关于CLR内存管理一些深层次的讨论 [下篇]

  《上篇》中我们主要讨论的是程序集(Assembly)和应用程序域(AppDomain)的话题,着重介绍了两个不同的程序集加载方式——独占方式和共享方式(中立域方式);以及基于进程范围内的字符串驻留。这篇将关注点放在托管对象创建时内存的分配和对大对象(LO:Large Object)的回收上,不对之处,还望各位能够及时指出。

  一、从类型(Type)与实例(Instance)谈起

  在面向对象的世界中,类型和实例是两个核心的要素。不论是类型和实例,相关的信息比如加载到内存中,对应着某一块或者多块连续或者不连续的内存。那么对类型和实例的内存分配时如何进行的呢?对象是“状态”和“行为”的组合体,所以从.NET Framework的角度来看类型,它只具有两种类型的成员——字段和方法(实际还有嵌套类型),前者表示状态,后者表示行为。类型是对元数据的描述,而实例则是符合该元数据描述的单个个体。同一个类型下的所有实例具有相同的行为,它们通过状态值的不同得以区分。所以内存中的实例(本篇所说的实例指代引用类型的实例)表示的是字段值,而内存中的类型表示的则是类型成员结构的元数据。很多人都知道,当我们创建一个对象的时候,CLR会在GC堆(Heap)中开辟一块连续的内存空间保存字段值。那么类型信息又是保存在那块内存上呢?

  实际上,类型信息保存在“另一堆”上,我们称之为加载器堆(Loader Heap)。每一个应用程序域都具有各自的加载器堆,即包括我们创建的普通应用程序域,也包括《上篇》中提到的三个特殊应用程序域:系统程序域、共享程序域和默认程序域。如果说GC堆是实例的容器,那么基于应用程序域的加载器堆就是类型的容器。CLR采用“按需加载(这里指的是类型,不是程序集)、及时编译”的运行机制。当某个类型被第一次使用的时候,CLR试图加载该类型。如果该类型对应的程序没有独自地加载到本应用程序域中,或者没有通过中立域的形式加载到共享程序域中,它会按照相应的方式加载程序集(在这里我们假设采用独占方式加载)。然后,将使用到的这个类型加载到本应用程序域的加载器堆中。

  加载器堆维护着自应用程序域创建以来使用过的所有类型记录,它们对应着一个特殊的对象——方法表(Method Table)。当程序第一次执行到某个方法的时候,CLR会定位到方法表中该条目,获取相关信息进行JIT编译。所以如果某个类型在加载器堆中的方法表的某个条目至少被执行一次,它就会指向一段JIT编译后的机器指令。

  二、实例内存分配不仅限于GC堆

  到现在为止,我们知道了类型和实例分别分配于基于应用程序域的加载器堆和GC堆中,那么CLR的内存分配仅仅限于这“两堆”吗?当然不是,除了这“两堆”以及默认的进程堆,还有额外“两堆”,一是存放JIT编译后机器指令的JIT堆(JIT Heap),另一个则是专门用于“大对象”的大对象堆(LOH: Large Object Heap)。下图反映了CLR主要维护的这些个不同的“堆”。

image  对于大对象堆,在本文后续部分还会讲述,在这里我们需要先了解CLR认为怎样的对象是“大对象”。当我们实例化一个对象的时候,如果该对象大于或者等于85,000字节(这种对象一般是数组,一般对象不会这么大),CLR将认为是“大对象”并被放到LOH中,否则放到GC堆中。这里有一点需要读者注意的是,作为垃圾回收器的GC并不仅仅限于针对GC堆中对象的回收,LOH中的对象的回收工作通过在GC的管辖之下。所以从某种意义上讲:你可以将之前提到的GC堆理解为SOH(Small Object Heap),或者称之为“狭义GC堆”,而将“广义GC堆”理解为SOH+LOH。

  三、实例对类型的引用

  实例是类型的实例,实例和它所对应的类型需要维持一种联系。反映在内存中,就以为着分配在GC堆或者是LOH中的对象具有一个对位于加载器堆中该类型的方法表的引用。实例对类型的引用通过一个特殊的对象来维系——TypeHandle。我们举个例子,在如下一段简单的对象实例化代码中 ,我先后实例化了四个对象:字符串“ABC”、System.Object对象、自定义Bar对象和具有85000个元素的字节数组。

   1: string strInstance         = "ABC";
   2: object objectInstance      = new object();
   3: Bar barInstance            = new Bar()
   4: byte[] largeObjInstance    = new byte[85000];

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