系列文章導航：

[你必須知道的.NET] 開篇有益

[你必須知道的.NET] 第一回：恩怨情仇：is和as

[你必須知道的.NET] 第二回：對抽象編程：接口和抽象類

[你必須知道的.NET] 第三回：歷史糾葛：特性和屬性

[你必須知道的.NET] 第四回：后來居上：class和struct

[你必須知道的.NET] 第五回：深入淺出關鍵字---把new說透

[你必須知道的.NET] 第六回：深入淺出關鍵字---base和this

[你必須知道的.NET] 第七回：品味類型---從通用類型系統開始

[你必須知道的.NET] 第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理

[你必須知道的.NET] 第九回：品味類型---值類型與引用類型（中）－規則無邊

[你必須知道的.NET] 第十回：品味類型---值類型與引用類型（下）－應用征途

[你必須知道的.NET] 第十一回：參數之惑---傳遞的藝術（上）

[你必須知道的.NET] 第十二回：參數之惑---傳遞的藝術（下）

[你必須知道的.NET] 第十三回：從Hello, world開始認識IL

[你必須知道的.NET] 第十四回：認識IL代碼---從開始到現在

[你必須知道的.NET] 第十五回：繼承本質論

[你必須知道的.NET] 第十六回：深入淺出關鍵字---using全接觸

[你必須知道的.NET] 第十七回：貌合神離：覆寫和重載

[你必須知道的.NET] 第十八回：對象創建始末（上）

[你必須知道的.NET] 第十九回：對象創建始末（下）

[你必須知道的.NET]第二十回：學習方法論

[你必須知道的.NET]第二十一回：認識全面的null

[你必須知道的.NET]第二十二回：字符串駐留（上）---帶著問題思考

[你必須知道的.NET]第三十二回，深入.NET 4.0之，Tuple一二

　　本文將介紹以下內容：

　　• 對象的創建過程

　　• 內存分配分析

　　• 內存布局研究

　　接上回[第十八回：對象創建始末（上）]，繼續對對象創建話題的討論>>>

　　2.2 托管堆的內存分配機制

　　引用類型的實例分配于托管堆上，而線程棧卻是對象生命周期開始的地方。對32位處理器來說，應用程序完成進程初始化后，CLR將在進程的可用地址空間上分配一塊保留的地址空間，它是進程（每個進程可使用4GB）中可用地址空間上的一塊內存區域，但并不對應于任何物理內存，這塊地址空間即是托管堆。

　　托管堆又根據存儲信息的不同劃分為多個區域，其中最重要的是垃圾回收堆（GC Heap）和加載堆（Loader Heap），GC Heap用于存儲對象實例，受GC管理；Loader Heap又分為High-Frequency Heap、Low-Frequency Heap和Stub Heap，不同的堆上又存儲不同的信息。Loader Heap最重要的信息就是元數據相關的信息，也就是Type對象，每個Type在Loader Heap上體現為一個Method Table（方法表），而Method Table中則記錄了存儲的元數據信息，例如基類型、靜態字段、實現的接口、所有的方法等等。Loader Heap不受GC控制，其生命周期為從創建到AppDomain卸載。

　　在進入實際的內存分配分析之前，有必要對幾個基本概念做以交代，以便更好的在接下來的分析中展開討論。

　　• TypeHandle，類型句柄，指向對應實例的方法表，每個對象創建時都包含該附加成員，并且占用4個字節的內存空間。我們知道，每個類型都對應于一個方法表，方法表創建于編譯時，主要包含了類型的特征信息、實現的接口數目、方法表的slot數目等。

　　• SyncBlockIndex，用于線程同步，每個對象創建時也包含該附加成員，它指向一塊被稱為Synchronization Block的內存塊，用于管理對象同步，同樣占用4個字節的內存空間。

　　• NextObjPtr，由托管堆維護的一個指針，用于標識下一個新建對象分配時在托管堆中所處的位置。CLR初始化時，NextObjPtr位于托管堆的基地址。

　　因此，我們對引用類型分配過程應該有個基本的了解，由于本篇示例中FileStream類型的繼承關系相對復雜，在此本文實現一個相對簡單的類型來做說明：

Code
//@ 2007 Anytao.com 
//http://www.anytao.com
public class UserInfo
{
    private Int32 age = -1;
    private char level = 'A';
}

public class User
{
    private Int32 id;
    private UserInfo user;
}

public class VIPUser : User
{
    public bool isVip;

    public bool IsVipUser()
    {
        return isVip;
    }

    public static void Main()
    {
        VIPUser aUser;
        aUser = new VIPUser();
        aUser.isVip = true;
        Console.WriteLine(aUser.IsVipUser());
    }
}

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另外，實例字段的存儲是有順序的，由上到下依次排列，父類在前子類在后，詳細的分析請參見[第十五回：繼承本質論]。

　　在上述操作時，如果試圖分配所需空間而發現內存不足時，GC將啟動垃圾收集操作來回收垃圾對象所占的內存，我們將以后對此做詳細的分析。

　　• 最后，調用對象構造器，進行對象初始化操作，完成創建過程。該構造過程，又可細分為以下幾個環節：

　　(a)構造VIPUser類型的Type對象，主要包括靜態字段、方法表、實現的接口等，并將其分配在上文提到托管堆的Loader Heap上。

　　(b)初始化aUser的兩個附加成員：TypeHandle和SyncBlockIndex。將TypeHandle指針指向Loader Heap上的MethodTable，CLR將根據TypeHandle來定位具體的Type；將SyncBlockIndex指針指向Synchronization Block的內存塊，用于在多線程環境下對實例對象的同步操作。

　　(c)調用VIPUser的構造器，進行實例字段的初始化。實例初始化時，會首先向上遞歸執行父類初始化，直到完成System.Object類型的初始化，然后再返回執行子類的初始化，直到執行VIPUser類為止。以本例而言，初始化過程為首先執行System.Object類，再執行User類，最后才是VIPUser類。最終，newobj分配的托管堆的內存地址，被傳遞給VIPUser的this參數，并將其引用傳給棧上聲明的aUser。

　　上述過程，基本完成了一個引用類型創建、內存分配和初始化的整個流程，然而該過程只能看作是一個簡化的描述，實際的執行過程更加復雜，涉及到一系列細化的過程和操作。對象創建并初始化之后，內存的布局，可以表示為：

　　由上文的分析可知，在托管堆中增加新的實例對象，只是將NextObjPtr指針增加一定的數值，再次新增的對象將分配在當前NextObjPtr指向的內存空間，因此在托管堆棧中，連續分配的對象在內存中一定是連續的，這種分配機制非常高效。

　　2.3 必要的補充

　　有了對象創建的基本流程概念，下面的幾個問題時常引起大家的思考，在此本文一并做以探索：

　　• 值類型中的引用類型字段和引用類型中的值類型字段，其分配情況又是如何？

　　這一思考其實是一個問題的兩個方面：對于值類型嵌套引用類型的情況，引用類型變量作為值類型的成員變量，在堆棧上保存該成員的引用，而實際的引用類型仍然保存在GC堆上；對于引用類型嵌套值類型的情況，則該值類型字段將作為引用類型實例的一部分保存在GC堆上。在[ 第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理]一文對這種嵌套結構，有較詳細的分析。對于值類型，你只要記著它總是分配在聲明它的地方。

　　• 方法保存在Loader Heap的MethodTable中，那么方法調用時又是怎么樣的過程？

　　如上文所言，MethodTable中包含了類型的元數據信息，類在加載時會在Loader Heap上創建這些信息，一個類型在內存中對應一份MethodTable，其中包含了所有的方法、靜態字段和實現的接口信息等。對象實例的TypeHandle在實例創建時，將指向MethodTable開始位置的偏移處（默認偏移12Byte），通過對象實例調用某個方法時，CLR根據TypeHandle可以找到對應的MethodTable，進而可以定位到具體的方法，再通過JIT Compiler將IL指令編譯為本地CPU指令，該指令將保存在一個動態內存中，然后在該內存地址上執行該方法，同時該CPU指令被保存起來用于下一次的執行。

　　在MethodTable中，包含一個Method Slot Table，稱為方法槽表，該表是一個基于方法實現的線性鏈表，并按照以下順序排列：繼承的虛方法，引入的虛方法，實例方法和靜態方法。方法表在創建時，將按照繼承層次向上搜索父類，直到System.Object類型，如果子類覆寫了父類方法，則將會以子類方法覆蓋父類虛方法。關于方法表的創建過程，可以參考[第十五回：繼承本質論]中的描述。

　　• 靜態字段的內存分配和釋放，又有何不同？

　　靜態字段也保存在方法表中，位于方法表的槽數組后，其生命周期為從創建到AppDomain卸載。因此一個類型無論創建多少個對象，其靜態字段在內存中也只有一份。靜態字段只能由靜態構造函數進行初始化，靜態構造函數確保在類型任何對象創建前，或者在任何靜態字段或方法被引用前執行，其詳細的執行順序請參考相關討論。

　　3. 結論

　　對象創建過程的了解，是從底層接觸CLR運行機制的入口，也是認識.NET自動內存管理的關鍵。通過本文的詳細論述，關于對象的創建、內存分配、初始化過程和方法調用等技術都會建立一個相對全面的理解，同時也清楚的把握了線程棧和托管堆的執行機制。

　　對象總是有生有滅，本文簡述其生，這是個偉大的開始。 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　© 2007 Anytao.com

NET技術：[你必須知道的.NET] 第十九回：對象創建始末（下），轉載需保留來源！

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