C#筆記 – 類型基礎（二）類型、對象在運行時的相互關係

所有類型都從System.Object派生

「運行時」要求每個類型最終都從System.Object派生

因此，每個類型的每個對象都保証了一組最基本的，來自System.Object的行為

System.Object方法	訪問權限	說明
Equals	public	兩個對象具有相同值就返回true
GetHashCode	public	返回對象的值的哈希碼。如果對象要在哈希表集合（如Dictionary）中作為鍵使用，類型就應重寫該方法並為對象提供良好分布
ToString	public	返回類型的完整名稱（this.GetType().FullName），但經常被重寫為顯示對象各字段的值的字符串
GetType	public	返回從Type派生的一個類型的實例，指出調用GetType的對象的類型。返回的Type對象可以和反射類結合獲得與對象類型相關的元數據信息。GetType是非虛方法，無法重寫，目的是防止類型因為方法被重寫後所隱瞞，進而破壞類型安全
MemberwiseClone	protected	非虛方法，創建類型的新實例，並將新對象的實例字段設與this對象的實例字段完全一致。返回對新實例的引用。
Finalize	protected	GC判斷對象為垃圾後，到對象被實際回收之前會調用該虛方法。回收內存前如果有清理工作要做的話，應重寫該方法。

CLR要求所有對象用new操作符創建
- ```
  Employee e = new Employee("John");
```
- new具體的工作流程：
  1. 計算類型及其所有基類（到System.Object為止）中定義的所有實例字段需要的字節數。
    - 每個對象都需要額外的成員，包括「類型對象指針」（type object pointer）和「同步塊索引」（sync block index）。CLR利用這些成員管理對象，這些額外成員的字節數要計入對象大小
  2. 從托管堆中分配類型要求的字節數，從而分配對象的內存，分配的所有字節都設為0
  3. 初始化對象的「類型對象指針」和「同步塊索引」成員
  4. 調用類型的構造器，傳遞在調用new時指定的實參（如上例的”John”）。
    - 編譯器一般會自動生成代碼來調用基類構造器，每個類的構造器初始化該類型的實例字段，最終調用System.Object的構造器，該構造器會簡單地返回。
  5. 返回指向新建對象一個引用，把引用保存到變量中（如上例的e）
- 沒有與new對應的delete操作符，因此不能顯式釋放對象的內存。
  - 而是CLR會自動檢測沒有被引用的對象，並在特定時候自動釋放內存

運行時，類型、對象、線程棧和托管堆相互關係

程序運行時，會在一個Windows進程中加載CLR
- 該進程可能有多個線程
- 線程創建時會分配到1MB的棧
- 棧空間用於向方法傳遞實參，以及保存方法內部定義的局部變量
- 棧從高位內存地址向低位內存地址構建
方法包含兩種代碼：
- 「序幕」（Prologue）代碼 => 在方法開始做工作前對其進行初始化
- 「尾聲」（Epilogue）代碼 => 在方法做完工作後對其進行清理，以便返回調用者

例子1-方法的執行與線程棧的變化：

假設以下代碼需要執行：

  public class Program
  {
      public static void Main()
      {
          M1();
      }
      
      void M1()
      {
          string name = "Joe";
          M2(name);
          return;
      }
      
      void M2(string s)
      {
          int length = s.Length;
          int tally;
          ...
          return;
      }
  }

其執行模型如下圖，約四步：

- - 首先，M1開始執行時，Prologue代碼在線程棧上分配其方法內部定義的局部變量的內存
    - 然後，M1調用M2方法，將局部變量作為參數傳遞。使局部變量的地址入棧，並被M2使用參數變量s標識棧位置
      - M2方法接收參數並將參數入棧後，同時把「返回地址」入棧，M2執行完畢後，CPU指針指向該位置
    - 隨後，M2方法開始執行，M2的Prologue代碼在線程棧上分配其定義的局部變量內存
    - 最後，當M2方法執行完畢且抵達return語句後，使CPU的指令指針被設置成棧中的返回地址，M2的棧幀展開（unwind），M1繼續執行調用M2之後的代碼
      - 棧幀：當前線程的調用棧中的一個方法調用。執行線程的過程中，進行的每個方法調用都會在調用棧中創建並壓入一個StackFrame（棧幀）
      - 展開：調用方法時壓入棧幀（wind）；方法執行完畢並彈出棧幀（unwind）

例子2：方法執行時，線程棧與托管堆的交互過程

假設以下代碼要執行

  class Program
  {
      static void Main(string[] args)
      {
          M3();
      }
  
      static void M3()
      {
          Employee e;
          int year;
          e = new Manager();
          e = Employee.Lookup("Joe");            
          year = e.GetYearEmployed();
          e.GetProgressReport();
      }
  }
  
  public class Employee
  {       
      public int GetYearEmployed() { ... }
      public virtual string GetProgressReport() { ... }
      public static Employee Lookup(string name){ ... }
  }
  
  public class Manager : Employee
  {
      public override string GetProgressReport(){ ... }
  }

具體執行過程
- 啟動Windows進程，加載CLR至其中，初始化托管堆，創建一個線程以及其1MB棧空間。線程已執行了一些代碼，即將執行M3方法

- - 在M3方法執行之前，CLR會檢測到M3中引用的所有類型，因此，CLR會為這些類型分配內部數據結構來管理對引用類型的訪問。 - M3內部引用了Employee, int, string, Manager（假設int和string已經分配了對應的數據結構，不顯示於下圖）。利用程序集的元數據，CLR提取與這些類型相關的信息，創建對應的內部數據結構來表示類型本身。 - 這些類型對象包含以下內容： - 類型對象指針 - 同步塊索引 - 靜態字段 - 為這些字段提供支援的字節在類型對象自身中分配 - 方法表 - 類型定義的每個方法都有一個記錄項，每個記錄項含有一個地址，根據該地址可以找到方法的IL實現 - 結構初始化時，CLR將每個記錄項指向包含在CLR內部的一個未編檔函數（JIT Compiler） - 方法被首次調用時，JIT Compiler會被調用，該函數負責把對應的IL編譯成CPU指令，並保存下來，下次再調用記錄項的方法時，就直接執行保存下來的CPU指令

- - 當CLR確認所有類型對象創建完畢，M3代碼完成編譯後，線程就開始執行M3的本機代碼。M3的Prologue代碼先為局部變量分配內存。 - 雖然CLR會把局部變量初始化為null或0，但是代碼試圖訪問未顯式初始化的局部變量，C#會報錯

- - 然後，M3執行代碼「e = new Manager();」，構造了一個Manager對象，在托管堆中生成了一個實例。 - 該對象包含了： - 類型對象指針 - 在堆上新建對象時，CLR會自動初始化該指針，引用與該對象對應的「類型對象」（Manager類型對象） - 同步塊索引 - 在調用類型的構造器之前，CLR會初始化該索引，將對象的所有實例字段設置0或null - 實例字段 - Manager自己定義的 - Manager的所有基類定義的 - new操作符返回Manager對象的內存地址，並保存到變量e中

- - 隨後，M3調用「e = Employee.Lookup(“Joe”);」。這是對Employee的靜態方法Lookup的調用。 - 調用靜態方法時，CLR會定位與定義靜態方法的類型對應的類型對象，然後從該類型對象的方法表中查找與被調用方法對應的記錄項。 - 如果該方法是首次被調用，則執行JIT編譯，並把編譯出來的本機代碼進行保存和調用；如果不是首次調用，就直接調用事先保存好的本機代碼 - 在本例中，假設Lookup(“Joe”)返回的是一個Manager對象。此舉導致堆上構造一個新的Manager對象，並用Joe去初始化它，返回該對象的地址並保存到局部變量e中 - 第一個Manager此時不再被任何變量所引用，成為了GC的目標。在GC執行的時候會被自動回收。

- - 下一步是「year = e.GetYearsEmployed」，GetYearsEmployed是一個非虛實例方法。調用非虛實例方法時，JIT編譯器會找到「調用方法的那個變量（e）的聲明類型（Employee）對應的類型對象（Employee類型對象）」 - 雖然此時的e引用指向的是Manager，但是其所定義的類型仍然是Employee - 如果類型對象中沒有嘗試調用的方法，由於每個類型對象都有一個字段引用了它們的基類型，因此JIT編譯器會回溯類層次結構，一直回溯到Object為止，在沿途每個類型中查找目標方法 - 查找到目標方法後，同樣的，對方法進行JIT編譯（如果是首次調用），並調用JIT編譯好的本機代碼

- - 最後，M3調用虛實例方法「GetProgressReport」。調用虛實例方法時，JIT編譯器會在方法中生成一些額外代碼，並在每次調用時執行 - 這些代碼首先檢查發出調用的變量（e），並找到該變量所「引用的地址上對象」的「類型對象指針引用的實際類型」（不同於上面的非虛實例方法，只找到變量的聲明類型，而是直接找到變量引用的「實際類型」）。 - 在本例中，e的實際類型為Manager。JIT就檢查Manager類型對象中的方法表中對應的記錄項。然後JIT編譯（如是首次調用），調用其編譯後的本機代碼。 - 由於目前e引用的是Manager對象，因此調用Manager裡的GetProgressReport；如果引用的是Employee對象，則調用Employee的GetProgressReport

- 另外，不難發現，「Manager對象」的類型對象指針指向「Manager類型對象」，而「Manager和Employee類型對象」也有他們的自己的類型對象指針。 - 因為「類型對象」本質上也是對象，CLR創建類型對象時，會自動初始化該指針，引用與該對象對應的「類型對象」。 - CLR開始在一個進程運行時，會立即為MSCorLib.dll中的System.Type類型創建一個特殊類型對象，「Manager類型對象」和「Employee類型對象」都是「System.Type類型的實例」 - 因此，Manager和Employee類型對象的類型對象指針引用會在初始化時指向System.Type類型對象 - 另一方法，System.Type類型對象本身也是對象，內部也有「類型對象指針」。但System.Type的這個指針指向自身——因為System.Type類型對象本身是一個「類型對象的實例」

參考書目

《CLR via C#》（第4版） Jeffrey Richter