.NET Core CSharp初级篇1-7 类的生命历程

.NET Core CSharp初级篇 1-7

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本节内容为类的生命周期

引言

对象究竟是一个什么东西？对于许多初学者而言，对象都是一个非常抽象的知识点。如果非要用一句话描述，我觉得“万物皆对象”是对于对象最全面的概述了。本节内容中，我们将以在富土康打工的张全蛋组装一台水果手机作为例子，详细的讲解面向对象的各个方面。

对象类的构造

“张全蛋，你去水果公司，把他们的组装零件需求清单带过来~，并且还要带上组装的技术说明书。”车间主任吆喝着叫张全蛋办事。张全蛋前往了水果公司，如愿以偿的拿到了他想要的东西，组装零件清单上写着:

• amoled屏幕*1
• 电池3000MA *1
• CPU*1
• 内存*1

技术说明上写着：

• 组装零件：屏幕放置在顶部，电池在底部，中间夹着PCB板，PCB上面封住CPU和内存
• 开机方法：长按开机键三秒

限于篇幅，我们只列举这些，你可以发现，我们的组装清单上面，事实上就是我们手机的组成部分，需要占用手机内部空间，并且是这个手机的重要组成参数。这就和我们类中的属性和字段的功能是一样的；而技术说明，是对于这里的具体操作，他们是一个工序，一个操作，并不是一个实体，因此他们就是和我们类中的函数是一个意思。

突然一位老员工对张全蛋说，其实啊，每一款水果手机都几乎没多大差别，你可以在机器中预设好内存大小和CPU的型号，这样你就可以直接将模具做好了。面对这种情况，张全蛋想出了一个绝妙的方法，那就是在构造函数中传入参数。

因此我们可以构造出这样一个类

class FruitPhone
{
    public FruitPhone(int msize,string cpuType)
    {
        CpuType = cpuType;
        MemSize = msize;
    }

    public string ScreenType{get;set}
    public string CpuType{get;set;} 
    public int MemSize{get;set;}
    public int Battery{get;set;}

    void Make()
    {
        //todo
    }
    void Open()
    {
        //todo
    }
}

对象的出生

对象就像个体的人，生而入世，死而离世。我们的故事就从对象之生开始吧。首先，看看在上面的例子中，一个对象是如何出生的。

FruitPhone p = new FruitPhone(2,"A12");

我们通过调用构造函数，成功的创造了一个手机对象，在手机被创建的同时，虽然我们还没有组装好屏幕一类的，但是我们在手机模具中也需要预留他们的空间，因此在对象实例化的时候，其内部的每个字段都会被初始化。

对于屏幕和电池一类的，我们后续可能会根据成本等等进行调整，对
象的出生也只是完成了对必要字段的初始化操作，其他数据要通过后面的操作来完成。例如对属性赋值，通过方法获取必要的信息等。

对象在内存中的创建过程

关于内存的分配，首先应该了解分配在哪里的问题。CLR 管理内存的区域，主要有三块，分别为：

• 线程的堆栈，用于分配值类型实例。堆栈主要由操作系统管理，而不受垃圾收集器的控制，当值类型实例所在方法结束时，其存储单位自动释放。栈的执行效率高，但存储容量有限。
• GC 堆，用于分配小对象实例。如果引用类型对象的实例大小小于 85000 字节，实例将被分配在 GC 堆上，当有内存分配或者回收时，垃圾收集器可能会对 GC 堆进行压缩，详情见后文讲述。
• LOH（Large Object Heap）堆，用于分配大对象实例。如果引用类型对象的实例大小不小于 85000 字节时，该实例将被分配到 LOH 堆上，而 LOH 堆不会被压缩，而且只在完全 GC 回收时被回收。

对于分配在堆栈上的局部变量来说，操作系统维护着一个堆栈指针来指向下一个自由空间的地址，并且堆栈的内存地址是由高位到低位向下填充。

而对于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。

对于本例中的对象创建，首先会在栈中声明一个指向堆中数据的指针（引用），它占用4个字节，然后调用newobj指令，搜索该类是否含有父类，如果有，则从父类开始分配内存，对于本例中，FruitPhone对象所需要的内存为4字节的string引用两个，4字节的int*2。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），共计24字节。

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p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。

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：

• 构造 FruitPhone 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。
• 初始化 p 的两个附加成员：TypeHandle 和 SyncBlockIndex。将 TypeHandl
  e 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。
• 调用 FruitPhone 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 FruitPhone 类为止。以本例而言，初始化过程为首先执行 System.Object 类，直接执行 FruitPhone。最终，newobj 分配的托管堆的内存地址，被传递给 FruitPhone 的 thi
  s 参数，并将其引用传给栈上声明的 p。

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。

(插入内存图像)

补充

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。

对象的消亡

在这一部分，我们首先观察对象之死，以此反思和体味人类入世的哲学，两者相比较，也会给我们更多关于自己的启示。对象的生命周期由 GC 控制，其规则大概是这样：GC 管理所有的托管堆对象，当内存回收执行时，GC 检查托管堆中不再被使用的对象，并执行内存回收操作。不被应用程序使用的对象，指的是对象没有任何引用。关于如何回收、回收的时刻，以及遍历可回收对象的算法，是较为复杂的问题，我们将在 后续进行深度探讨。不过，这个回收的过程，同样使我们感慨。大自然就是那个看不见的 GC，造物而又终将万物回收，无法改变。我们所能做到的是，将生命的周期拓宽、延长、书写得更加精彩

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Reference

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作　　者：WarrenRyan
出　　处：https://www.cnblogs.com/WarrenRyan/
关于作者：热爱数学、热爱机器学习，喜欢弹钢琴的不知名小菜鸡。
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