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• 前言
• 线程堆栈的分配
• 托管堆上对象的分配
• 结束语

前言

　 　.Net中的运行时，以及各个类型、对象、线程堆栈以及托管堆之间的关系，在初学者(俺是初学者中的菜鸟 J)看来，有很多是难以理解的东西，俺在看了CLR Via C# 的前几章后，现在将文中的大概意思并加以自己的理解，重现运行时，以及各个关系。希望各位尽量拍砖，多多指出不正确的地方，共同进步。

线程堆栈的分配

图1中展示了CLR加载的一个Microsoft Windows进程。在一个进程中，可能会存在多个线程。在创建一个线程时，这个线程会分配到一个1MB大小的堆栈。这个堆栈空间的作用：用于向方法传递 实参，并用于存储在方法内部定义的局部变量。图1展示了一个线程的堆栈（右侧）。堆栈都是从高位内存向地位内存地址构建。在左侧图中，该线程执行了一些代 码，它的堆栈上已经有一些数据（右图上半部分灰色区域）。现在假定线程要执行M1方法。

在一个方法中，应该包含一些开场白代码，负责在方法开始前对变量进行初始化操作，以及一些收场白代码，负责方法执行完毕之后进行清理工作，以便返回调用者。当M1方法开始执行时，它的开场白代码在线程的对战中为局部变量name分配内存，如图2所示：

接 着，M1中的代码执行，调用M2方法，将局部变量name作为一个实参来传递。这造成name局部变量中的地址被压入堆栈。在M2方法内部，将使用名为s 的形参变量来标识堆栈位置（注意，有的架构通过寄存器来传递实参以提升性能，但这对于当前的讨论来说并不重要）。另外，在调用一个方法时，还会将一个“返 回地址”压入堆栈。以便被调用的方法在完成之后，应该返回到这个位置。参见图3：

M2方法开始执行时，他的开场白代码在线程的堆栈中为局部变量length 和tally分配内存，如图4。然后，开始执行M2方法内部的代码。最终，M2会执行到return语句，这时CPU执行指针会被设置成堆栈中刚才存储的[返回地址] ,而 且M2的堆栈帧会进行辗转开解(unwind)(个人大概理解意思是：释放M2的内部局部变量),然后堆栈内部会恢复到图2状态，之后，M1将继续执行后 面代码，最终M1也会返回到它的调用者，这个过程其实跟M2是一样的，M1执行完成之后，M1的堆栈帧会进行辗转开解，恢复成图1所示那样。跟着会执行 M1后续的代码。图4：

托管堆上对象的分配

         讨论完了堆栈上的内存分配之后，我们再来看下托管堆上对象的分配。我们知道在.Net中值类型是存储在堆栈上，引用类型是存储在托管堆上，上面线程堆栈的分配中，name是string类型，属于引用类型，string的分配属于比较特殊的部分，这里我推荐:

Artech的大作:字符串的驻留(String Interning)

Anytao的大作:[你必须知道的.Net]第九回:品味类型—值类型与引用类型(中)—规则无边

说明：在涛哥的这篇文章中，建议多看看精彩的评论。

现在，假定有以下两个类定义如下：

// Employee 类定义internal class Employee{

public int GetYearEmployed(){…}

public virtual String GetProgressReport(){…}

public static Employee Lookup(String name)(){…}

}

//  Manager类定义  继承自 Employeeinternal sealed class Manager:Employee{

public override String GetProgressReport(){…}

}

现在Windows进程已经启动，CLR已经加载完成，托管对已初始化，而且已经创建好了一个线程连同他的1MB的堆栈控件。该线程已经执行了一些代码， 现在马上就要调用M3代码。图5展示了当前的状况。M3方法包含的代码演示了CLR是如何工作的。我们平时不会写这样的代码，因为它们实际上并不做任何有 用的事情。图5：

当JIT编译器将M3的IL代码转换成本地CPU指令时，会注意到M3内部引用的所有类型：Employee,Int32,Manager 以及String(因为有“Joe”) 。这时，CLR要确保定义了这些类型的所有程序集已经加载到AppDomain中。然后，利用程序集的元数据，CLR提取有关这些类型的信息，并创建一些 数据结构来表示类型本身。图6展示了用于Employee 和Manager类型对象的数据结构。由于线程之前已经执行了一些代码，所以不妨假设int和String的类型对象已经创建好了，所以图中没有显示它 们。图6：

现在我们来讨论下这些类型对象。在创建对象的时候，所有对象除了包含实例成员外，都会再包含两个额外的成员：类型对象指针和同步块索引。 从上图中可以看出，Employee和Manager类型对象都有这两个成员。定义一个类型时，可以在类型的内部定义静态数据字段。为这些静态数据字段提 供支援的字节是在类型对象自身中分配的。在每个类型对象中，最后都包含一个方法表。在方法表中，类型中定义的每个方法都有一个对应的纪录项。

Employee 定义了三个方法，所以在它的方法表中有三个纪录项。同理，Manager只定义了一个方法，所以在Manager的方法表中只有一个纪录项。

现在，当CLR确定方法需要的所有类型对象都已创建，而且M3的代码已经编译后，就允许线程开始执行M3的本地代码。M3的开场白代码执行时，必须从线程 的堆栈中为局部变量分配内存（引用类型存储引用，引用指向对象所在托管堆的偏移地址，此时尚未在托管堆创建对象，所以会赋值为null，在用new新增对 象后，才会指向新对象的引用地址，值类型存储变量本身，），在图中代码中，CLR会自动将所有局部变量初始化为null或0。图7：

然后M3继续执行代码，紧接着构造一个Manager对象，这个构造操作会在托管堆中创建Manager类型的一个实例，可以看出，和所有对象一 样，Manager对象也有一个类型对象指针和同步块索引。该对象还包含容纳Manager类型定义的所有实例数据字段及其任何基类定义的所有实例字段所 需的字节。任何时候在堆上新建一个对象，CLR都会自动初始化内部类型对象指针成员，让它引用与对象对应的类型对象(本例就是Manager类型对象)。 此外，CLR还会首先初始化同步块索引，并将对象的所有实例字段设为null或0，然后才会调用类型构造器（可能会修改某些实力字段）,随后 new操作符会返回新建的Manager对象的内存地址，该地址保存在变量e中（e在线程的堆栈上）。图8：

紧 接着M3的下一行代码调用Employee的静态方法Lookup。在调用一个静态方法时，CLR会定位与定义静态方法的类型对应的类型对象。然 后，CLR在类型对象的方法表中定位引用了被调用方法的纪录项，然后对方法进行JIT编译（如果需要的话），最后调用JIT编译过的代码。就本例来说，我 们假定Employee的Lookup方法要查询一个数据库来查找Joe。这里Lookup是返回一个Employee类型的对象。假定数据库指出Joe 是公司的一名经理，所以在内部，Lookup方法在堆上构造一个新的Manager对象，初始化它，然后返回该对象的地址，这个地址保存到局部变量e中。 操作的结果如图9所示：

注意，此时，e不再引用创建的第一个Manager对象。事实上，由于没有变量引用这个对象，所以它是将来进行垃圾收集时的主要候选对象。

M3的下一行代码调用Employee的非虚实例方法GetYearEmployed。在调用一个非虚实例方法时，CLR会找到与发出调用的变量的的类型 对应的类型对象。在本例中，e被定义成一个Employee（假如Employee类型没有定义这个方法，则会回溯类层次结构，在基类查找）。然 后，CLR在类型对象的方法表中找到引用了被调用方法的纪录项，对方法进行JIT编译，然后调用JIT编译过的代码，就本例来说，假定该方法返回5，这个 整数保存在year中。结果如图10：

M3的下一行代码调用Employee的虚实例方法GetProgressReport。在调用一个虚实例方法时，CLR要做一些额外的工作。首先，它在 发出调用的变量中查找，然后跟随地址到发出调用的对象。在本例中，变量e指向Joe 的Manager对象。然后，CLR会检查对象的内部类型对象指针成员，这个成员引用了对象的实际类型。然后，CLR在类型对象的方法表中定位引用了被调 用方法的纪录项，对方法进行JIT编译，然后调用编译后的代码，就本例来说，会调用Manager的GetProgressReport实现，因为e引用 的是一个Manager对象，操作结果如图11：

注意，如果Employee的Lookup方法发现Joe只是一个Employee，而不是一个Manager，Lookup会在内部构造一个 Employee对象，它的类型对象指针将引用Employee类型对象。这样一类，最终执行的就是Emplouee的 GetProgressReport实现，而不是Manager的GetProgressReport实现。

至此，已经讨论了源代码、IL和JIT编译的代码之间的关系，还讨论了线程的对战、参数、局部变量、以及如何引用托管堆上的对象。我们还知道对象中包含一个指针，它指向对象的类型对象（类型对象中包含静态字段、方法表、类型对象指针和同步块索引）。还讨论了CLR如何调用静态方法、非虚方法以及虚实例方法。理解这些后，可以深刻认识到CLR的工作方式。这些知识会带来很大的帮助。

接下来再更深层一点，看看CLR内部发生的事情。从前面几个图中，我们可以看到Employee和Manager创建类型对象时，必须初始化这些成员。那 么，具体初始化什么呢？CLR开始在一个进程中运行时，它会立即为System.Type类型创建一个特殊的类型对象。Employee和Manager 类型对象是该类型的实例。因此，他们的类型对象指针会初始化成Type类型对象的引用。如图12：

当然，System.Type类型对象本身也是一个对象，所以内部也同样包含一个类型对象指针成员。那么这个指针指向谁呢？它指向它本身。因为System.Type类型对象本身是一个类型对象的实例。

结束语

现在，我们总算理解了CLR的整个类型对象及其工作方式，System.Object的GetType方法返回的是存储在指定对象的“类型对象指针”，这样，就可以判断系统中任何对象(包括类型对象)的真实类型。