5.2 对象创建始末

本节将介绍以下内容：

— 对象的创建过程

— 内存分配分析

— 内存布局研究

5.2.1 引言

了解.NET的内存管理机制，首先应该从内存分配开始，也就是对象的创建环节。对象的创建，是个复杂的过程，主要包括内存分配和初始化两个环节。在本章开篇的示例中，对象的创建过程为：

FileStream fs = new FileStream(@"C:\temp.txt", FileMode.Create);

通过new关键字操作，即完成了对FileStream类型对象的创建过程，这一看似简单的操作背后，却经历着相当复杂的过程和波折。

本篇全文，正是对这一操作背后过程的详细讨论，从中了解.NET的内存分配是如何实现的。

5.2.2 内存分配

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：

l 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。

l 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，详见后文讲述。

l 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。这种设计方案是对垃圾回收性能的优化考虑。

本节讨论的重点是.NET的内存分配机制，因此下文将不加说明的以GC堆上的分配为例来展开。关于值类型和引用类型的论述，请参见本书4.2节“品味类型——值类型与引用类型”。

了解了内存分配的区域，接着我们看看有哪些操作将导致对象创建和内存分配的发生，在本书3.4节“经典指令解析之实例创建”一节中，详细描述了关于实例创建的多个IL指令解析，主要包括：

l newobj，用于创建引用类型对象。

l ldstr，用于创建string类型对象。

l newarr，用于分配新的数组对象。

l box，在值类型转换为引用类型对象时，将值类型字段拷贝到托管堆上发生的内存分配。

在上述论述的基础上，我们将从堆栈的内存分配和托管堆的内存分配两个方面来分别论述.NET的内存分配机制。

1．堆栈的内存分配机制

对于值类型来说，一般创建在线程的堆栈上。但并非所有的值类型都创建在线程的堆栈上，例如作为类的字段时，值类型作为实例成员的一部分也被创建在托管堆上；装箱发生时，值类型字段也会拷贝在托管堆上。

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，也就表示入栈时栈顶向低地址扩展，出栈时，栈顶向高地址回退。以下例而言：

public void MyCall()

{

int x = 100;

char c = 'A';

}

当程序执行至MyCall方法时，假设此时线程栈的初始地址为50000，因此堆栈指针开始指向50000地址空间。方法调用时，首先入栈的是返回地址，也就是方法执行之后的下一条可执行语句的地址，用于方法返回之后程序继续执行，如图5-1所示。

图5-1 栈上的内存分配

然后是整型局部变量x，它将在栈上分配4Byte的内存空间，因此堆栈指针继续向下移动4个字节，并将值100保存在相应的地址空间，同时堆栈指针指向下一个自由空间，如图5-2所示。

图5-2 栈上的内存分配

接着是字符型变量c，在堆栈上分配2Byte的内存空间，因此堆栈指针向下移动2个字节，值‘A’会保存在新分配的栈上空间，内存的分配如图5-3所示。

图5-3 栈上的内存分配

最后，MyCall方法开始执行，直到方法体执行结束，执行结果被返回，栈上的存储单元也被自行释放。其释放过程和分配过程刚好相反：首先删除c的内存，堆栈指针向上递增2个字节，然后删除x的内存，堆栈指针继续向上递增4个字节，最终的内存状况如图5-4所示，程序又将回到栈上最初的方法调用地址，继续向下执行。

图5-4 栈上的内存分配

其实，实际的分配情况是个非常复杂的分配过程，同时还包括方法参数，堆引用等多种情形的发生，但是本例演示的简单过程基本阐释了栈上分配的操作方式和过程。通过内置于处理器的特殊指令，栈上的内存分配，效率较高，但是内存容量不大，同时栈上变量的生存周期由系统自行管理。

_注意

上述执行过程，只是一个简单的模拟情况，实际上在方法调用时都会在栈中创建一个活动记录（包含参数、返回值地址和局部变量），并分配相应的内存空间，这种分配是一次性完成的。方法执行结束返回时，活动记录清空，内存被一次性解除。而数据的压栈和出栈是有顺序的，栈内是先进先出（FILO）的形式。具体而言：首先入栈的是返回地址；然后是参数，一般以由右向左的顺序入栈；最后是局部变量，依次入栈。方法执行之后，出栈的顺序正好相反，首先是局部变量，再是参数，最后是那个地址指针。

2．托管堆的内存分配机制

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用于存储类型系统，又分为High-Frequency Heap、Low-Frequency Heap和Stub Heap，不同的堆上存储不同的信息。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。

在进入实际的内存分配分析之前，有必要对几个基本概念做个交代，以便更好地在接下来的分析中展开讨论。

TypeHandle，类型句柄，指向对应实例的方法表，每个对象创建时都包含该附加成员，并且占用4个字节的内存空间。我们知道，每个类型都对应于一个方法表，方法表创建于编译时，主要包含了类型的特征信息、实现的接口数目、方法表的slot数目等。

SyncBlockIndex，用于线程同步，每个对象创建时也包含该附加成员，它指向一块被称为Synchronization Block的内存块，用于管理对象同步，同样占用4个字节的内存空间。

NextObjPtr，由托管堆维护的一个指针，用于标识下一个新建对象分配时在托管堆中所处的位置。CLR初始化时，NextObjPtr位于托管堆的基地址。

因此，我们对引用类型分配过程应该有个基本的了解，由于本篇示例中FileStream类型的继承关系相对复杂，在此本节实现一个相对简单的类型来做说明：

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());

}

将上述实例的执行过程，反编译为IL语言可知：new关键字被编译为newobj指令来完成对象创建工作，进而调用类型的构造器来完成其初始化操作，在此我们详细的描述其执行的具体过程。

首先，将声明一个引用类型变量aUser：

VIPUser aUser;

它仅是一个引用（指针），保存在线程的堆栈上，占用4Byte的内存空间，将用于保存VIPUser对象的有效地址，其执行过程正是上文描述的在线程栈上的分配过程。此时aUser未指向任何有效的实例，因此被自行初始化为null，试图对aUser的任何操作将抛出NullReferenceException异常。

接着，通过new操作执行对象创建：

aUser = new VIPUser();

如上文所言，该操作对应于执行newobj指令，其执行过程又可细分为以下几步：

（a）CLR按照其继承层次进行搜索，计算类型及其所有父类的字段，该搜索将一直递归到System.Object类型，并返回字节总数，以本例而言类型VIPUser需要的字节总数为15Byte，具体计算为：VIPUser类型本身字段isVip（bool型）为1Byte；父类User类型的字段id（Int32型）为4Byte，字段user保存了指向UserInfo型的引用，因此占4Byte，而同时还要为UserInfo分配6Byte字节的内存。

（b）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）。因此，需要在托管堆上分配的字节总数为23字节，而堆上的内存块总是按照4Byte的倍数进行分配，因此本例中将分配24字节的地址空间。

（c）CLR在当前AppDomain对应的托管堆上搜索，找到一个未使用的24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24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aUser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。

另外，实例字段的存储是有顺序的，由上到下依次排列，父类在前子类在后，详细的分析请参见1.2节“什么是继承”。

在上述操作时，如果试图分配所需空间而发现内存不足时，GC将启动垃圾收集操作来回收垃圾对象所占的内存，我们将在下一节对此做详细的分析。

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：

（a）构造VIPUser类型的Type对象，主要包括静态字段、方法描述、实现的接口等，并将其分配在上文提到托管堆的Loader Heap上。

（b）初始化aUser的两个附加成员：TypeHandle和SyncBlockIndex。将TypeHandle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。

（c）调用VIPUser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VIPUser类为止。以本例而言，初始化过程首先执行System.Object类，再执行User类，最后才是VIPUser类。最终，newobj分配的托管堆的内存地址，被传递给VIPUser的this参数，并将其引用传给栈上声明的aUser。

关于构造函数的执行顺序，本书在7.8节“动静之间：静态和非静态”一节有较为详细的论述。

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，涉及一系列细化的过程和操作。对象创建并初始化之后，内存的布局，可以表示为图5-5。

图5-5 堆上的内存分配

由上面的分析可知，在托管堆中增加新的实例对象，只是将NextObjPtr指针增加一定的数值，再次新增的对象将分配在当前NextObjPtr指向的内存空间，因此在托管堆栈中，连续分配的对象在内存中一定是连续的，这种分配机制非常高效。

3．必要的补充

有了对象创建的基本流程概念，下面的几个问题时常引起大家的思考，在此本节一并做以探索：

l 值类型中的引用类型字段和引用类型中的值类型字段，其分配情况又是如何？

这一思考其实是一个问题的两个方面：对于值类型嵌套引用类型的情况，引用类型变量作为值类型的成员变量，在堆栈上保存该成员的引用，而实际的引用类型仍然保存在GC堆上；对于引用类型嵌套值类型的情况，则该值类型字段将作为引用类型实例的一部分保存在GC堆上。本书在4.2节“品味类型——值类型与引用类型”一节对这种嵌套结构，有较详细的分析。

l 方法保存在Loader Heap的MethodTable中，那么方法调用时又是怎样的过程呢？

如上所言，MethodTable中包含了类型的元数据信息，类在加载时会在Loader Heap上创建这些信息，一个类型在内存中对应一份MethodTable，其中包含了所有的方法、静态字段和实现的接口信息等。对象实例的TypeHandle在实例创建时，将指向MethodTable开始位置的偏移处（默认偏移12Byte）。通过对象实例调用某个方法时，CLR根据TypeHandle可以找到对应的MethodTable，进而可以定位到具体的方法，再通过JIT Compiler将IL指令编译为本地CPU指令，该指令将保存在一个动态内存中，然后在该内存地址上执行该方法，同时该CPU指令被保存起来用于下一次的执行。

在MethodTable中，包含一个Method Slot Table，称为方法槽表，该表是一个基于方法实现的线性链表，并按照以下顺序排列：继承的虚方法、引入的虚方法、实例方法和静态方法。方法表在创建时，将按照继承层次向上搜索父类，直到System.Object类型，如果子类覆写了父类方法，则将会以子类方法覆盖父类虚方法。关于方法表的创建过程，可以参考2.2节“什么是继承”中的描述。

l 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，其详细的执行顺序在7.8节“动静之间：静态和非静态”有所讨论。