揭示同步块索引（中）：如何获得对象的HashCode

题外话：为了尝鲜，也兴冲冲的安装了Win7，不过兴奋之余却郁闷不已，由于是用Live Writer写博客，写了好几篇草稿，都完成了80%左右，没有备份全部没了。欲哭无泪，只好重写了。

Visual Studio + SOS 小实验

咋一看标题，觉得有些奇怪，同步块索引和HashCode有啥关系呢。从名字上来看离着十万八千里。在不知道细节之前，我也是这样想的，知道细节之后，才发现这两兄弟如此亲密。我们还是先来用Visual Studio + SOS，看一个东西，下面是作为小白兔的示例代码：

using System;
public class Program
{
    static void Main()
    {
        Foo f = new Foo();
        Console.WriteLine(f.GetHashCode());

        Console.ReadLine();
    }
}
//就这么一个简单的类
public class Foo
{

}

（使用Visual Studio + SOS调试的时候，请先在项目的属性，调试栏里设置“允许非托管代码调试”）

我们分别在第7行，第9行设置断点，F5运行，当程序停在第一个断点处时（此时f.GetHashCode()还没有执行），我们在Visual Studio的立即窗口里输入：

.load sos.dll
extension C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\sos.dll loaded
!dso
PDB symbol for mscorwks.dll not loaded
OS Thread Id: 0x1730 (5936)
ESP/REG  Object   Name
0013ed78 01b72d58 Foo
0013ed7c 01b72d58 Foo
0013efc0 01b72d58 Foo
0013efc4 01b72d58 Foo

使用.load sos.dll加载sos模块，然后使用!dso，我们找到了Foo类型的f对象的内存地址：01b72d58，然后使用Visual Studio调试菜单下的查看内存的窗口，查看f对象头部的内容：

阴影遮住的00 00 00 00就是同步块索引所在的地方了，可以看得出来，此时同步块索引的值还是0（后面会对这个做解释），然后继续F5，程序运行到下一个断点处，这个时候f.GetHashCode()也已调用了，细心的你就会发现，原来对象同步块索引所在的地方的值变了：

Visual Studio这个内存查看器有个很好的功能，对内存变化的以红色标出。我们看到，原来是00 00 00 00变成了现在的4a 73 78 0f。嗯，看来HashCode的获取和同步块索引还是有一些关系的，不然调用GetHashCode方法为什么同步块索引的值会变化呢。再来看看Console.WriteLine(f.GetHashCode())的输出：

 
不知道着两个值有没有什么关系，我们先把它们都换算成二进制吧。注意，这里的4a 73 78 0f是低位在左，高位在右，下面的十进制是高位再左，低位在右，那4a 73 78 0f实际上就是0x0f78734a了。

0x0f78734a：00001111011110000111001101001010

   58225482：00000011011110000111001101001010

 Rotor源代码

我们先用0补齐32位，突然发现这两者低26位居然是一模一样的（红色标出的部分），这是巧合还是必然？为了一探究竟只好搬出Rotor的源代码，从源代码里看看是否能发现什么东西。还是遵循老路子，我们先从托管代码开始：

public virtual int GetHashCode()
{
   return InternalGetHashCode(this);
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
internal static extern int InternalGetHashCode(object obj);

在本系列的第一篇文章已经提到过，标记有[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]特性的方法是使用Native Code的方式实现的，在Rotor中，这些代码位于sscli20\clr\src\vm\ecall.cpp文件中：

FCFuncElement("InternalGetHashCode", ObjectNative::GetHashCode)
FCIMPL1(INT32, ObjectNative::GetHashCode, Object* obj) {
    DWORD idx = 0;
    OBJECTREF objRef(obj);
    idx = GetHashCodeEx(OBJECTREFToObject(objRef));
    return idx;
}
FCIMPLEND
INT32 ObjectNative::GetHashCodeEx(Object *objRef)
{
    // This loop exists because we're inspecting the header dword of the object
    // and it may change under us because of races with other threads.
    // On top of that, it may have the spin lock bit set, in which case we're
    // not supposed to change it.
    // In all of these case, we need to retry the operation.
    DWORD iter = 0;
    while (true)
    {
        DWORD bits = objRef->GetHeader()->GetBits();

        if (bits & BIT_SBLK_IS_HASH_OR_SYNCBLKINDEX)
        {
            if (bits & BIT_SBLK_IS_HASHCODE)
            {
                // Common case: the object already has a hash code
                return  bits & MASK_HASHCODE;
            }
            else
            {
                // We have a sync block index. This means if we already have a hash code,
                // it is in the sync block, otherwise we generate a new one and store it there
                SyncBlock *psb = objRef->GetSyncBlock();
                DWORD hashCode = psb->GetHashCode();
                if (hashCode != 0)
                    return  hashCode;

                hashCode = Object::ComputeHashCode();

                return psb->SetHashCode(hashCode);
            }
        }
        else
        {
            // If a thread is holding the thin lock or an appdomain index is set, we need a syncblock
            if ((bits & (SBLK_MASK_LOCK_THREADID | (SBLK_MASK_APPDOMAININDEX << SBLK_APPDOMAIN_SHIFT))) != 0)
            {
                objRef->GetSyncBlock();
                // No need to replicate the above code dealing with sync blocks
                // here - in the next iteration of the loop, we'll realize
                // we have a syncblock, and we'll do the right thing.
            }
            else
            {
                DWORD hashCode = Object::ComputeHashCode();

                DWORD newBits = bits | BIT_SBLK_IS_HASH_OR_SYNCBLKINDEX | BIT_SBLK_IS_HASHCODE | hashCode;

                if (objRef->GetHeader()->SetBits(newBits, bits) == bits)
                    return hashCode;
                // Header changed under us - let's restart this whole thing.
            }
        }
    }
}

代码很多，不过大部分操作都是在做与、或、移位等。而操作的对象就是这行代码获取的：objRef->GetHeader()->GetBits()，实际上就是获取同步块索引。

想想，在第一个断点命中的时候，同步块索引的值还是0x00000000，那应该是下面这块代码执行：

DWORD hashCode = Object::ComputeHashCode();
DWORD newBits = bits | BIT_SBLK_IS_HASH_OR_SYNCBLKINDEX | BIT_SBLK_IS_HASHCODE | hashCode;
if (objRef->GetHeader()->SetBits(newBits, bits) == bits)
    return hashCode;

通过Object的ComputeHashCode方法算出一个哈希值来（由于本文不是关注哈希算法的，所以这里不讨论这个ComputeHashCode方法的实现）。然后进行几个或操作（这里还要与原先的bits或操作是为了保留原来的值，说明这个同步块索引还起了别的作用，比如上篇文章的lock），然后将同步块索引中老的位换掉。从这里我们还看不出来什么。不过，如果我们再次对这个对象调用GetHashCode()方法呢？那同步块索引不再为0x00000000，而是0x0f78734a，在来看看几个定义的常量的值：

#define BIT_SBLK_IS_HASH_OR_SYNCBLKINDEX    0x08000000
#define BIT_SBLK_IS_HASHCODE            0x04000000
#define HASHCODE_BITS                   26
#define MASK_HASHCODE                   ((1<<HASHCODE_BITS)-1)

从刚才设置hashcode的地方可以看到:DWORD newBits = bits | BIT_SBLK_IS_HASH_OR_SYNCBLKINDEX | BIT_SBLK_IS_HASHCODE | hashCode;

所以开头的两个if都可以通过了，返回的hashcode就是bits & MASK_HASHCODE。

这个MASK_HASHCODE是将1向左移26位=100000000000000000000000000，然后减1=00000011111111111111111111111111（低26位全部为1，高6位为0），然后与同步块索引相与，其实这里的作用不就是为了取出同步块索引的低26位的值么。再回想一下本文开头的那个试验，原来不是巧合啊。

连上上一篇，我们可以看到同步块索引不仅仅起到lock的作用，有时还承担着存储HashCode的责任。实际上同步块索引是这样的一个结构：总共32位，高6位作为控制位，后26的具体含义随着高6位的不同而变化，高6位就像很多小开关，有的打开(1)，有的关闭(0)，不同位的打开和关闭有着不同的意义，程序也就知道低26位到底是干啥的了。这里的设计真是巧妙，不断占用内存很紧凑，程序也可以灵活处理，灵活扩展。

 

后记

本篇和上一篇一样，都是单独将独立的内容拿出来，这样可以更简单的来阐述。比如在本文中，我只设想同步块索引做hashcode的存储，这个时候，同步块索引就干干净净（本文前面的试验中先得到的同步块索引就是一个0），但实际中同步块索引可能担任更多的职责，比如既lock，又要获取HashCode，这个时候情况就更复杂，这个在后面一篇文章会综合各种情况更详细的说明。