[读书心得] .NET中 类型，对象，线程栈，托管堆在运行时的关系

.NET中 类型，对象，线程栈，托管堆 在运行时的关系
The Relationship at Run Time between Types,Objects,A Thread's Stack,and The Managed Heap for .NET
by 唐小崇
http://www.cnblogs.com/tangchong
.NET中的类型，无论是值类型或引用类型都是继承自Object的类。这点跟Java类似，但与C/C++有很大不同。既然值类型与引用类型都是类，那它们的没有什么不同的地方。而最值得关注的不同就是：值类型对象的值直接存储在线程栈中，引用类型对象的值存放在托管堆中，它的引用存放在线程栈中。本篇博文就谈谈CLR的线程栈，托管堆策略。
当我们执行一个.NET程序， CLR 会加载一个新的进程，这个进程可能会（按照程序的编写需求）包含多个线程。当一个线程被创建，它会申请一个 1MB大小栈（stack）。这个栈是以高位到地位保存的。线程栈是用来保存本地变量，参数，返回地址的，稍后会有详细解释。同时CLR会创建一个托管堆。（由于内容太多，先从线程栈开始讲起，稍后再讲托管堆）

现在，让我们通过两个例子方法M1,M2来了解线程栈与类型对象的关系：
我们先看看线程栈的样子。图1为一个线程栈的示例，我们假设该程序已经执行了一部分代码，并即将执行M1方法。

图1：线程栈示例
线程栈有以下作用：
·保存向某个方法传递的参数（passing arguments）;
·保存当前执行的方法内的本地变量（local variales）;
·保存当前执行方法的返回地址（return address）;
所有的方法都会包含一些 序幕代码(prologue code)和
收场代码（epilogue code） ，序幕代码用来初始化一个方法，这些代码把本地变量，参数，返回地址压入线程栈中。而收场代码会在函数执行完毕后会清理给该函数分配的空间，并将指令指针（CPU's instruction pointer）指向返回地址（即指向该函数的调用者），从而释放线程栈空间。
当我们开始执行M1，CLR将 本地变量name、向M2传递的参数s 和 返回地址 压入线程栈中，如图2所示：

图2：将本地变量name、向M2传递的参数s和返回地址压入线程栈中
接着我们执行到M2(name);CLR开始调用M2方法，这时序幕代码会在线程栈里分配两个本地变量 length，tally，如图3所示。当M2方法执行完毕后，收场代码清理M2分配的空间，并将指令指针指向返回地址（即M1）。此时，我们的线程栈又回到图2所示的状态。


图3：M2方法开始执行时线程栈的情况
以上，就是整个线程栈的执行情况。
我们接着来看看CLR中的托管堆。说到托管堆，就不得不提引用类型。下面我们列两个示例类，Employee和它的子类Manager：

internal class Employee { 
public Int32 GetYearsEmployed() { ... } 
public virtual String GetProgressReport() { ... } 
public static Employee Lookup(String name) { ... } 
} 

internal sealed class Manager : Employee { 
public override String GetProgressReport() { ... }

如图4所示：我们现在加入一个新方法M3。当我们的程序开始执行，CLR 会初始化线程栈和托管堆。

首先JIT编译器将M3方法的中间代码（IL）JIT编译为本地指令（native CPU instructions）。

然后CLR检测M3引用的所有类型（本例中为Employee,Int32,Manager,String），这时CLR会确保提供这些类型的程序集已经被加载（否则，会报错）。

最后CLR提取有关这些类型的信息，并创建一些数据结构（Type Object）来表示的类型本身。也就是说，CLR会先创建
Type Object，然后通过它来创建类的实例对象。

图4：当M3方法被调用。CLR在托管堆中创建对应的类的类型对象（Type Object）
在创建好的类型对象 Type Object（并不是类的实例对象）中包括以下成员
类型对象指针（Type object ptr）
同步块索引(Sync block index)
静态成员（Statoc fieds）
方法列表（method table）
紧接着，当CLR确认M3所需求的所有的类型对象（Type Object）都被创建，则开始执行M3的本地代码。如图5所示，序幕代码在线程栈中创建本地变量并将它们初始化为null或者0。
图5 序幕代码在线程栈中创建本地变量
程序开始执行e = new Manager();
如图6所示,这行代码指示CLR在托管堆中创建一个Manager类型的实例对象（instace）。该实例对象包含： 类型对象指针、
同步块索引以及 该类型中的定义成员（包括它的父类成员，在本例中父类为Employee,Object）。
然后，CLR会自动将该实例对象（Manager Object）的 类型对象指针(Type object ptr)指向相应的类型对象（Manager Type Object），此外，CLR会初始化同步块索引和所有成员为0并调用构造器（构造函数）。
最后new 操作符将创建好的实例对象在托管堆中的地址 返回并赋值给线程栈中的引用类型变量e。

图6：创建并初始化一个Manager实例对象
下面我们看看3种不同的方法：静态方法，非虚方法，虚方法的执行情况。
下一行代码是e = Employee.Lookup("Joe"); 这里调用了Employee的静态方法Lookup()。
如图7所示，当调用一个静态方法，首先JIT编译器会定位到该方法对应的类型Type Object对象（本例中为Employee Type Object）。然后将该Type Object函数列表中的对应方法（本例中是Lookup）JIT编译，并执行。
我们假设Joe存在并且是一个经理，则Lookup函数会在托管堆中创建一个Manager实例对象，并用Joe初始化它。最后将这个Manager实例对象的地址返回，赋值给e。

图7：静态函数Lookup被调用，创建并用joe初始化一个Manager 对象，并赋值给e
继续执行下一行代码:year = e.GetYearsEmployed();
如图8所示：当我们调用一个非虚函数（nonvirtual instance method），JIT编译器会定位到 调用者的类型（e的类型为Employee）对应Type Object中（本例中为Employee Type Object）。在该Type Object中的方法列表中，查找对应方法（如果没找到，会向其父类寻找直到Object为止）。JIT编译该方法，并执行。我们不妨假设joe已经工作5年了。则Employee 的 GetYearsEmployed方法返回5，并赋值给线程栈中的year变量。

图8：调用Employee的非虚函数 GetYearsEmployed。
接下来一行代码是e.GetProgressReport();该方法是一个虚方法（virtual instance method）。
调用一个虚方法前，JIT编译器会额外的执行一些代码。这些代码会先查找到 调用该方法的变量（e）所指向的实例对象（在本例中，即为用Joe初始化的Manager实例对象）。接下来，检查该对象中的类型对象指针，以找到对象的真正类型type object（本例中为Manager Type Object）。最后JIT编译该type object方法列表中的对应方法，并执行。
如图9所示,JIT编译并执行的是 Manager Type Object中的GetProgressReprot方法，而不是Employee Type Object中的。

图9：调用虚函数GetProgerssReport()，实际类型Manager的type Object中的方法被执行
至此，示例代码结束。我们讨论了调用静态方法，非虚函数，虚函数的三种情况。但我们还有一点没有完成。
我们会注意到在Type Object中也有Type object ptr，这是因为这些Type Object也是一个“类型”的实例对象。它们的类型比较特殊，叫做System.Type，定义在MSCorLib.dll中。当CLR开始执行一个进程，它会先为System.Type创建一个Type Oject，称为Type Type Object。如图10所示，本例的 Employee Type Object,Manager Type Object都是Type Type
Object的“实例对象”。最后，Type Type Object 本身也是一个对象，它的Type object ptr 指向自身。这就是.NET 万物皆对象的思想。

图10：Emloyee和Manager的type objects 是 System.Type 类型的实例对象