四、共享程序集与强命名程序集

CLR #程序集

CLR via C#漫游者指南（四）：共享程序集与强命名程序集

第四章《类型基础》介绍了CLR（公共语言运行时）中的类型系统，包括类型的继承、命名空间、程序集关系，以及运行时对象的内存管理。以下是本章的详细总结，并配以代码示例和图解说明：

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1. 所有类型都派生自 System.Object

CLR 要求所有类型最终都继承自 System.Object，这意味着每个类型都至少具备 System.Object 的基本方法，如 ToString()、GetHashCode()、Equals() 等。

代码示例

class Employee // 隐式继承 System.Object
{
}

class EmployeeExplicit : System.Object // 显式继承 System.Object
{
}

System.Object 提供的方法：

方法	说明
Equals()	判断两个对象是否相等
GetHashCode()	返回对象的哈希值
ToString()	返回对象的字符串表示
GetType()	返回对象的运行时类型

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2. 类型转换（Casting）

隐式转换

子类对象可以隐式转换为基类对象，无需额外语法：

Employee e = new Manager(); // Manager 是 Employee 的子类

显式转换

基类对象转换为子类对象时，必须使用 显式转换（可能会失败）：

Employee e = new Employee();
Manager m = (Manager)e; // 运行时可能会抛出 InvalidCastException

new操作符

没有和new操作符对应的的delete操作符，没有办法显示释放为对象分配的内存。CLR采用垃圾回收机制自动释放对象内存。

sequenceDiagram participant App as 应用程序代码 participant CLR as 公共语言运行时 (CLR) participant Heap as 托管堆 (Managed Heap) App->>CLR: new Manager() CLR->>CLR: 计算对象所需的内存大小 CLR->>Heap: 在托管堆中分配内存 Heap-->>CLR: 返回对象内存地址 CLR->>CLR: 初始化类型对象指针 & 同步块索引 CLR->>CLR: 调用构造函数 (Constructor) CLR-->>App: 返回对象引用

is 和 as 关键字

• is：用于检查对象是否为特定类型，返回 true 或 false。
• as：尝试转换类型，如果失败，则返回 null，不会抛出异常。

//CLR检查两次对象类型
object o = new Employee();
if (o is Employee) {
    Employee e = (Employee)o;
}

//CLR仅需校验一次对象类型，更优
Employee e2 = o as Employee;
if (e2 != null) {
    // 转换成功
}

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3. 命名空间和程序集

命名空间用于组织代码，避免名称冲突。对于编译器，命名空间的作用就是为类型名称附加以句点分割的符号，使命名更长，更可能具有唯一性。例如：

namespace Company.Department
{
    class Employee { }
}

程序集（Assembly）是CLR管理代码的基本单位，类型可以分布在多个程序集。

示例：

using System.IO;
using System.Text;

FileStream fs = new FileStream("test.txt", FileMode.Open);
StringBuilder sb = new StringBuilder();

上面的 using 指令允许在代码中使用简短类型名称，而不需要全限定名，如 System.IO.FileStream。

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4. 运行时内存管理

运行时对象关系

CLR 维护堆（Heap）和栈（Stack）：

• 栈（Stack）：存储方法调用时的局部变量和参数，速度快。
• 堆（Heap）：存储引用类型对象，动态分配，需垃圾回收。

代码示例

void M1() {
    string name = "Joe";
    M2(name);
}

void M2(string s) {
    int length = s.Length;
}

执行流程

1. M1 方法被调用时，name 变量分配在 栈 上。
2. M1 调用 M2(name)，参数 name 被压入 栈。
3. M2 方法的局部变量 length 也存储在 栈。
4. 当 M2 返回时，栈会释放 length 变量。

图示：

sequenceDiagram participant Stack as 线程栈（Stack） Note over Stack: 调用 M1() 之前 Stack ->> Stack: [Stack 空] Note over Stack: 调用 M1() 之后 Stack ->> Stack: [ name = "Joe" ] Note over Stack: 调用 M2(name) Stack ->> Stack: [ s = "Joe", return 地址 ]

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5. 继承和方法调用

CLR 维护 类型对象（Type Object），其中包含类型信息、方法表等。对象存储在 堆（Heap），并指向其对应的类型对象。

同步块索引（Sync Block Index）是什么？

在 CLR（公共语言运行时） 的 托管堆 中，每个对象都有两个隐藏的头部字段：

1. 类型对象指针（Type Object Pointer）：指向该对象的类型元数据。
2. 同步块索引（Sync Block Index）：用于支持 线程同步（Synchronization） 机制。

同步块索引是 对象头（Object Header） 的一部分，它存储在 对象的内存块之前，用于管理 锁定（Locking）、哈希码（HashCode）、垃圾回收（GC）标记 等信息。

代码示例

class Employee {
    public virtual string GetReport() {
        return "Employee Report";
    }
}

class Manager : Employee {
    public override string GetReport() {
        return "Manager Report";
    }
}

Employee e = new Manager();
Console.WriteLine(e.GetReport()); // 输出 "Manager Report"

执行流程

• 运行时，e.GetReport() 解析 e 的类型，发现其实际类型为 Manager，调用 Manager.GetReport() 方法。

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6. 方法表（Method Table）

每个类型在 CLR 中都有 方法表（Method Table），存储其方法指针：

• 非虚方法（Non-virtual method）：直接调用目标方法。
• 虚方法（Virtual method）：通过 方法表 查找实际类型的方法并执行。

方法调用示例

class Employee {
    public virtual void Work() { Console.WriteLine("Employee working"); }
}

class Manager : Employee {
    public override void Work() { Console.WriteLine("Manager working"); }
}

Employee e = new Manager();
e.Work(); // 调用 Manager.Work()

CLR 运行时会通过 vtable（虚方法表）查找 Manager.Work() 方法，并调用它。

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7. 类型对象（Type Object）

在 CLR 内部，所有对象都包含一个 类型对象指针，用于指向其类型信息。

对象存储示意图

graph TD; subgraph Heap["堆 (Heap)"] ManagerObj["🟦 Manager 对象"] ManagerType["📄 Manager Type Object"] EmployeeType["📄 Employee Type Object"] end ManagerObj -->|类型对象指针| ManagerType ManagerType -->|继承| EmployeeType ManagerType -->|方法表| Work["🔹 Work() 方法"]

当调用 e.Work() 时：

1. 解析 e 的类型对象。
2. 通过 方法表 查找 Work() 方法的实际实现（Manager）。
3. 调用 Manager.Work()。

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总结

本章介绍了CLR的 类型系统，包括：

• 所有类型最终继承 System.Object，并提供 ToString()、GetType() 等基本方法。

• 类型转换（Casting）：

  • 隐式转换（安全）
  • 显式转换（可能失败）
  • is 和 as 关键字 进行安全转换

• 命名空间和程序集 组织代码，避免命名冲突。

• 运行时内存管理：

  • 栈（Stack） 存储局部变量，自动回收。
  • 堆（Heap） 存储对象，垃圾回收管理。

• 方法调用：

  • 非虚方法 直接调用。
  • 虚方法 通过 方法表（Method Table） 查找实际实现。

• CLR 内部对象存储：

  • 类型对象（Type Object） 存储方法表、静态字段等。
  • 对象包含类型对象指针，指向其类型信息。

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