.NET中 類型，對象，線程棧，托管堆 在運行時的關系
The Relationship at Run Time between Types,Objects,A Thread's Stack,and The Managed Heap for .NET
by 唐小崇
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.NET中的類型，無論是值類型或引用類型都是繼承自Object的類。這點跟Java類似，但與C/C++有很大不同。既然值類型與引用類型都是類，那它們的沒有什么不同的地方。而最值得關注的不同就是：值類型對象的值直接存儲在線程棧中，引用類型對象的值存放在托管堆中，它的引用存放在線程棧中。本篇博文就談談CLR的線程棧，托管堆策略。
當我們執行一個.NET程序， CLR 會加載一個新的進程，這個進程可能會（按照程序的編寫需求）包含多個線程。當一個線程被創建，它會申請一個 1MB大小棧（stack）。這個棧是以高位到地位保存的。線程棧是用來保存本地變量，參數，返回地址的，稍后會有詳細解釋。同時CLR會創建一個托管堆。（由於內容太多，先從線程棧開始講起，稍后再講托管堆）
現在，讓我們通過兩個例子方法M1,M2來了解線程棧與類型對象的關系：
我們先看看線程棧的樣子。圖1為一個線程棧的示例，我們假設該程序已經執行了一部分代碼，並即將執行M1方法。
圖1：線程棧示例
線程棧有以下作用：
·保存向某個方法傳遞的參數（passing arguments）;
·保存當前執行的方法內的本地變量（local variales）;
·保存當前執行方法的返回地址（return address）;
所有的方法都會包含一些 序幕代碼(prologue code)和 收場代碼（epilogue code） ，序幕代碼用來初始化一個方法，這些代碼把本地變量，參數，返回地址壓入線程棧中。而收場代碼會在函數執行完畢后會清理給該函數分配的空間，並將指令指針（CPU's instruction pointer）指向返回地址（即指向該函數的調用者），從而釋放線程棧空間。
當我們開始執行M1，CLR將 本地變量name、向M2傳遞的參數s 和 返回地址 壓入線程棧中，如圖2所示：
圖2：將本地變量name、向M2傳遞的參數s和返回地址壓入線程棧中
接着我們執行到M2(name);CLR開始調用M2方法，這時序幕代碼會在線程棧里分配兩個本地變量 length，tally，如圖3所示。當M2方法執行完畢后，收場代碼清理M2分配的空間，並將指令指針指向返回地址（即M1）。此時，我們的線程棧又回到圖2所示的狀態。
圖3：M2方法開始執行時線程棧的情況
以上，就是整個線程棧的執行情況。
我們接着來看看CLR中的托管堆。說到托管堆，就不得不提引用類型。下面我們列兩個示例類，Employee和它的子類Manager：
internal class Employee { public Int32 GetYearsEmployed() { ... } public virtual String GetProgressReport() { ... } public static Employee Lookup(String name) { ... } } internal sealed class Manager : Employee { public override String GetProgressReport() { ... }
如圖4所示：我們現在加入一個新方法M3。當我們的程序開始執行，CLR 會初始化線程棧和托管堆。
首先JIT編譯器將M3方法的中間代碼（IL）JIT編譯為本地指令（native CPU instructions）。
然后CLR檢測M3引用的所有類型（本例中為Employee,Int32,Manager,String），這時CLR會確保提供這些類型的程序集已經被加載（否則，會報錯）。
最后CLR提取有關這些類型的信息，並創建一些數據結構（Type Object）來表示的類型本身。也就是說，CLR會先創建 Type Object，然后通過它來創建類的實例對象。
圖4：當M3方法被調用。CLR在托管堆中創建對應的類的類型對象（Type Object）
在創建好的類型對象 Type Object（並不是類的實例對象）中包括以下成員
類型對象指針（Type object ptr）
同步塊索引(Sync block index)
靜態成員（Statoc fieds）
方法列表（method table）
緊接着，當CLR確認M3所需求的所有的類型對象（Type Object）都被創建，則開始執行M3的本地代碼。如圖5所示，序幕代碼在線程棧中創建本地變量並將它們初始化為null或者0。
圖5 序幕代碼在線程棧中創建本地變量
程序開始執行e = new Manager();
如圖6所示,這行代碼指示CLR在托管堆中創建一個Manager類型的實例對象（instance）。該實例對象包含： 類型對象指針、 同步塊索引以及 該類型中的定義成員（包括它的父類成員，在本例中父類為Employee,Object）。
然后，CLR會自動將該實例對象（Manager Object）的 類型對象指針(Type object ptr)指向相應的類型對象（Manager Type Object），此外，CLR會初始化同步塊索引和所有成員為0並調用構造器（構造函數）。
最后new 操作符將創建好的實例對象在托管堆中的地址 返回並賦值給線程棧中的引用類型變量e。
圖6：創建並初始化一個Manager實例對象
下面我們看看3種不同的方法：靜態方法，非虛方法，虛方法的執行情況。
下一行代碼是e = Employee.Lookup("Joe"); 這里調用了Employee的靜態方法Lookup()。
如圖7所示，當調用一個靜態方法，首先JIT編譯器會定位到該方法對應的類型Type Object對象（本例中為Employee Type Object）。然后將該Type Object函數列表中的對應方法（本例中是Lookup）JIT編譯，並執行。
我們假設Joe存在並且是一個經理，則Lookup函數會在托管堆中創建一個Manager實例對象，並用Joe初始化它。最后將這個Manager實例對象的地址返回，賦值給e。
圖7：靜態函數Lookup被調用，創建並用joe初始化一個Manager 對象，並賦值給e
繼續執行下一行代碼:year = e.GetYearsEmployed();
如圖8所示：當我們調用一個非虛函數（nonvirtual instance method），JIT編譯器會定位到 調用者的類型（e的類型為Employee）對應Type Object中（本例中為Employee Type Object）。在該Type Object中的方法列表中，查找對應方法（如果沒找到，會向其父類尋找直到Object為止）。JIT編譯該方法，並執行。我們不妨假設joe已經工作5年了。則Employee 的 GetYearsEmployed方法返回5，並賦值給線程棧中的year變量。
圖8：調用Employee的非虛函數 GetYearsEmployed。
接下來一行代碼是e.GetProgressReport();該方法是一個虛方法（virtual instance method）。
調用一個虛方法前，JIT編譯器會額外的執行一些代碼。這些代碼會先查找到 調用該方法的變量（e）所指向的實例對象（在本例中，即為用Joe初始化的Manager實例對象）。接下來，檢查該對象中的類型對象指針，以找到對象的真正類型type object（本例中為Manager Type Object）。最后JIT編譯該type object方法列表中的對應方法，並執行。
如圖9所示,JIT編譯並執行的是 Manager Type Object中的GetProgressReprot方法，而不是Employee Type Object中的。
圖9：調用虛函數GetProgerssReport()，實際類型Manager的type Object中的方法被執行
至此，示例代碼結束。我們討論了調用靜態方法，非虛函數，虛函數的三種情況。但我們還有一點沒有完成。
我們會注意到在Type Object中也有Type object ptr，這是因為這些Type Object也是一個“類型”的實例對象。它們的類型比較特殊，叫做System.Type，定義在MSCorLib.dll中。當CLR開始執行一個進程，它會先為System.Type創建一個Type Oject，稱為Type Type Object。如圖10所示，本例的 Employee Type Object,Manager Type Object都是Type Type Object的“實例對象”。最后，Type Type Object 本身也是一個對象，它的Type object ptr 指向自身。這就是.NET 萬物皆對象的思想。
圖10：Emloyee和Manager的type objects 是 System.Type 類型的實例對象