[CLR via C#]4. 类型基础及类型、对象、栈和堆运行时的相互联系

原文:[CLR via C#]4. 类型基础及类型、对象、栈和堆运行时的相互联系

　　CLR要求所有类型最终都要从System.Object派生。也就是所，下面的两个定义是完全相同的，

//隐式派生自System.Object
class Employee {
    .....
}

//显示派生子 System.Object
class Employee : System.Object {
  .....
}

　　由于所有类型最终都是从System.Object派生的，所以可以保证每个类型的每个对象都有一组最基本的方法。

　　System.Object提供了如下所示的公共实例方法。　　

Equals(Object)	确定指定的对象是否等于当前对象。如果两个对象具有相同值就返回ture.
GetHashCode	返回对象的值得一个哈希码。如果某个类型的对象要在哈希表集合中作为key使用，该类型应该重写这个方法。方法应该为不同的对象提供一个良好的分布。
ToString	该方法默认返回类型的完整名称(this.GetType().FullName)。
GetType	返回从Type派生的一个对象的实例，指出调用GetType的那个对象是什么类型。返回的Type类型可以与反射类配合使用，从而获取与对象的类型相关的元数据信息。

　　

　　System.Object的受保护方法　　

MemberwiseClone	这个非虚方法能创建类型的一个新实例，并将对象的实例字段设为与this对象的实例字段完全一致。返回的是对新实例的一个引用
Finalize	在垃圾回收器判断对象应该被作为垃圾收集之后，在对象的内存被实际回收之前，会调用这个虚方法。需要在回收之前执行一些清理工作的类型应该重写这个方法。

　　

　　CLR要求所有对象都是用new操作符来创建。比如　　

Employee e = new Employee("ConstructorParam1");

　　以下是new操作符所做的事情：

　　1）它计算类型及其所有基类型（一直到System.Object）中定义的所有实例需要的字节数。堆上的每个对象都需要一些额外的开销成员——"类型对象指针(type object pointer)"和"同步块索引"(sync block index)。这些成员由CLR用于管理对象。这些额外成员的字节数会计入对象大小。

　　2）它从托管堆中分配指定类型要求的字节数，从而分配对象的内存，分配的所有字节都设为零(0)。

　　3）它初始化对象的"类型对象指针"和"同步块索引"成员。

　　4）调用类型的实例构造器，向其传入对new的调用中指定的任何实参(本例中是"ConstructorParam1")。大多数编译器都在构造器中自动生成代码来调用一个基类的构造器。每个类型的构造器在被调用时，都要负责初始化这个类型定义的实例字段。最后调用的是System.Object的构造器，该构造器只是简单的返回，不会做其它任何事情。

　　new 执行了所有的操作后，会返回执行新建对象的一个引用。在本例中，这个引用会保存到变量e中，具有Employee类型。

　　注意：上面提到过"类型对象指针"，类型对象不是类型的对象/实例，这两者是有区别的。

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　　CLR最重要特性之一就是类型的安全性。在运行时，CLR始终知道一个对象的类型，可以调用GetType方法，得到对象的类型。

　　CLR允许将一个对象转换为它的实际类型或者它的任何基类型。

　　C#不要求使用特殊语法即可将一个对象转换为它的任何及类型，因为向基类型的转换被认为是一种安全的隐式转换。但是，将对象转换为它的某个派生类时，C#要求开发人员只能进行显示转换，因为这样的转换在运行时可能失败。

   public static void Main() {
      // 不需要转型
      Object o = new Employee();

      // 需要进行强制类型转换
      Employee e = (Employee) o;
   }

　　在C#语言中进行类型转换的另一种方式是使用is操作符。is操作符检查一个对象是否兼容指定的类型，并返回一个Boolean值（true和false）。注意，is操作符是不会返回异常信息的。

　　is操作符通常这样使用:

　　if ( o is Employe ){
       Employee e = (Employee) o;
　　}

　　在这段代码中，CLR实际是会检查两次对象的类型。is操作符首先核实o是否兼容Employee类型。如果是，在if内部，CLR还会再次核实o是否引用一个Employee。CLR的类型检查增强的安全性，但无疑也会对性能造成一定影响。

　　C#专门提供了 as 操作符，目的就是简化这种代码的写法，同时提升性能。

　　as操作符通常这样使用:

　　Employee e = o as Employee;
　　if ( e != null ){
    　　//在if中使用e
　　}

　　as操作符的工作方式与强制类型转换一样，只是它是不会抛出异常的，如果不能转化，结果就是null。所以，正确的做法就是检查最终生成的引用是否为null。如果企图直接使用转换后的引用，就会抛出异常。

 

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　　 命名空间(namespace)用于对相关的类型进行逻辑分组，开发人员使用命名空间来方便的定位一个类型。

　　命名空间和程序集不一定是相关的,也就是说它们之间没有必然联系。

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　　现在将解释类型、对象、线程栈和托管堆在运行时的相互联系。此外，还将解释调用静态方法、实例方法和虚方法的区别。

　　我们先从线程栈开始。

　　1. 图4-2展示了已加载了CLR的一个Windows进程。在这个进程中，可能存在多个线程。一个线程创建时，会分配到一个1MB大小的栈。这个栈的空间用于向方法传递实参，并用于方法内部定义的局部变量。图4-2展示了一个线程的栈内存(右侧)。栈是从高地址向低地址构建的。在图中，线程已执行了一些代码，现在，假定线程开始执行的代码要调用M1方法了。

　　

　　2. 在一个最基本的方法中，会有一些"序幕"代码，负责在方法开始时做它工作之前对其进行初始化。另外，还包括了"尾声"代码，负责在方法完成工作之后对其进行清理，然后才返回至调用者。M1方法开始执行时，它的"序幕"代码就会在线程栈上分配局部变量name的内存，如图4-3所示。

　　

　　3. 然后，M1调用M2的方法，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栈(参见图4-4)。在M2方法内部，将使用名为s的参数变量来标识栈位置(有的CPU架构会通过寄存器来传递实参，以提高性能)。另外，调用一个方法时，还会将一个"返回地址"压入栈中。被调用的方法在结束后，应该返回到这个位置(同样参见图4-4)。

　　

　　4. M2的方法开始执行时，它的"序幕"代码就是在线程栈中为局部变量length和tally分配内存。如图4-5所示。

　　

　　5. 然后，M2方法内部的代码开始执行。最后，M2抵达它的return语句，造成CPU的指令指针被设置成栈中的返回地址，而且M2的栈帧会展开，

使之看起来类似于图4-3。之后，M1将继续执行在M2调用之后的代码，M1的栈帧将准确反映M1需要的状态。

 　　

　　6. 最后，M1会返回到它的调用者。同样的是通过CPU的指令指针设置成返回地址来实现的(这个返回地址在图中未显示，但它应该刚好在栈中的name实参上方)，而且M1的栈帧会展开，使之看起来类似于图4-2。之后，调用了M1的方法会继续执行在M1之后的代码，那个方法的栈帧将准确反映它需要的状态。

　　

　　CLR运作关系

　　1. 假定现在有以下两个类的定义：

　　

internal class Employee {
    public               int32         GetYearsEmployed()       { ... }
    public    virtual    String        GenProgressReport()      { ... }
    public    static     Employee      Lookup(String name)      { ... }
}
internal sealed class Manager : Employee {
    public    override   String         GenProgressReport()    { ... }
}

　　2. 我们的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的栈空间）。该线程已执行了一些代码，现在马上就要调用M3的方法。图4-6展示了目前的状况。M3方法包含的代码演示了CLR是如何工作的。

　　　

　　3. 当JIT编译器将M3的IL代码转换成为本地CPU指令时，会注意到M3的内部引用的所有类型：Employee、Int32、Manager以及String（因为"Joe"）。这个时候，CLR要确保定义了这些类型的所有程序集都已经加载。然后，利用这些程序集的元数据，CLR提取与这些类型有关的信息，并创建一些数据结构表示类型本身。图4-7展示了为Employee和Manager类型对象使用的数据结构。由于这个线程在调用M3之前已经执行了一些代码，所有不妨假定Int32和String类型对象已经创建好了，所以图中没有显示它们。

 　　

　　4. 先前提过，堆上的所有对象上都包含两个额外的成员："类型对象指针"和"同步块索引"。如图4-7所示，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。为这些静态字段数据提供支持的字节是在类型对象自身中分配到的。在每个类型对象中，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记录项。由于Employee有3个方法就有3个记录项，Manager只有一个方法，也就只有一个记录项。

　　

 　　

　　5. 现在，当CLR确定方法需要的所有类型对象都已经创建了，而且M3的代码也已经编译好了，就允许线程开始执行M3的本地代码。M3的"序幕"代码执行时，必须在线程栈中为局部变量分配内存，如4-8所示。作为方法的"序幕"代码的一部分，CLR会自定将所有局部变量初始化为null或零(0)。

 　　

　　6. 然后，M3执行它的代码来构造一个Manager对象。这就会在托管堆中创建Manager类型的一个实例(也就是Manager对象)。如4-9所示。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(Employee和Object)定义的所有实例字段。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"，让它引用(或指向)与对象对应的类型对象(本例就是Manager类型对象)。此外，CLR会先初始化"同步块索引"，并将对象的所有实例字段设为nll或为零(0)，在调用类型的构造器(它本质上是可能修改某些实例字段的一个方法)。new操作符会返回Manager对象的内存地址，该内存地址保存在变量e中(e在线程栈上)。

 　　

　　7. M3的下一行代码调用Employee的静态方法Lookup。调用一个静态方法时，CLR会定位到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被调用的方法对应的记录项，对该方法进行JIT编译(如果需要的话)，再调用JIT编译后的代码。就本例，假定Enployee的Lookup方法要查询数据中的Joe。另外，假定数据库中指出Joe是为Manager，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，然后返回该对象的地址。这个地址保存在局部变量e中。如图4-10所示。值得注意的是，e不再引用第一个Manager对象。事实上，由于没有变量引用第一个Manager对象，所以它是将来进行垃圾回收时的主要目标。

　　

　　8. M3的下一行调用Employee的非虚实例方法GetYearsEmployed。调用一个非虚实例方法时，JIT编译器会找到与"发出调用的那个变量(e)的类型(Emplyee)"对应的类型对象(Employee类型对象)。在本例中，变量e被定义成为一个Employee。如果Employee类型没有定义这个方法，JIT编译器会回溯类层次结构(一直到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，但在图中没有显示。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(如果需要的话)，再调用JIT编译后的调用。在本例中，假定Employee的GetYearsEmployed方法返回5,。这个整数就保存在局部变量year中。如图4-11所示。

　　

　　9. M3的下一行代码调用Empolyee的虚实例方法GenProgressReport。调用一个虚实例方法时，JIT编译器要在方法中生成一些额外代码；方法每次调用时，都会执行这些代码。这些代码首先检查发出调用的变量，然后跟随地址来到发出调用的对象。在本例中，变量e引用的是代表"Joe"的一个Manager对象。然后，代码检查对象内出的"类型对象指针"成员，这个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(如果需要的话)，再调用JIT编译后的代码。在本例中，由于e引用了一个Manager对象，所以会调用Manager的GenProgressReport实现。如图4-12所示。

　　

　　总结：

　　注意，在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？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4-13。

　　

　　当然，System.Type类型对象本身也是一个对象，内部也有一个"类型对象指针"成员。那么这个指针指向的是什么呢？它指向它本身，因为System.Type类型对象本身就是一个类型对象的"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。System.Object的GetType方法返回的是存储在指定对象的"类型对象指针"成员中的地址。也就是说，GetType方法返回的是指向对象的类型对象的一个指针。这样一来，就可以判断系统中任何对象(包括类型对象本身)的真实类型。

　　

 

 

 

 

GetType