[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 Heap、Low-Frequency Heap和Stub 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Type在Loader 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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    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：

（a）CLR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。

（c）CLR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：TypeHandle和SyncBlockIndex。将TypeHandle指针指向Loader Heap上的MethodTable，CLR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VIPUser的this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 Heap的MethodTable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 Compiler将IL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。

在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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