C# 类型、对象、线程栈和托管堆在运行时的关系

我们将讨论类型、对象、线程栈和托管堆在运行时的相互关系，假定有以下两个类定义：

internal class Employee
    {
        public int GetYearsEmployed()
        {
            return 1;
        }
        public virtual string GetProgressReport()
        {
            return "zhengwei";
        }
        public static Employee Lookup(string name)
        {
            Employee e = new Manager();
            return e;
        }
    }

internal sealed class Manager : Employee
    {
        public override string GetProgressReport()
        {
            return "overrid zhengwei";
        }
    }

Windows 进程已启动，CLR已加载到其中，托管堆已初始化，而且已创建一个线程（连同它的1MB栈空间）。线程已执行了一些代码，马上就要调用M3方法。图1展示了目前的状态。Main方法包含的代码演示了CLR是如何工作的。

JIT编译器将Main的IL代码转换成本机的CPU指令，会注意到Main内部引用的所有类型，包括Employee，Int32,Manager以及String。 这时CLR要确认定义了这些类型的所有程序集都已加载。然后，利用程序集的元数据，CLR提取与这些类型有关的信息，

创建一些数据结构来表示类型本身。图2展示了为Employee和Manager类型对象使用的数据结构。由于线程在调用Main前已执行了一些代码，所以Int32和string类型对象已经创建好了，图中没有显示它们。

    现在我们讨论一一这些类型对象，我们在堆上创建的对象都包含两个额外的成员：类型对象指针和同步块索引。图2中Employee和Manager类型对象都有这两个成员。定义类型时，可在类型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在类型对象自身中分配。每个类型对象最后都包含一个方法表。在方法表中。类型定义的每个方法都有对应的记录项。由于Employee定义了3个方法，所以有3个记录项。Manager类型只定义了1个方法，所以Manager的方法表只有1个记录项。

    当CLR确认方法需要的所有类型对象都已创建，Main的代码已经编译之后，就允许线程执行Main的本机代码。Main代码执行时必须在线程栈中为局部变量分配内存，如图3 所示CLR自动将所有局部变量初始化为NULL或0，然而，如果代码试图访问尚未显式初始化的局部变量，C#会报错。

    然后，Main执行代码构造一个Manager对象。这造成在托管堆创建Manager类型的一个实例，如图4所示，可以看出，和所有对象一样，Manager对象也有类型对象指针和同步块索引。该对象还包含必要的字节来容纳Manager类型定义的所有实例数据字段，以及容纳由Manager的任何基类（本例就是Employee和Object）定义的所有实例字段。任何时候在堆上新建对象，CLR都自动初始化内部的“类型对象指针”成员来引用和对象对应的类型对象（本例就是Manager类型对象）。此外，在调用类型的构造器之前，CLR会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。new 操作符返回Manager对象的内存地址，该地址保存到变量e中（e在线程栈上）。

 

     Main的下一行代码调用Employee的静态方法Lookup。调用静态方法时，CLR会定位与定义静态方法的类型对应的类型对象。然后，JIT编译器在类型对象的方法表中查找与初调用方法对应的记录项，对方法进行JIT编译，再调用JIT编译好的代码。本例假定Employee的Lookup方法要查询数据库来查找joe，再假定数据库指出的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，用joe的信息初始化它，返回该对象的地址。该地址保存到局部变量e 中。这个操作的结果如图5.

注意，e不再引用第一个Manager对象。事实上，由于没有变量引用该对象，所以它是未来垃圾回收的主要目标。垃圾回收机制将自动回收该对象占用的内存。

 

     Main调用Employee的非虚实例方法GetYearsEmployed。调用非虚实例方法时，JIT编译器会找到与“发出调用的那个变量（e）的类型（Employee）”对应的类型对象（Employee类型对象）。这时变量e初定义成一个Employee。如果Employee类型没有定义正在调用的那个方法，JIT编译器会回溯类层次结构（一直回溯至Object），并在沿途的每个类型中查找该方法。之所以能这样回溯，是因为每个类型对象都有一个字段引用了它的基类型，这个信息在图中没有显示。

     然后，JIT编译器在类型对象的方法表中查找引用了被调用方法的记录项，对方法进行JIT编译，再调用JIT编译好的代码。本例假定Employee的GetYearsEmployed方法返回1。这个整数保存到局部变量year中。如图6所示。

    Main调用Employee的虚实例方法GetProgressReport。调用虚实例方法时，JIT编译器要在方法中生成一些额外的代码。方法每次调用都会执行这些代码。这些代码首先检查发出调用的变量，并跟随地址来到发出调用的对象，然后，代码检查对象的内部的“类型对象批针成员”，该成员指向对象的实际类型。然后代码在类型对象的方法表中查找引用了被调用方法的记录项，对方法进行JIT编译，再调用JIT编译好的代码。由于目前e引用一个Manager对象，所以会调用Manager的GetProgressReport实现。

    至此，我们已经讨论了源代码、IL和JIT编译的代码之间的关系。还讨论了线程栈、实参、局部变量以及这些实参和变量如何引用托管堆上的对象。还知道对象含有一个指针指向对象的类型对象（类型对象中包含静态字段和方法表）。还讨论了JIT编译器如何决定静态方法、非虚实例方法以及实例方法的调用方式。理解这一切之后，可以深刻地认识CLR的工作方式。以后在建构、设计和实现类型、组件以及应用程序时，这些知识会带来帮助。

    下面，我们将深入控计一下CLR内部发生的事情。

    注意Employee和Manager类型对象都包含“类型对象指针”成员。这是由于类型对象本质上也是对象。CLR创建类型对象时，必须初始化这些成员。初始化成什么呢？你肯定会这样问。CLR开始在一个进程中运行时，会立即为MSCorLib.dll中定义的System.Type类型创建一个特殊的类型对象。Employee和Manager类型对象都是该类型的“实例”。因此，它们的类型对象指针成员会初始化成对System.Type类型对象的引用。如图7所示

    当然，System.Type类型对象本身也是对象，内部也有“类型对象指针”成员。这个指针指向什么？它指向本身，因为System.Type类型对象本身是一个类型对象的“实例”。现在，我们总算理解了CLR的整个类型系统及其工作方式。

顺便说一句，System.Object的GetType方法返回存储指定对象的“类型对象指针”成员中的地址。也就是说，GetType方法返回指向对象的类型对象指针。这样就可判断系统中任何对象的真实类型。