半年之前，PM讓我在部門(mén)內(nèi)部進(jìn)行一次關(guān)于“內(nèi)存泄露”的專(zhuān)題分享，我為此準(zhǔn)備了一份PPT。今天無(wú)意中將其翻出來(lái)，覺(jué)得里面提到的關(guān)于CLR下關(guān)于內(nèi)存管理部分的內(nèi)存還有點(diǎn)意思。為此，今天按照PPT的內(nèi)容寫(xiě)了一篇文章。本篇文章不會(huì)在討論那些我們熟悉的話題，比如“值類(lèi)型引用類(lèi)型具有怎樣的區(qū)別？”、“垃圾回收分為幾個(gè)步驟？”、“Finalizer和Dispose有何不同”、等等，而是討論一些不同的內(nèi)容。整篇文章分上下兩篇，上篇主要談?wù)摰氖?ldquo;程序集（Assembly）和應(yīng)用程序域（AppDomain）”。也許有的地方說(shuō)的不是很正確，希望讀者不吝賜教。

一、程序集與應(yīng)用程序域

何謂程序集（Assembly）？它是一個(gè)托管應(yīng)用的基本的部署單元。一個(gè)程序集是自描述的（通過(guò)元數(shù)據(jù)）、能夠?qū)嵤┌姹静呗院筒渴鸩呗?。我傾向于這樣的方式來(lái)定義程序集：“Assembly is a reusable, versionable, and self-describing building block of a CLR application.”從結(jié)構(gòu)組成來(lái)看，一個(gè)程序集主要由三個(gè)部署組成：IL指令、元數(shù)據(jù)和資源。程序集的結(jié)構(gòu)組成如下圖所示。

那么什么又是應(yīng)用程序域呢？從功能上講，通過(guò)應(yīng)用程序域?qū)崿F(xiàn)的隔離機(jī)制為托管代碼的執(zhí)行提供了一個(gè)安全的邊界。從與程序集的關(guān)系來(lái)講，我們可以將應(yīng)用程序域看成是加載程序集的容器。只有相關(guān)的程序集被CLR加載到相應(yīng)的應(yīng)用程序域中，才談得上代碼的執(zhí)行。

基于應(yīng)用程序域的隔離，歸根結(jié)底是內(nèi)存的隔離。一個(gè)基本的反映就是：在一個(gè)應(yīng)用程序域中創(chuàng)建的對(duì)象，不能直接在另一個(gè)應(yīng)用程序域中使用。這中間需要有一個(gè)基本的跨應(yīng)用程序域傳遞的機(jī)制，我們將這種機(jī)制稱(chēng)之為“封送（Marshaling）”。具體來(lái)講，又具有兩種不同的封送方式：按值封送（MBV：Marshaling By Value ）和按引用封送（MBR：Marshaling By Reference）。MBV主要采用序列化的方式，而MBR最典型的就是.ENT Remoting。

二、系統(tǒng)程序域、共享程序域和默認(rèn)程序域

當(dāng)托管應(yīng)用被啟動(dòng)后，在執(zhí)行第一句代碼之前，CLR會(huì)先后為我們創(chuàng)建三個(gè)應(yīng)用程序域：系統(tǒng)程序域（System Domain）、共享程序域（Shared Domain）和默認(rèn)程序域（Default Domain），它們分別具有不同的作用。

• 系統(tǒng)程序域：系統(tǒng)程序域是第一個(gè)被創(chuàng)建的應(yīng)用程序域，同時(shí)也是其他兩個(gè)應(yīng)用程序域的創(chuàng)建者。在該程序域初始化過(guò)程中，由它將msCorLib.dll這個(gè)程序集（這是一個(gè)很重要的程序集，.NET類(lèi)型系統(tǒng)最基本的類(lèi)型定義其中）加載到共享程序域中。此外，駐留的字符串也被保存在此系統(tǒng)程序域中。系統(tǒng)程序域的一個(gè)主要的任務(wù)是追蹤其他所有應(yīng)用程序域的狀態(tài)，并負(fù)責(zé)加載和卸載它們；
• 共享程序域：共享程序域主要用于保存以“中立域（Domain-neutral Domain ）”加載的程序集容器。所謂“中立域 ”方式加載的程序集，就是說(shuō)程序集并不被加載到當(dāng)前的程序域中并被該程序域?qū)Ｓ?，而是加載到一個(gè)公共的程序域中被所有程序域共享。
• 默認(rèn)程序域：我們的托管程序最終就運(yùn)行在該程序域中，默認(rèn)程序域可以通過(guò)System.AppDomain表示。

三、字符串的駐留

上面的文字描述實(shí)際上透露一些重要的信息，其中一個(gè)就是字符串的駐留（String Interning）。關(guān)于字符串的駐留，我想大家都不陌生，所以在這里我就不作重復(fù)的介紹了。在這里，我只想討論一個(gè)問(wèn)題：字符串的駐留是基于整個(gè)進(jìn)程的，而不是僅僅基于某個(gè)應(yīng)用程序域。

從上面的描述我們知道，字符串對(duì)象和一般的引用類(lèi)型對(duì)象具有很大的不同：字符串對(duì)象直接被保存到系統(tǒng)程序域中，而一般的引用類(lèi)型對(duì)象我們都是最終保存在GC堆中。從某種意義上講，在字符串駐留機(jī)制下，字符串也是以“中立域”的方式被加載的，被駐留的字符串能夠被同一個(gè)進(jìn)程下所有應(yīng)用程序域所共享。

那么，我們是否可以通過(guò)一些比較直觀的方式來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。但是，我們不能直接編寫(xiě)程序來(lái)比較兩個(gè)應(yīng)用程序域中字符串是否是相同的引用，但是我們有一些間接的機(jī)制。我個(gè)人喜歡采用的方式是：加鎖。我們?cè)谶\(yùn)行于不同的應(yīng)用程序域的代碼中對(duì)兩個(gè)字符串變量進(jìn)行加鎖，如果程序運(yùn)行的結(jié)果和對(duì)相同的對(duì)象加鎖一樣，那么就可以證明被枷鎖的兩個(gè)對(duì)象實(shí)際上是同一個(gè)對(duì)象。

為了便于演示，我寫(xiě)一個(gè)如下一個(gè)AppDomainContext，表示某個(gè)AppDomain對(duì)應(yīng)的執(zhí)行上下文。AppDomainContext具有一個(gè)只讀的類(lèi)型為AppDomain的屬性，該屬性通過(guò)構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行，最終在靜態(tài)方法NewContext被創(chuàng)建。我們調(diào)用Invoke方法讓指定的方法對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序域中執(zhí)行。

public class AppDomainContext
{
    public AppDomain AppDomain { get; private set; }
    private AppDomainContext(AppDomain appDomain)
    {
        this.AppDomain = appDomain;
    }
    public static AppDomainContext NewContext(string friendlyName)
    {
        return new AppDomainContext(AppDomain.CreateDomain(friendlyName));
    }
 
    public void Invoke<T>(Action<T> action) where T : MarshalByRefObject
    {
        T instance = (T)this.AppDomain.CreateInstanceAndUnwrap(typeof(T).Assembly.FullName, typeof(T).FullName);
        action.Invoke(instance);
    }
}

我們接著在定義一個(gè)輔助類(lèi)ObjectLock方便進(jìn)行加鎖，以及確認(rèn)對(duì)象是否被所住。ObjectLock比如繼承自MarshalByRefObject，因?yàn)槲覀冃枰搶?duì)象以MBR的方式進(jìn)行傳遞。在Lock方法中對(duì)指定的對(duì)象進(jìn)行加鎖，并指定加鎖的時(shí)間。在CheckLock中通過(guò)時(shí)間間隔判斷指定的對(duì)象是否已經(jīng)被鎖住，相應(yīng)的結(jié)果會(huì)在控制臺(tái)中被輸出。為了讓大家能夠確定相應(yīng)的操作是在哪個(gè)應(yīng)用程序域中執(zhí)行的，在枷鎖和檢查鎖定的時(shí)候?qū)?yīng)用程序域的名稱(chēng)（AppDomain.FriendlyName屬性）打印出來(lái)。

public class ObjectLock : MarshalByRefObject
{
    public void Lock(object objectToLock, int millisecondsTimeout)
    {
        lock (objectToLock)
        {
            Console.WriteLine("[{0}] Successfully lock the object.", AppDomain.CurrentDomain.FriendlyName);
            Thread.Sleep(millisecondsTimeout);
        }
    }
    public void CheckLock(object objectToLock)
    {
        if (Monitor.TryEnter(objectToLock, 10))
        {
            Console.WriteLine("[{0}] The object is not  locked.", AppDomain.CurrentDomain.FriendlyName);
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("[{0}] The object is locked .", AppDomain.CurrentDomain.FriendlyName);
        }
    }
}

然后我再一個(gè)控制臺(tái)應(yīng)用中的Main方法中，編寫(xiě)了如下簡(jiǎn)單的代碼。通過(guò)AppDomainContext在一個(gè)的應(yīng)用程序域（Foo）中鎖定一個(gè)值為“Hello World!”的字符串，并在另一個(gè)應(yīng)用程序域（Bar）中確認(rèn)同值得字符串是否已經(jīng)被鎖定。結(jié)果表示在應(yīng)用程序域Bar中指定的字符串已經(jīng)被鎖定，從而證明了應(yīng)用程序域Foo和Bar中兩個(gè)值為“Hello World!”的字符串對(duì)象實(shí)際上是同一個(gè)。

static void Main(string[] args)
{
    Action<ObjectLock> lockObj = objLock => objLock.Lock("Hello World!", 2000);
    Action<ObjectLock> checkLock = objLock => objLock.CheckLock("Hello World!");
 
    Thread lockObjThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Foo").Invoke<ObjectLock>(lockObj));
    Thread checkLockThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Bar").Invoke<ObjectLock>(checkLock));
 
    lockObjThread.Start();
    Thread.Sleep(500);
    checkLockThread.Start();           
}

輸出結(jié)果：

1: [Foo] Successfully lock the object.
2: [Bar] The object is locked.

上面的介紹同時(shí)說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題：千萬(wàn)不要對(duì)一個(gè)字符串對(duì)象加鎖。

四、程序集加載的方式

雖然我們說(shuō)CLR在啟動(dòng)托管應(yīng)用的時(shí)候，以中立域的方式加載msCorLib.dll這個(gè)程序集，但是這不是程序集默認(rèn)采用的加載方式。在默認(rèn)的情況下，程序集被加載到當(dāng)前的程序域中，供該程序集獨(dú)占使用。我個(gè)人將這兩種不同的程序集加載方式稱(chēng)為：獨(dú)占加載（Exclusive Loading ）和共享加載（Shared Loading）。如右圖所示：如果某個(gè)類(lèi)型被定義在程序集中Foo.Dll，當(dāng)AppDomain1和AppDomain2需要使用該類(lèi)型的時(shí)候，它們會(huì)分別以獨(dú)占的方式加載程序集Foo.Dll。但是，如果它們使用一些基元類(lèi)型，比如System.Object、System.Int32、System.DateTime等，則不會(huì)加載定義它們的msCorLib.dll程序集，而是直接使用已經(jīng)被以中立域方式加載到共享程序域中的msCorLib.dll。

我們同樣可以借助上面定義的AppDomainContext來(lái)證明這一點(diǎn)。在這之前我需要說(shuō)明一點(diǎn):程序集的加載包括對(duì)定義在程序集中類(lèi)型系統(tǒng)的加載，我們可以通過(guò)類(lèi)型對(duì)象的加鎖情況來(lái)推斷程序集的加載方式。為此我在上面創(chuàng)建的解決方案中添加了一個(gè)類(lèi)庫(kù)項(xiàng)目Lib，ConsoleApp引用Lib項(xiàng)目，并在Lib中定義了一個(gè)空的Foo類(lèi)型。

namespace Artech.MemAllocation
{
    public class Foo
    {}
}

然后我們修改之前的程序，將對(duì)字符串加鎖替換在對(duì)Foo類(lèi)型（typeof(Foo)）加鎖。從輸出結(jié)果我們可以看出，在Bar程序域中使用的Foo類(lèi)型并沒(méi)有被鎖住，從而證明兩個(gè)程序域（Foo和Bar）使用的同一個(gè)類(lèi)型并不是Type對(duì)象，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的程序集是以獨(dú)占的方式加載的。

static void Main(string[] args)
{
    Action<ObjectLock> lockObj = objLock => objLock.Lock(typeof(Foo), 2000);
    Action<ObjectLock> checkLock = objLock => objLock.CheckLock(typeof(Foo));
 
    Thread lockObjThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Foo").Invoke<ObjectLock>(lockObj));
    Thread checkLockThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Bar").Invoke<ObjectLock>(checkLock));
 
    lockObjThread.Start();
    Thread.Sleep(500);
    checkLockThread.Start();
}

輸出結(jié)果：

[Foo] Successfully lock the object.  
[Bar] The object is not locked.

但是，如果我們將加鎖和鎖定檢驗(yàn)的typeof(Foo)替換成typeof(int)，結(jié)果就完全不一樣了。不同的結(jié)果說(shuō)明了msCorLib.dll采用了不同于上面的程序集加載方式，以中立域方法的加載方式?jīng)Q定在任何應(yīng)用程序域中使用的類(lèi)型都是同一個(gè)Type對(duì)象。

static void Main(string[] args)
{
    Action<ObjectLock> lockObj = objLock => objLock.Lock(typeof(int), 2000);
    Action<ObjectLock> checkLock = objLock => objLock.CheckLock(typeof(int));
 
    Thread lockObjThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Foo").Invoke<ObjectLock>(lockObj));
    Thread checkLockThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Bar").Invoke<ObjectLock>(checkLock));
 
    lockObjThread.Start();
    Thread.Sleep(500);
    checkLockThread.Start();
}

輸出結(jié)果：

[Foo] Successfully lock the object.
[Bar] The object is locked.

五、我們自己的程序集也可以采用中立域的方式加載嗎？

我想到這里有人會(huì)問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：“我們自定義的程序集可以像msCorLib.dll一樣以中立域的方式共享加載嗎？”。對(duì)于控制臺(tái)應(yīng)用，你只需要在Main方法上應(yīng)用LoaderOptimizationAttribute特性，并指定LoaderOptimization為MultiDomain即可。比如，還是采用對(duì)Foo類(lèi)型Foo類(lèi)型（typeof(Foo)）對(duì)象加鎖，這次我們?cè)贛ain方法上應(yīng)用了這樣的特性：[LoaderOptimization(LoaderOptimization.MultiDomain)]。輸出的結(jié)果就與對(duì)Int32類(lèi)型對(duì)象加鎖一樣。

[LoaderOptimization(LoaderOptimization.MultiDomain)]
static void Main(string[] args)
{
    Action<ObjectLock> lockObj = objLock => objLock.Lock(typeof(Foo), 2000);
    Action<ObjectLock> checkLock = objLock => objLock.CheckLock(typeof(Foo));
 
    Thread lockObjThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext（"Foo").Invoke<ObjectLock>(lockObj));
    Thread checkLockThread = new Thread(() => AppDomainContext.NewContext("Bar").Invoke<ObjectLock>(checkLock));
 
    lockObjThread.Start();
    Thread.Sleep(500);
    checkLockThread.Start();
}

輸出結(jié)果：

[Foo] Successfully lock the object.
[Bar] The object is locked.

又一個(gè)關(guān)于加鎖的注意：謹(jǐn)慎地對(duì)Type對(duì)象進(jìn)行加鎖。

關(guān)于CLR內(nèi)存管理一些深層次的討論[上篇]

關(guān)于CLR內(nèi)存管理一些深層次的討論[下篇]

到此這篇關(guān)于C#內(nèi)存管理CLR深入講解的文章就介紹到這了。希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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