[你必须知道的.NET]第十九回:对象创建始末(下)

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[你必须知道的.NET]第十九回:对象创建始末(下)

发布日期:2007.12.7 作者:Anytao
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本文将介绍以下内容:

  • 对象的创建过程
  • 内存分配分析
  • 内存布局研究

接上回[第十八回:对象创建始末(上)],继续对对象创建话题的讨论>>>

2.2 托管堆的内存分配机制

引用类型的实例分配于托管堆上,而线程栈却是对象生命周期开始的地方。对32位处理器来说,应用程序完成进程初始化后,CLR将在进程的可用地址空间上分配一块保留的地址空间,它是进程(每个进程可使用4GB)中可用地址空间上的一块内存区域,但并不对应于任何物理内存,这块地址空间即是托管堆。

托管堆又根据存储信息的不同划分为多个区域,其中最重要的是垃圾回收堆(GC Heap)和加载堆(Loader Heap),GC Heap用于存储对象实例,受GC管理;Loader Heap又分为High-Frequency HeapLow-Frequency HeapStub Heap,不同的堆上又存储不同的信息。Loader Heap最重要的信息就是元数据相关的信息,也就是Type对象,每个TypeLoader Heap上体现为一个Method Table(方法表),而Method Table中则记录了存储的元数据信息,例如基类型、静态字段、实现的接口、所有的方法等等。Loader Heap不受GC控制,其生命周期为从创建到AppDomain卸载。

在进入实际的内存分配分析之前,有必要对几个基本概念做以交代,以便更好的在接下来的分析中展开讨论。

·       TypeHandle,类型句柄,指向对应实例的方法表,每个对象创建时都包含该附加成员,并且占用4个字节的内存空间。我们知道,每个类型都对应于一个方法表,方法表创建于编译时,主要包含了类型的特征信息、实现的接口数目、方法表的slot数目等。

·       SyncBlockIndex,用于线程同步,每个对象创建时也包含该附加成员,它指向一块被称为Synchronization Block的内存块,用于管理对象同步,同样占用4个字节的内存空间。

·       NextObjPtr,由托管堆维护的一个指针,用于标识下一个新建对象分配时在托管堆中所处的位置。CLR初始化时,NextObjPtr位于托管堆的基地址。

因此,我们对引用类型分配过程应该有个基本的了解,由于本篇示例中FileStream类型的继承关系相对复杂,在此本文实现一个相对简单的类型来做说明:

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//http://www.anytao.com
    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());
        }
    }

将上述实例的执行过程,反编译为IL语言可知:new关键字被编译为newobj指令来完成对象创建工作,进而调用类型的构造器来完成其初始化操作,在此我们详细的描述其执行的具体过程:

·       首先,将声明一个引用类型变量aUser

            VIPUser aUser;

它仅是一个引用(指针),保存在线程的堆栈上,占用4Byte的内存空间,将用于保存VIPUser对象的有效地址,其执行过程正是上文描述的在线程栈上的分配过程。此时aUser未指向任何有效的实例,因此被自行初始化为null,试图对aUser的任何操作将抛出NullReferenceException异常。

·       接着,通过new操作执行对象创建:

            aUser = new VIPUser();

如上文所言,该操作对应于执行newobj指令,其执行过程又可细分为以下几步:

aCLR按照其继承层次进行搜索,计算类型及其所有父类的字段,该搜索将一直递归到System.Object类型,并返回字节总数,以本例而言类型VIPUser需要的字节总数为15Byte,具体计算为:VIPUser类型本身字段isVip(bool型)为1Byte;父类User类型的字段id(Int32型)为4Byte,字段user保存了指向UserInfo型的引用,因此占4Byte,而同时还要为UserInfo分配6Byte字节的内存。

实例对象所占的字节总数还要加上对象附加成员所需的字节总数,其中附加成员包括TypeHandle和SyncBlockIndex,共计8字节(在32位CPU平台下)。因此,需要在托管堆上分配的字节总数为23字节,而堆上的内存块总是按照4Byte的倍数进行分配,因此本例中将分配24字节的地址空间。

cCLR在当前AppDomain对应的托管堆上搜索,找到一个未使用的20字节的连续空间,并为其分配该内存地址。事实上,GC使用了非常高效的算法来满足该请求,NextObjPtr指针只需要向前推进20个字节,并清零原NextObjPtr指针和当前NextObjPtr指针之间的字节,然后返回原NextObjPtr指针地址即可,该地址正是新创建对象的托管堆地址,也就是aUser引用指向的实例地址。而此时的NextObjPtr仍指向下一个新建对象的位置。注意,栈的分配是向低地址扩展,而堆的分配是向高地址扩展。

另外,实例字段的存储是有顺序的,由上到下依次排列,父类在前子类在后,详细的分析请参见[第十五回:继承本质论]

在上述操作时,如果试图分配所需空间而发现内存不足时,GC将启动垃圾收集操作来回收垃圾对象所占的内存,我们将以后对此做详细的分析。

·       最后,调用对象构造器,进行对象初始化操作,完成创建过程。该构造过程,又可细分为以下几个环节:

   a)构造VIPUser类型的Type对象,主要包括静态字段、方法表、实现的接口等,并将其分配在上文提到托管堆的Loader Heap上。

b)初始化aUser的两个附加成员:TypeHandleSyncBlockIndex。将TypeHandle指针指向Loader Heap上的MethodTableCLR将根据TypeHandle来定位具体的Type;将SyncBlockIndex指针指向Synchronization Block的内存块,用于在多线程环境下对实例对象的同步操作。

c)调用VIPUser的构造器,进行实例字段的初始化。实例初始化时,会首先向上递归执行父类初始化,直到完成System.Object类型的初始化,然后再返回执行子类的初始化,直到执行VIPUser类为止。以本例而言,初始化过程为首先执行System.Object类,再执行User类,最后才是VIPUser类。最终,newobj分配的托管堆的内存地址,被传递给VIPUserthis参数,并将其引用传给栈上声明的aUser

上述过程,基本完成了一个引用类型创建、内存分配和初始化的整个流程,然而该过程只能看作是一个简化的描述,实际的执行过程更加复杂,涉及到一系列细化的过程和操作。对象创建并初始化之后,内存的布局,可以表示为:

    由上文的分析可知,在托管堆中增加新的实例对象,只是将
NextObjPtr指针增加一定的数值,再次新增的对象将分配在当前NextObjPtr指向的内存空间,因此在托管堆栈中,连续分配的对象在内存中一定是连续的,这种分配机制非常高效。

2.3 必要的补充

有了对象创建的基本流程概念,下面的几个问题时常引起大家的思考,在此本文一并做以探索:

·       值类型中的引用类型字段和引用类型中的值类型字段,其分配情况又是如何?

    这一思考其实是一个问题的两个方面:对于值类型嵌套引用类型的情况,引用类型变量作为值类型的成员变量,在堆栈上保存该成员的引用,而实际的引用类型仍然保存在GC堆上;对于引用类型嵌套值类型的情况,则该值类型字段将作为引用类型实例的一部分保存在GC堆上。在[ 第八回:品味类型---值类型与引用类型(上)-内存有理]一文对这种嵌套结构,有较详细的分析。对于值类型,你只要记着它总是分配在声明它的地方。

·       方法保存在Loader HeapMethodTable中,那么方法调用时又是怎么样的过程?

如上文所言,MethodTable中包含了类型的元数据信息,类在加载时会在Loader Heap上创建这些信息,一个类型在内存中对应一份MethodTable,其中包含了所有的方法、静态字段和实现的接口信息等。对象实例的TypeHandle在实例创建时,将指向MethodTable开始位置的偏移处(默认偏移12Byte),通过对象实例调用某个方法时,CLR根据TypeHandle可以找到对应的MethodTable,进而可以定位到具体的方法,再通过JIT CompilerIL指令编译为本地CPU指令,该指令将保存在一个动态内存中,然后在该内存地址上执行该方法,同时该CPU指令被保存起来用于下一次的执行。

MethodTable中,包含一个Method Slot Table,称为方法槽表,该表是一个基于方法实现的线性链表,并按照以下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法和静态方法。方法表在创建时,将按照继承层次向上搜索父类,直到System.Object类型,如果子类覆写了父类方法,则将会以子类方法覆盖父类虚方法。关于方法表的创建过程,可以参考[第十五回:继承本质论]中的描述。

·       静态字段的内存分配和释放,又有何不同?

    静态字段也保存在方法表中,位于方法表的槽数组后,其生命周期为从创建到AppDomain卸载。因此一个类型无论创建多少个对象,其静态字段在内存中也只有一份。静态字段只能由静态构造函数进行初始化,静态构造函数确保在类型任何对象创建前,或者在任何静态字段或方法被引用前执行,其详细的执行顺序请参考相关讨论。

3. 结论

对象创建过程的了解,是从底层接触CLR运行机制的入口,也是认识.NET自动内存管理的关键。通过本文的详细论述,关于对象的创建、内存分配、初始化过程和方法调用等技术都会建立一个相对全面的理解,同时也清楚的把握了线程栈和托管堆的执行机制。

对象总是有生有灭,本文简述其生,这是个伟大的开始。 

[祝福] 一个值得纪念的日子,一切快乐、平安、健康,这次专注,2008会更好。

参考文献

(USA)Joe Duffy, Professinal .NET Framework 2.0
(USA)Don Box, Essiential .NET
(MSDN)Hanu Kommalapati and Tom Christian, Drill Into .NET Framework Internals to See How the CLR Creates Runtime Objects, http://msdn.microsoft.com/msdnmag/issues/05/05/JITCompiler/default.aspx

温故知新

[开篇有益]
[第一回:恩怨情仇:is和as]
[第二回:对抽象编程:接口和抽象类]
[第三回:历史纠葛:特性和属性]
[第四回:后来居上:class和struct]
[第五回:深入浅出关键字---把new说透]
[第六回:深入浅出关键字---base和this]
[第七回:品味类型---从通用类型系统开始]
[第八回:品味类型---值类型与引用类型(上)-内存有理]
[第九回:品味类型---值类型与引用类型(中)-规则无边]
[第十回:品味类型---值类型与引用类型(下)-应用征途]
[第十一回:参数之惑---传递的艺术(上)]
[第十二回:参数之惑---传递的艺术(下)]
[第十三回:从Hello, world开始认识IL]
[第十四回:认识IL代码---从开始到现在]
[第十五回:继承本质论]
[第十六回:深入浅出关键字---using全接触]
[第十七回:貌合神离:覆写和重载]
[第十八回:对象创建始末(上)]

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posted @ 2007-12-07 08:55  Anytao  阅读(10913)  评论(46编辑  收藏