.Net CLR运行时的相互关系

昨天同事在部门分享中谈到了Android的虚拟机机制。正好想到我在学习.Net CLR的时候研究过CLR运行时的相互关系,所以拿出来分享一下。

我们在本文中要搞清楚类型,对象,线程栈,托管堆的关系。

首先你需要对内存管理、.net框架和.net clr有个基本的了解。.net框架

线程栈

我们先来看看一个加载了CLR的Microsoft Windows的进程。一个进程可能会有多个线程。一个线程创建时,会分配到1MB大小的栈。
作用

  • 保存向方法传递的实参
  • 保存方法内部定义的局部变量

栈是高位向低位地址构建的

一个线程的栈,准备调用M1方法

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分配局部变量name的内存

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M1调用M2方法,把实参s压入栈,调用方法时,还需要将“返回地址”压入栈,被调用方法结束后,返回这个位置。

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M2开始执行,最终到达return语句,指令指针被设置为栈中的返回地址,M2的栈帧(指当前线程中调用栈的一个方法调用,每个方法调用都会在调用栈中创建并压入一个栈帧)会被释放。线程栈如下图

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线程将继续执行M1在调用M2之后的代码

托管堆

我们假定有这两个类的定义

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window进程已经启动,托管堆已初始化,已经创建了一个线程。该线程已经调用了一些代码,现在马上要调用M3。

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这时候CLR要做的事情

  • 确保M3内部引用的所有类型的程序集都已加载
  • 利用程序集的元数据创建类型对象(Type Object表示类型本身)

类型对象包括

  • 类型对象指针(Type Object Pointer)和同步块索引(sync block index)
  • 静态字段
  • 方法表
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当前面的事情做好后,开始执行M3的本地代码,首先为局部变量分配内存,CLR会自动将局部变量初始化成null或0

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接下来,M3代码开始构造一个Manager实例(也就是一个Manager对象),步骤如下

  1. 初始化类型对象指针,并指向与对象对应的类型对象
  2. 初始化同步索引块
  3. 将所有实例字段初始化
  4. new操作符会返回对象的内存地址,将之保存到变量e

对象包括

  • 类型对象指针(Type Object Pointer)和同步块索引(sync block index)
  • 实例字段


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M3下一行调用Employee的静态方法Lookup。调用静态方法的步骤

  1. CLR会定位与定义静态方法的类型相对应的类型对象
  2. JIT编译器在类型对象的方法表找到该方法,对方法进行JIT进行编译(如果需要的话),再调用JIT编译的代码
  3. Lookup方法在堆上构造一个新的Manager对象,并返回地址
  4. M3将地址存到变量e

需要注意的是,变量e已经引用了新的对象。原来的对象没有变量引用,GC将会对其自动进行回收。

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M3的下一行代码调用虚实例方法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的代码;方法每次调用时,都会调用这些代码。

  1. 检查发出调用的变量,跟随地址来到发出调用的对象,检查对象的类型对象指针,找到类型对象,并在方法表中定位该方法。(和非虚方法的区别:非虚关心的是变量e的类型,而虚关心的是变量e所指向的对象的类型)
  2. JIT编译器在类型对象的方法表找到该方法,对方法进行JIT进行编译(如果需要的话),再调用JIT编译的代码
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Manager和Employee类型对象也有类型对象指针,那这些指针是指向哪里的呢?实际上,CLR在进程运行时,会为System.Type创建一个特殊的类型对象,Manager和Employee的类型对象的类型对象指针都指向它。System.Type的类型对象指针就指向自身。
System.Obejct有一个GetType方法,返回类型对象指针,这样就可以判断系统中任何对象(也包括类型对象)的类型了。

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