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深入理解.NET對(duì)象的內(nèi)存布局

 更新時(shí)間：2023年08月14日 15:25:47   作者：HueiFeng  
在.NET中，理解對(duì)象的內(nèi)存布局是非常重要的，這將幫助我們更好地理解.NET的運(yùn)行機(jī)制和優(yōu)化代碼，本文將介紹.NET中的對(duì)象內(nèi)存布局，感興趣的可以了解一下

在.NET中，理解對(duì)象的內(nèi)存布局是非常重要的，這將幫助我們更好地理解.NET的運(yùn)行機(jī)制和優(yōu)化代碼，本文將介紹.NET中的對(duì)象內(nèi)存布局。

.NET中的數(shù)據(jù)類型主要分為兩類，值類型和引用類型。值類型包括了基本類型(如int、bool、double、char等)、枚舉類型(enum)、結(jié)構(gòu)體類型(struct)，它們直接存儲(chǔ)值。引用類型則包括了類(class)、接口(interface)、委托(delegate)、數(shù)組(array)等，它們存儲(chǔ)的是值的引用(數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址)。

值類型的內(nèi)存布局

值類型的內(nèi)存布局是順序的，并且是緊湊的。例如，定義的結(jié)構(gòu)體SampleStruct，其中包含了四個(gè)int類型字段，每個(gè)字段占用4個(gè)字節(jié)，因此整個(gè)SampleStruct結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中占用16個(gè)字節(jié)。

public struct SampleStruct
{
    public int Value1; 
    public int Value2;
    public int Value3;
    public int Value4;
}

它在內(nèi)存中的布局如下：

結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局

引用類型的內(nèi)存布局

引用類型的內(nèi)存布局則更為復(fù)雜。首先，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)對(duì)象頭，其中包含了同步塊索引和類型句柄等信息。同步塊索引用于支持線程同步，類型句柄則指向該對(duì)象的類型元數(shù)據(jù)。然后，每個(gè)字段都按照它們?cè)谠创a中的順序進(jìn)行存儲(chǔ)。

例如，下面的類：

public class SampleStruct
{
    public int Value1; 
    public int Value2;
    public int Value3;
    public int Value4;
}

它在內(nèi)存中的布局如下：

類的內(nèi)存布局

在.NET中，每個(gè)對(duì)象都包含一個(gè)對(duì)象頭(Object Header)和一個(gè)方法表(Method Table)。

  • 對(duì)象頭：存儲(chǔ)了對(duì)象的元信息，如類型信息、哈希碼、GC信息和同步塊索引等。對(duì)象頭的大小是固定的，無(wú)論對(duì)象的大小如何，對(duì)象頭都只占用8字節(jié)(在64位系統(tǒng)中)或4字節(jié)(在32位系統(tǒng)中)。
  • 方法表：這是.NET用于存儲(chǔ)對(duì)象的類型信息和方法元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)對(duì)象的類型，包括其類名、父類、接口、方法等都會(huì)被存儲(chǔ)在MethodTable中。

在32位系統(tǒng)中，對(duì)象頭和方法表指針各占4字節(jié)，因此每個(gè)對(duì)象至少占用12字節(jié)的空間(不包括對(duì)象的實(shí)例字段)。在64位系統(tǒng)中，由于指針的大小是8字節(jié)，但只有后4個(gè)字節(jié)被使用，每個(gè)對(duì)象至少占用24字節(jié)的空間(不包括對(duì)象的實(shí)例字段)。

每個(gè).NET對(duì)象的頭部都包含一個(gè)指向同步塊的索引(Sync Block Index)和一個(gè)指向類型的指針(Type Pointer)。

  • Sync Block Index: 是一個(gè)指向同步塊的索引。同步塊用于存儲(chǔ)對(duì)象鎖定和線程同步信息的結(jié)構(gòu)。當(dāng)你對(duì)一個(gè)對(duì)象使用lock關(guān)鍵字或Monitor類進(jìn)行同步時(shí)，會(huì)用到同步塊。如果對(duì)象未被鎖定，那么這個(gè)索引通常是0。
  • Type Pointer: 是一個(gè)指向?qū)ο箢愋蚆ethodTable的指針。

字段按照源代碼中的順序存儲(chǔ)。值類型的字段直接存儲(chǔ)值，引用類型的字段存儲(chǔ)的是對(duì)值的引用，即指針。在32位系統(tǒng)中，指針占用4個(gè)字節(jié)，而在64位系統(tǒng)中，指針占用8個(gè)字節(jié)?？梢酝ㄟ^(guò)StructLayoutAttribute來(lái)自定義.NET中的對(duì)象內(nèi)存布局。例如，通過(guò)Sequential參數(shù)可以保證字段的內(nèi)存布局順序與源代碼中的相同，或者通過(guò)Explicit參數(shù)來(lái)手動(dòng)指定每個(gè)字段的偏移量。實(shí)例成員需要8字節(jié)對(duì)齊，即使沒(méi)有任何成員，也需要8個(gè)字節(jié)。

堆上分配對(duì)象的最小占用空間

// The generational GC requires that every object be at least 12 bytes in size.
#define MIN_OBJECT_SIZE     (2*TARGET_POINTER_SIZE + OBJHEADER_SIZE)

進(jìn)階

在.NET中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局是由運(yùn)行時(shí)環(huán)境自動(dòng)管理的。而對(duì)于結(jié)構(gòu)體，我們可以通過(guò)System.Runtime.InteropServices命名空間的StructLayout屬性來(lái)設(shè)置其在內(nèi)存中的布局方式。

  • LayoutKind.Auto：這是類和結(jié)構(gòu)的默認(rèn)布局方式。在這種方式下，運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)選擇合適的布局。
  • LayoutKind.Sequential：在這種方式下，字段在內(nèi)存中的順序?qū)?yán)格按照它們?cè)诖a中的聲明順序。
  • LayoutKind.Explicit：這種方式允許你顯式定義每個(gè)字段在內(nèi)存中的偏移量。

以下是一個(gè)例子，它定義了一個(gè)名為SampleStruct的結(jié)構(gòu)體，并使用了StructLayout屬性來(lái)設(shè)置其布局方式。

[System.Runtime.InteropServices.StructLayout(System.Runtime.InteropServices.LayoutKind.Sequential)]
public struct SampleStruct
{
    public byte X;
    public double Y;
    public int Z;
}

在這個(gè)例子中，我們可以使用ObjectLayoutInspector庫(kù)來(lái)查看SampleStruct在內(nèi)存中的布局。

void Main()
{
	TypeLayout.PrintLayout<SampleStruct>();
}

上述代碼的輸出如下，值得注意的是，使用System.Runtime.InteropServices命名空間的StructLayout屬性將結(jié)構(gòu)的布局設(shè)置為Sequential。這意味著在內(nèi)存中結(jié)構(gòu)的布局是按照在結(jié)構(gòu)中聲明的字段的順序進(jìn)行的。

Type layout for 'SampleStruct'
Size: 24 bytes. Paddings: 11 bytes (%45 of empty space)
|===========================|
|     0: Byte X (1 byte)    |
|---------------------------|
|   1-7: padding (7 bytes)  |
|---------------------------|
|  8-15: Double Y (8 bytes) |
|---------------------------|
| 16-19: Int32 Z (4 bytes)  |
|---------------------------|
| 20-23: padding (4 bytes)  |
|===========================|

這里，我們可以看到SampleStruct在內(nèi)存中的具體布局：首先是X字段(占用1個(gè)字節(jié))，然后是7個(gè)字節(jié)的填充，接著是Y字段(占用8個(gè)字節(jié))，然后是Z字段(占用4個(gè)字節(jié))，最后是4個(gè)字節(jié)的填充。總共占用24個(gè)字節(jié)，其中11個(gè)字節(jié)是填充。

這個(gè)例子中，我們將結(jié)構(gòu)體SampleStruct的布局設(shè)置為Auto。在這種方式下，運(yùn)行時(shí)環(huán)境會(huì)自動(dòng)進(jìn)行布局，可能會(huì)對(duì)字段進(jìn)行重新排序，或在字段之間添加填充以使他們與內(nèi)存邊界對(duì)齊。

[System.Runtime.InteropServices.StructLayout(System.Runtime.InteropServices.LayoutKind.Auto)]
public struct SampleStruct
{
    public byte X;
    public double Y;
    public int Z;
}

如下所示再來(lái)檢查SampleStruct在內(nèi)存中的布局：

Type layout for 'SampleStruct'
Size: 16 bytes. Paddings: 3 bytes (%18 of empty space)
|===========================|
|   0-7: Double Y (8 bytes) |
|---------------------------|
|  8-11: Int32 Z (4 bytes)  |
|---------------------------|
|    12: Byte X (1 byte)    |
|---------------------------|
| 13-15: padding (3 bytes)  |
|===========================|

從輸出結(jié)果可以看出，運(yùn)行時(shí)環(huán)境對(duì)字段進(jìn)行了重新排序，并在字段之間添加了填充。首先是Y字段(占用8個(gè)字節(jié))，然后是Z字段(占用4個(gè)字節(jié))，接著是X字段(占用1個(gè)字節(jié))，最后是3個(gè)字節(jié)的填充?？偣舱加?6個(gè)字節(jié)，其中3個(gè)字節(jié)是填充。這種布局方式有效地減少了填充帶來(lái)的空間浪費(fèi)，并可能提高內(nèi)存訪問(wèn)效率。

到此這篇關(guān)于深入理解.NET對(duì)象的內(nèi)存布局的文章就介紹到這了,更多相關(guān).NET對(duì)象內(nèi)存布局內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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