.NET内存基础(通过内存体验类型、传参、及装箱拆箱)

11/25/2015来源:ASP.NET技巧人气:1361

该随笔受启发于《CLR Via C#(第三版)》第四章4.4运行时的相互联系

一、内存分配的几个区域

1、线程栈

局部变量的值类型  局部变量中引用类型的指针(或称引用)会被分配到该区域上(引用类型的一部分内存被分配到该区域内)。

该区域由系统管控,不受垃圾收集器的控制。当所在方法执行完毕后,局部变量会自动释放(引用类型只释放指针,而不释放指针指向的数据)

堆栈的执行效率很高,但容量有限。

2GC Heap(回收堆)

用于分配小对象(引用类型),如果引用类型的实例大小 小于85000个字节,则会被分配到该区域上。

3LOH(Large Object Heap)

超过 85000个字节的大对象(引用类型)会被分配到该区域上。

LOH GC Heap区别在于:当有内存分配或者回收时,垃圾收集器可能会对GC Heap进行压缩,而 LOH 不会被压缩,只是在垃圾回收时被回收。

 

 

二、栈桢(stack frame)

栈桢是实现函数调用的数据结构,从逻辑上看,栈桢是一个函数执行的环境(上下文),包括:函数参数、返回地址和函数局部变量。

注意:上述的“返回地址” 不是函数的返回值,而是完成函数调用后的CPU接下来要执行的代码的位置。

更多参见: 维基百科 call stack 

 

三、浅拷贝 和 深拷贝(Clone、或克隆)

浅拷贝和深拷贝是内存拷贝的两种方式,在传参的过程中通常会发生内存拷贝并且是浅拷贝,比如下面代码、两个参数就是两次浅拷贝。

        public void Test1()
        {
            string name = "test1";
            int size = 1;
            Test2(name, size);// 两次浅拷贝
        }

        public void Test2(string pName, int pSize)
        {
        }

 浅拷贝 前后的内存结果如下图所示:

浅拷贝对于值类型(例如:int),拷贝的是栈中的具体值。

浅拷贝对于引用类型(例如:string),拷贝的是栈中的引用、其新引用 所指向的 托管堆中的地址 还是原来的地址。

 

深拷贝和浅拷贝的区别在于对 堆中数据(即对象)的处理

浅拷贝只拷贝栈中的引用,不拷贝堆中的对象,新引用指向原有对象。

深拷贝会拷贝栈中的引用,并且会在堆中创建新的对象,新对象的属性值 “可能” 来源于原有对象(因为、在C#中实现深拷贝需要自己编写额外的代码,

即实现 ICloneable 接口,深拷贝的结果是不确定的。不过建议大家尽可能避免使用该接口),新引用地址指向新的对象。因此,深拷贝只针对于引用类型,

对于值类型没有太多的意义。

 

四、Demo

如果说前三项是做铺垫,那么该Demo算是正文了。

事先已经定义好的如下类:

    public class Data 
    {
        public string Name;
        public int Size;
    }

假设代码即将调用Test1函数:

        public void Test1()
        {
            string name = "test1";
            int size = 1;

            Data data = new Data() { Name = "test1", Size = 1 };

            Test2(name, size, data);

            object obj = size;
            int temp = (int)obj;
        }

        public void Test2(string pName, int pSize, Data pData)
        {
            pName = "test2";
            pSize = 2;

            pData.Name = "test2";
            pData.Size = 2;
            
            pData = new Data() { Name = "test3", Size = 3 };            
        }

此时线程栈和托管堆内的情况如下图所示(图1):

 

1、开始调用Test1函数,这时会向栈中压入一个栈桢(stack frame)。

  栈桢包含3部分数据:

  1)函数参数,当然Test1函数没有参数。

  2)返回地址,在Test1函数中,以当前代码环境为例该地址没有什么实际意义不作说明。

  3)函数局部变量,此时Test1函数中的所有的局部变量都会被压入栈。 有如下五个局部变量会被压入栈:

string name, int32 size, Data data, object obj, int32 temp。(当然实际是六个局部变量,第六个是编译器自动生成的,在随笔结尾处再做解释。)

 压入一个栈桢后,内存结果如下图所示(图2):

 

2、接下来执行Test1函数的代码,给name赋值,给size赋值,给data赋值。内存结果将会如下图所示(图3):

上图中的红线编译器生成的变量 将在随笔结尾出做解释。

 

3、接下来将调用Test2函数,这时还会向栈中压入一个栈桢。

栈桢包含3部分数据:

  1)函数参数,Test2函数有三个参数,三个参数都是浅拷贝。

  2)返回地址,该地址为调用Test2函数代码位置的下一行(或者称下一个指令)的位置,即:

obj = size; // 在调用Test1函数压入栈桢的时候已经完成了 object obj; 的操作

  完成函数调用后,将执行上述代码。

  3)函数局部变量,编译器会自动生成一个变量(随笔结尾处,将做出解释)

故,此时的内存结果如下图所示(图4):

两条橙色线是参数浅拷贝的结果。

 

4、 在执行完Test2函数的函数体,未返回Test1函数之前,内存结果如下图所示(图5):

红线 将在随笔结尾处做解释。

黄线 需要注意,string是特殊的引用类型,其外在表现和值类型一致,但其本质上还是引用类型。由于string的不可变性,对string的每一次赋值

  都会产生一个新的对象(如果新对象不存在),所以导致了黄线的出现。

浅绿线 我想这条线应该没有问题吧。

 

5、 完成Test2函数的调用,代码将返回到 Test2函数栈桢返回地址所示位置,在这一过程中 Test2函数栈桢 将被弹出,结果如下图所示(图6):

托管堆中的不被使用的对象将由GC进行自动回收,被回收的时间不确定。

 

6、 由3可以知,接下来将执行 obj = size; 的操作——装箱,从字面上可以这样理解:将值类型装进引用类型的箱子里。

大致的操作过程如下:

  1)首先、在堆中创建一个新的对象。(由于该操作导致装箱操作的性能降低)

  2)将size的值复制到对象中。

  3)最后将obj的引用指向新创建的对象。

最后的结果如下图所示(图7):

 

7、最后一个操作——拆箱

装箱,是将值类型装进引用类型的箱子里,在这一过程中,发生对象创建和内存复制。 

然而拆箱,并没有那么复杂,也没有类似的“拆”的过程,只是将对象中的值类型读取出来(最耗时的操作应该是寻找值类型所在的内存地址的操作),相对于装箱,其性能要好很多。

最终结果如下图所示(图8):

 

 

五、 语法糖——对象初始化器

如下的两个代码片段是完全等效的:

            Data temp = new Data(); // 编译器自动生成的变量名不一定叫temp
            temp.Name = "test1";
            temp.Size = 1;            
            data = temp;
       data = new Data() { Name = "test1", Size = 1 }; 

第二种写法,可以看作是一种简写,编译器在编译的时候会将第二种写法的代码进行转化,转化成第一种写法。所以对象初始化器,C#3.0的语法新特性,

完全是一种语法糖,CLR没有起到任何作用。

当看到这的时候,再想想上面的红线 一切迎刃而解。