大話 .Net 以內存管理

在一次偶然的機會中，我來到了恆生的你們庭。又在一次偶然的機會中，我很榮幸的被勇哥信任並讓我寫一篇季刊的文章。可能人生之中充滿了無數次的偶然機會，咱們只有抓住眼前的「偶然」，才能夠建立人生。當我接到這個任務的時候，有一些激動又有一些懼怕。激動的是我又有機會去分享本身知道的知識了，可是仍是有些懼怕，在恆生中大牛們太多了，寫什麼其實都是沒有什麼技術含量的。在激動和壓力之中，最終仍是寫下了這一篇文章。用此文章來激勵本身和那些當初選擇了c#而轉行的兄弟們。也許有一些地方說的不是很正確，但願讀者不吝賜教。個人我的郵箱是：codeany@163.com。

讀者類型：

這篇文章適應的讀者爲：未學習過c#、剛學c#、或者從未系統的學習過c#底層的程序員。

專業術語解析：

       GC堆：Garbage Collection，在c#中，當沒有變量指向一塊GC堆的內存時，他不會當即把這塊內存回收，而是等到系統在合適的時間去回收這一塊內存。

       LOH堆：Large Object Heap，用於分配大對象實例。若是引用類型對象的實例大小不小於85000字節時，該實例將被分配到LOH堆上，不一樣於GC堆，垃圾收集器不會對LOH堆進行壓縮。

類型句柄：TypeHandle，TypeHandle指向相關連的類型的MethodTable。任何一個聲明瞭的類型都僅有一個MethodTable, 而且全部一樣類型對象的實例都指向同一份MethodTable。

SyncBlockIndex：指針指向Synchronization Block的內存塊，用於在多線程環境下對實例對象的同步操做。

       IL代碼：Intermediate Language，IL是.NET框架中中間語言的縮寫。在.NET中支持的語言有C#、VB、F#等等，可是這些高級語言，最終生成IL代碼，最後經過IL代碼解析器解析，從而實現多語言的開發。

拆箱裝箱：在c#中，若是把值類型轉化爲引用類型叫作裝箱，反之若是把引用類型轉化爲值類型叫作拆箱。裝箱和拆箱的操做都是很是耗性能的，全部咱們平時編程的時候儘可能避免裝箱拆箱的操做。

簡單的new提及

提及 new 我想你們並不會陌生，雖然我沒有去深刻的學習過java、c、c++的new，可是我想在這裏和你們分享一下我自個認爲的c#的new。在new以前咱們仍是先建立一個class類，對於程序員來講，最好的解釋莫過於代碼，那我就直接看代碼吧：

/// <summary>

    /// 定義一個用戶信息的類

    /// </summary>

    public class UserInfo {

        public Int32 age = 12;          // 用戶的年齡

        public char sex = 'M';         // 用戶的性別

    }

 

    /// <summary>

    /// 用來定義一個用戶類

    /// </summary>

    public class Person {

        public Int32 id = 09397;           // 用戶的id號

        public UserInfo user;          // 用戶信息

    }

 

    /// <summary>

    /// 從用戶類中繼承獲得一個恆生用戶類

    /// </summary>

    public class HsPerson : Person {

        public bool isGood = true;      // 是不是優秀 這裏默認是優秀的

}

 

我想上面的代碼你們必定不會陌生，並且確定每一個人都會有多多少少寫過相似的代碼。那咱們今天也就從這些代碼轉入咱們的正題。首先咱們能夠考慮一個問題，咱們本身建立的類佔用了多少內存，而且在內存中是如何分配的。好吧，我想有的人必定會說這個還不簡單，直接調用sizeof來計算佔用空間大小不就解決問題了。其實當初我也是這麼想的，可是很是遺憾的告訴你，在c#中sizeof是計算值類型大小的。可是咱們本身建立的類是引用類型。因此問題並不會這麼簡單。可是咱們能夠手動的計算獲得咱們須要的答案。在計算以前咱們先來看一下什麼叫值類型、引用類型。

值類型與引用類型(參考微軟的MSDN)：

值類型：

若是數據類型在它本身的內存分配中存儲數據，則該數據類型就是「值類型」。 值類型包括：

• 全部數字數據類型
• Boolean 、Char 和 Date
• 全部結構，即便其成員是引用類型
• 枚舉，由於其基礎類型老是 SByte、Short、Integer、Long、Byte、UShort、UInteger 或 ULong

每一個結構是值類型，所以，即便它包含引用類型成員。 所以，值類型 (如 Char 和 Integer 由 .NET framework 結構實現。

能夠經過使用保留關鍵字（例如 Decimal）聲明值類型。 也可使用 New 關鍵字初始化值類型。 這對於值類型有一個帶參數的構造函數的狀況尤其有用。此示例有 Decimal(Int32, Int32, Int32, Boolean, Byte) 構造函數，它從提供的部分生成新的 Decimal 值。

 

引用類型：

「引用類型」包含指向存儲數據的其餘內存位置的指針。 引用類型包括：

• String
• 全部數組，即便其元素是值類型
• 類類型，如 Form
• 委託

類是一種「引用類型」。 所以，諸如 Object 和 String 之類的引用類型都受 .NET Framework 類支持。 請注意，每一個數組都是一種引用類型，即便其成員是值類型。

在瞭解了值類型和引用類型以後，咱們迴歸到咱們的本文的正題。值類型的變量保存到內存的線程的堆棧中；而引用類型的變量會保存到託管堆中，其中這裏說的託管堆又能夠分爲GC堆、LOH堆。其中GC堆、LOH堆是根據建立的對象的大小來分配到不一樣的堆中的，判斷的平衡點是這個對象是否超過85000字節，若是小於85000字節，則系統把對象保存到GC堆中;若是大於或者等於85000字節，則系統保存到LOH堆中（通常LOH建立的對象是數組）。因此咱們常說的託管堆就是指GC堆和LOH堆的集合。固然，我這裏寫的也不是徹底正確的，其實在c#中建立對象是一個很是複雜過程，當中會涉及到系統程序域、共享程序域和默認程序域等等。我這麼寫只是想把問題簡單化，讓更多地人先了解一個大概的過程。

接下來咱們來開始計算一下第一個問題——對象佔用了多少空間，在UserInfo中咱們定義了一個int32的age（4byte），一個char的sex（2byte），在Person中咱們定義了int32的id(4byte)，指針類型的user（4byte）類型，在HsPerson中咱們繼承了Person類，並添加了bool的isGood（1byte），因此咱們一共佔用了4+2+4+4+1=15byte。其實計算並無結束，實例對象所佔字節數還要加上對象附加成員所需的字節總數，其中附加成員包括TypeHandle和SyncBlockIndex，共計8Byte（在32位CPU平臺下面），因此咱們一共佔用了23byte字節。然而在堆上分配的內存老是按照4byte的整數倍，因此最後咱們能夠得知咱們在GC堆上要了24byte空間（咱們建立的對象通常是不會超過85000byte字節的，全部大部分都是在GC堆中，有一些特別大的數組byte[85000]，此事CLR就會把它保存到LOH堆中）。第二個問題解答從里氏替換原則圖中找答案吧！

里氏替換內存管理

在上面的類的基礎上，咱們來建立幾個對象，來看看內存是怎麼分配的。

static void Main(string[] args)

{

// 完成一個簡單的 class 操做

    HsPerson hs = new HsPerson();

    hs.user = new UserInfo();

    Console.WriteLine(@"顯示信息1：

                          用戶{0}優秀

                          用戶id號是{1}

                          用戶年齡是{2}

                          用戶性別是{3}

                   ",hs.isGood==true?"是":"不是",hs.id,hs.user.age,hs.user.sex);

 

    // 引入一個難點 --氏替換原則

    Person hsperson = hs;

 

   //下面這樣子打印會出錯

    /*Console.WriteLine(@"顯示信息2：

                            用戶{0}優秀

                            用戶id號是{1}

                            用戶年齡是{2}

                            用戶性別是{3}",

hsperson.isGood == true ? "是":"不是",hsperson.id, hsperson.user.age, hsperson.user.sex);*/

   Console.WriteLine(@"顯示信息2：

                          {0}

                          用戶id號是{1}

                          用戶年齡是{2}

                          用戶性別是{3}

                        ", "這裏因爲變量hsperson指向變量範圍的控制，讀取不到isGood 字段", hsperson.id, hsperson.user.age, hsperson.user.sex);

           

     Console.ReadKey();

}

　　

 

圖 里氏替換內存分配圖

這裏有一點但願你們不要誤解，就是我把Person類放到了HsPerson類中，這樣只是方便的讓讀者更好地理解里氏替換原則的一些細節（實際上Person類也是在一塊連續的GC堆中）。咱們仍是一邊從代碼分析，一邊從圖分析，首先咱們聲明瞭一個hs類型爲HsPerson的變量，這個變量會在線程堆棧中佔用4byte的空間，緊接着咱們用new在GC堆中建立了一個HsPerson的實例，其實咱們用「=」把這個建立的對象的實例的地址告訴了變量hs，此時變量已經初始化完成了。緊接着咱們建立了一個hsperson類型爲Person的類，而且從hs的變量中把地址拿過來也做爲本身的對象的地址。可是奇怪的問題發生了，咱們不能夠用hsperson去調用isGood這個字段。爲何呢？其實這個是變量的偏移量在搞鬼，當咱們建立變量的同時已經告訴了這個對象他能夠有多少的偏移量，hs他具備訪問全部的HsPerson這個對象的偏移量，而hsperson他只具備訪問在HsPerson中的Person的偏移量。可能你還不是很明白，那我這裏舉一個例子，假如咱們有一根1米的棒子，去摘樹上的桃子，那麼咱們就只能摘到1米如下的桃子，而當咱們去摘1米以上的桃子時，此時編譯器就會報錯，告訴咱們超越咱們能力了。（這裏咱們去掉了我的身高也去掉了有些特殊的方法去摘桃），因此當咱們想要摘到全部的桃子，咱們只須要有一根最高桃子樹高度的棒子就能夠了。可是這樣你的變量可能擁有了所有的訪問權限，可是在面向對象的編程之中，咱們提倡基於接口編程，這樣只須要對象訪問到本身高度的桃子並可以完成任務就能夠了。 固然里氏替換用的最爲普遍的應該是動態的調用對象了（因爲不是本文重點，就不一一展開了）。

原本還想寫一些IL代碼分析內存、拆箱裝箱內存知識，因爲時間有限，就先寫到這裏，若是你該興趣，我能夠和你在私下交流。寫了這麼多，我只是想告訴你在c#中對象的建立是個複雜的過程，主要包括內存分配和初始化兩個環節。

參考：

http://www.cnblogs.com/anytao/

http://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/dd229211.aspx

http://www.cnblogs.com/dudu/

http://www.cnblogs.com/artech/archive/2010/10/20/CLR_Memory_Mgt_01.html

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/x9h8tsay.aspx

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/t63sy5hs