clr via c#学习体会——clr如何调用一个类型中定义的方法（上）

此篇博文是我最近看clr via c#的一些体会，可能有不对的地方，欢迎指正。

我们写c#代码，将方法定义在一个类中，然后编译代码再执行，执行的时候，方法也好，字段也好，不管是实例方法/字段还是静态方法/字段，一定会在内存中的某处占用一定的内存空间。不管要访问某个字段，还是要调用某个方法，都必须知道字段或者方法在内存中的位置，这篇文章主要讨论的是clr如何获取到要调用方法在内存中的位置，从而进行方法调用的。

一、类型对象

首先我们先引入一个概念：类型对象，“类型对象”这个词并不是.net中的术语，只是我给它起的名字，所谓类型对象，是描述一个对象的类型的对象，这有点拗口，首先明确一点，类型对象也是一个对象，与咱们平时new object()得到的对象一样，在托管堆里分配内存，这个对象的作用是描述一个对象的类型。

平时我们再写代码的时候，如果要查看某个对象的类型是什么，就会调用这个对象的GetType方法，来获取了一个Type类的子类(因为Type类是抽象类，所以GetType返回的一定是其子类)，GetType方法返回的就是某个对象的类型对象。

类型对象也是某个类型（Type类的子类）的实例，所以它会存在于托管堆中，类型对象并不是由程序员来实例化的，它的实例化由clr进行。在我们写代码的时候，必然会用到各种各样的类型，常用的int,string,bool,object，或者我们自己定义的结构体，类等，在程序运行时，clr会在第一次使用某个类型之前（比如实例化某个对象，或者调用某个类型的静态方法，静态字段等），实例化一个该类型的类型对象，并且该对象会常驻于内存中，直到所属的应用程序域（App Domain）被卸载,并且对于同一个类型，只实例化一个类型对象。想想也知道，因为某个类型的所有实例的类型都是一样的，所以只有一个类型对象是合理的。

二、方法在内存中的位置在哪里

在.net中，实例化一个对象（不管是值类型还是引用类型）的时候，只会为这个对象实例字段分配内存空间，不会为这个对象中定义的方法分配内存，实际上类型的所有实例共享相同的方法代码，对一个类型的不同实例而言，他们只是实例字段不相同。在程序运行时，对于每一个类型来说，该类型中定义的方法存在于内存中的某个位置，该类型的任意一个实例要调用某个方法的时候，有一种机制可以找到这个位置，从而执行该方法的代码。

对于引用类型，在实例化的时候，会在堆上分配内存，除了为该对象的所有实例字段分配内存空间以外（一个类型的静态字段也是所有实例共享的，与方法相似），还会分配一些额外的空间，这些额外的空间用来存储对象的类型对象指针(Type object pointer)和同步块索引(sync block index )。对于值类型来说，实例化的时候不会有这两个额外的对象，但是当值类型被装箱的时候，会加上这两个额外对象。同步块索引是用于线程同步的，本文不做讨论,对象实例化以后再堆上的内存分配情况如下图。





在这里我们说一下类型对象指针，从名字可以看出来类型对象指针是一个指针（这简直就是废话，如果不知道指针为何物，可以理解为引用），既然是一个指针，那就必然指向了内存中的某个位置，对于某个类型的所有实例来说，这些实例对象的类型对象指针都指向内存中的同一个位置，类型对象指针指向的这个位置，其实是另外一个类的实例，不过这个实例对象比较特殊，它是Type类的一个子类。在我们平时写代码的时候通过调用从object继承来的GetType()方法可以得到这个对象，对于值类型在调用GetType方法的时候，不是直接调用，会先对这个值类型实例进行装箱，然后再调用GetType方法，通过类型对象指针，可以获取某个对象的类型对象。在这个类型对象中保存了类型定义的所有静态字段，以及一个方法表，对于类型中定义的所有方法，不管是静态方法，实例非虚方法还是实例虚方法，都在方法表中有一条记录，这条记录包含了方法在内存中的位置信息，通过方法表，clr可以知道运行时某个类型的某个方法在内存中的位置，从而可以让clr正确的调用方法。

在这里有一点比较有趣的是，本文一开始就提到了，类型对象也是一个对象，与咱们实例化出来的其它对象一样，存在于托管堆中，那么它也拥有类型对象指针和同步块索引，它也有它自己的类型对象，所有类型对象的类型都是System.RuntimeType，所有的”类型对象“的“类型对象指针“都指向了内存中的同一个位置，不妨我们叫它根类型对象，根类型对象的类型对象指针是指向它自己的。就好比根类型对象就是.net中的上帝，它指定了一批人做教皇，并且赋予这些教皇权力来描述普通人的身份，一个普通人是男是女，家里几口人，人均几亩地，地里几头牛，都是教皇来描述的，并且同一类型的普通人由唯一的一个教皇来管理，而教皇的身份是由上帝来描述的，至于上帝，它自己说它是上帝，所以它就是上帝。

为了后面便于说明，我们定义如下两个类：

class BaseClass
{
internal void SayHello()
{
Console.WriteLine("BaseClass say hello!");
}

internal virtual void PlayDota()
{
Console.WriteLine("BaseClass play dota,用的英雄是沙王");
}
}

class DrivedClass:BaseClass
{
internal new void SayHello()
{
Console.WriteLine("DirvedClass say hello");
}

internal override void PlayDota()
{
Console.WriteLine("DrivedClass play dota,使用的英雄是幻影刺客");
}
}

现在我们来实例化两个个BaseClass类的实例和两个DrivedClass类的实例

BaseClass baseClass1=new BaseClass();

BaseClass baseClass2=new BaseClass();

DrivedClass drivedClass1=new DrivedClass();

DrivedClass drivedClass2=new DrivedClass();

对于这四个对象及其他们类型对象在内存中的情况如下图。





为了验证前面说的上帝教皇普通人的问题，可通过以下代码验证:

BaseClass baseClass1=new BaseClass();

BaseClass baseClass2=new BaseClass();

DrivedClass drivedClass1=new DrivedClass();

DrivedClass drivedClass2=new DrivedClass();

object o=new object();

string s = "aaaaa";

Type baseClass1Type = baseClass1.GetType();

Type baseClass2Type = baseClass2.GetType();

Type drivedClass1Type = drivedClass1.GetType();

Type drivedClass2Type = drivedClass2.GetType();

Type objectType = o.GetType();

Type stringType = s.GetType();

Console.WriteLine("baseClass1引用的对象类型为"+baseClass1Type.ToString());

Console.WriteLine("drivedClass1引用的对象类型为" + drivedClass1Type.ToString());

Console.WriteLine("baseClass2引用的对象类型为" + baseClass2Type.ToString());

Console.WriteLine("drivedClass2引用的对象类型为" + drivedClass2Type.ToString());

Console.WriteLine("o引用的对象类型为" + objectType.ToString());

Console.WriteLine("s引用的对象类型为" + stringType.ToString());

if (object.ReferenceEquals(baseClass1Type,baseClass2Type))

{

Console.WriteLine("baseClass1和baseClass2两个普通人是由同一个教皇描述的");

}

if (object.ReferenceEquals(drivedClass1Type,drivedClass2Type))

{

Console.WriteLine("drivedClass1和drivedClass2两个普通人是由同一个教皇描述的");

}

if (!object.ReferenceEquals(baseClass1Type,drivedClass1Type))

{

Console.WriteLine("baseClass1和drivedClass1两个普通人是由不同的教皇描述的");

}

Type baseClassTypeType = baseClass1Type.GetType();//获取类型BaseClass的类型对象的类型对象

Type drivedClassTypeType = drivedClass1Type.GetType();//获取类型DrivedClass的类型对象的类型对象

Type objectTypeType =objectType.GetType();//获取类型Object的类型对象的类型

Type stringTypeType =stringType.GetType();//获取类型string的类型对象的类型

Console.WriteLine("BaseClass的类型对象的类型是"+baseClassTypeType.ToString());

Console.WriteLine("DrivedClass的类型对象的类型是"+drivedClassTypeType.ToString());

Console.WriteLine("object的类型对象的类型对象是"+objectTypeType.ToString());

Console.WriteLine("string的类型对象的类型对象是"+stringTypeType.ToString());

if (object.ReferenceEquals(baseClassTypeType,drivedClassTypeType))

{

Console.WriteLine("管理BaseClass的教皇和管理DrivedClass的教皇都是归上帝管的");

}

if (object.ReferenceEquals(baseClassTypeType,objectTypeType))

{

Console.WriteLine("管理BaseClass的教皇和管理object的教皇都是归上帝管的");

}

if (object.ReferenceEquals(objectTypeType,stringTypeType))

{

Console.WriteLine("管理object的教皇和管理string的教皇都是归上帝管的");

}

if (object.ReferenceEquals(objectTypeType,objectTypeType.GetType()))

{

Console.WriteLine("上帝自己管自己，它说自己是上帝它就是");

}

控制台输出如下





讲到这里，我们大致明白了clr要调用一个方法的时候，需要先找到该方法所在的类型对象，然后从该类型对象的方法表中找到该方法在内存中的位置进行调用。但是c#作为一门面向对象的编程语言，其中有一些复杂的情况，具体的情况包括两种：方法重写(override)和方法隐藏(new)。对于这部分内容在下一篇博文中进行讨论。