧上，占用4Byte的內(nèi)存空間，將用于保存VIPUser對象的有效地址，其執(zhí)行過程正是上文描述的在線程棧上的分配過程。此時aUser未指向任何有效的實例，因此被自行初始化為null，試圖對aUser的任何操作將拋出NullReferenceException異常。 · 接著，通過new操作執(zhí)行對象創(chuàng)建： aUser = new VIPUser(); 如上文所言，該操作對應(yīng)于執(zhí)行newobj指令，其執(zhí)行過程又可細分為以下幾步： （a）CLR按照其繼承層次進行搜索，計算類型及其所有父類的字段，該搜索將一直遞歸到System.Object類型，并返回字節(jié)總數(shù)，以本例而言類型VIPUser需要的字節(jié)總數(shù)為15Byte，具體計算為：VIPUser類型本身字段isVip（bool型）為1Byte；父類User類型的字段id（Int32型）為4Byte，字段user保存了指向UserInfo型的引用，因此占4Byte，而同時還要為UserInfo分配6Byte字節(jié)的內(nèi)存。 實例對象所占的字節(jié)總數(shù)還要加上對象附加成員所需的字節(jié)總數(shù)，其中附加成員包括TypeHandle和SyncBlockIndex，共計8字節(jié)（在32位CPU平臺下）。因此，需要在托管堆上分配的字節(jié)總數(shù)為23字節(jié)，而堆上的內(nèi)存塊總是按照4Byte的倍數(shù)進行分配，因此本例中將分配24字節(jié)的地址空間。 （c）CLR在當(dāng)前AppDomain對應(yīng)的托管堆上搜索，找到一個未使用的20字節(jié)的連續(xù)空間，并為其分配該內(nèi)存地址。事實上，GC使用了非常高效的算法來滿足該請求，NextObjPtr指針只需要向前推進20個字節(jié)，并清零原NextObjPtr指針和當(dāng)前NextObjPtr指針之間的字節(jié)，然后返回原NextObjPtr指針地址即可，該地址正是新創(chuàng)建對象的托管堆地址，也就是aUser引用指向的實例地址。而此時的NextObjPtr仍指向下一個新建對象的位置。注意，棧的分配是向低地址擴展，而堆的分配是向高地址擴展。 另外，實例字段的存儲是有順序的，由上到下依次排列，父類在前子類在后，詳細的分析請參見[第十五回：繼承本質(zhì)論]。 在上述操作時，如果試圖分配所需空間而發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不足時，GC將啟動垃圾收集操作來回收垃圾對象所占的內(nèi)存，我們將以后對此做詳細的分析。 · 最后，調(diào)用對象構(gòu)造器，進行對象初始化操作，完成創(chuàng)建過程。該構(gòu)造過程，又可細分為以下幾個環(huán)節(jié)： （a）構(gòu)造VIPUser類型的Type對象，主要包括靜態(tài)字段、方法表、實現(xiàn)的接口等，并將其分配在上文提到托管堆的Loader Heap上。 （b）初始化aUser的兩個附加成員：TypeHandle和SyncBlockIndex。將TypeHandle指針指向Loader Heap上的MethodTable，CLR將根據(jù)TypeHandle來定位具體的Type；將SyncBlockIndex指針指向Synchronization Block的內(nèi)存塊，用于在多線程環(huán)境下對實例對象的同步操作。 （c）調(diào)用VIPUser的構(gòu)造器，進行實例字段的初始化。實例初始化時，會首先向上遞歸執(zhí)行父類初始化，直到完成System.Object類型的初始化，然后再返回執(zhí)行子類的初始化，直到執(zhí)行VIPUser類為止。以本例而言，初始化過程為首先執(zhí)行System.Object類，再執(zhí)行User類，最后才是VIPUser類。最終，newobj分配的托管堆的內(nèi)存地址，被傳遞給VIPUser的this參數(shù)，并將其引用傳給棧上聲明的aUser。 上述過程，基本完成了一個引用類型創(chuàng)建、內(nèi)存分配和初始化的整個流程，然而該過程只能看作是一個簡化的描述，實際的執(zhí)行過程更加復(fù)雜，涉及到一系列細化的過程和操作。對象創(chuàng)建并初始化之后，內(nèi)存的布局，可以表示為： 2.3 必要的補充 有了對象創(chuàng)建的基本流程概念，下面的幾個問題時常引起大家的思考，在此本文一并做以探索： · 值類型中的引用類型字段和引用類型中的值類型字段，其分配情況又是如何？ 這一思考其實是一個問題的兩個方面：對于值類型嵌套引用類型的情況，引用類型變量作為值類型的成員變量，在堆棧上保存該成員的引用，而實際的引用類型仍然保存在GC堆上；對于引用類型嵌套值類型的情況，則該值類型字段將作為引用類型實例的一部分保存在GC堆上。在[ 第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內(nèi)存有理]一文對這種嵌套結(jié)構(gòu)，有較詳細的分析。對于值類型，你只要記著它總是分配在聲明它的地方。 · 方法保存在Loader Heap的MethodTable中，那么方法調(diào)用時又是怎么樣的過程？ 如上文所言，MethodTable中包含了類型的元數(shù)據(jù)信息，類在加載時會在Loader Heap上創(chuàng)建這些信息，一個類型在內(nèi)存中對應(yīng)一份MethodTable，其中包含了所有的方法、靜態(tài)字段和實現(xiàn)的接口信息等。對象實例的TypeHandle在實例創(chuàng)建時，將指向MethodTable開始位置的偏移處（默認偏移12Byte），通過對象實例調(diào)用某個方法時，CLR根據(jù)TypeHandle可以找到對應(yīng)的MethodTable，進而可以定位到具體的方法，再通過JIT Compiler將IL指令編譯為本地CPU指令，該指令將保存在一個動態(tài)內(nèi)存中，然后在該內(nèi)存地址上執(zhí)行該方法，同時該CPU指令被保存起來用于下一次的執(zhí)行。 在MethodTable中，包含一個Method Slot Table，稱為方法槽表，該表是一個基于方法實現(xiàn)的線性鏈表，并按照以下順序排列：繼承的虛方法，引入的虛方法，實例方法和靜態(tài)方法。方法表在創(chuàng)建時，將按照繼承層次向上搜索父類，直到System.Object類型，如果子類覆寫了父類方法，則將會以子類方法覆蓋父類虛方法。關(guān)于方法表的創(chuàng)建過程，可以參考[第十五回：繼承本質(zhì)論]中的描述。 · 靜態(tài)字段的內(nèi)存分配和釋放，又有何不同？ 靜態(tài)字段也保存在方法表中，位于方法表的槽數(shù)組后，其生命周期為從創(chuàng)建到AppDomain卸載。因此一個類型無論創(chuàng)建多少個對象，其靜態(tài)字段在內(nèi)存中也只有一份。靜態(tài)字段只能由靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)進行初始化，靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)確保在類型任何對象創(chuàng)建前，或者在任何靜態(tài)字段或方法被引用前執(zhí)行，其詳細的執(zhí)行順序請參考相關(guān)討論。 3. 結(jié)論 對象創(chuàng)建過程的了解，是從底層接觸CLR運行機制的入口，也是認識.NET自動內(nèi)存管理的關(guān)鍵。通過本文的詳細論述，關(guān)于對象的創(chuàng)建、內(nèi)存分配、初始化過程和方法調(diào)用等技術(shù)都會建立一個相對全面的理解，同時也清楚的把握了線程棧和托管堆的執(zhí)行機制。 對象總是有生有滅，本文簡述其生，這是個偉大的開始。
[祝福] 一個值得紀(jì)念的日子，一切快樂、平安、健康，這次專注，2008會更好。 參考文獻
（USA）Joe Duffy, Professinal .NET Framework 2.0 溫故知新 [開篇有益] |
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來自： kittywei > 《111.20-c#》
