由浅入深CIL系列:3.通过CIL观察.NET值类型和引用类型的内存分配

        一、在.NET中，内存分配是非常重要的一大块，为了更深入的了解其分配情况，本节中我们将利用一个实例来查看其CIL语言分析内存的分配情况。下面我们首先来看实例C#源码如下：

1. class Program 
2. { 
3. static void Main(string[] args) 
4. { 
5. //将a+b+c，打印结果 
6. int a = 3; 
7. int b = 19; 
8. double c = 443.25; 
9. Console.WriteLine(a + b + c); 
10.  
11. //分别打印d,e,d+e 
12. string d = "Hello World!"; 
13. string e = "Print Word!"; 
14. Console.WriteLine(e); 
15. Console.WriteLine(d); 
16. Console.WriteLine(d + e); 
17. } 
18. } 

        二、接下来我们看这段程序的CIL代码，通过这段代码我们大概能够猜出分别代表了什么意思。

1. .method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed 
2. { 
3. //第一段声明 
4. .entrypoint 
5. // 代码大小 71 (0x47) 
6. .maxstack 2 
7. .locals init ([0] int32 a, 
8. [1] int32 b, 
9. [2] float64 c, 
10. [3] string d, 
11. [4] string e) 
12. //第二段值类型内存存储情况 
13. IL_0000: nop 
14. IL_0001: ldc.i4.3 
15. IL_0002: stloc.0 
16. IL_0003: ldc.i4.s 19 
17. IL_0005: stloc.1 
18. IL_0006: ldc.r8 443.25 
19. IL_000f: stloc.2 
20. IL_0010: ldloc.0 
21. IL_0011: ldloc.1 
22. IL_0012: add 
23. IL_0013: conv.r8 
24. IL_0014: ldloc.2 
25. IL_0015: add 
26. IL_0016: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(float64) 
27. //第三段引用类型内存存储情况 
28. IL_001b: nop 
29. IL_001c: ldstr "Hello World!" 
30. IL_0021: stloc.3 
31. IL_0022: ldstr "Print Word!" 
32. IL_0027: stloc.s e 
33. IL_0029: ldloc.s e 
34. IL_002b: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) 
35. IL_0030: nop 
36. IL_0031: ldloc.3 
37. IL_0032: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) 
38. IL_0037: nop 
39. IL_0038: ldloc.3 
40. IL_0039: ldloc.s e 
41. IL_003b: call string [mscorlib]System.String::Concat(string, 
42. string) 
43. IL_0040: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) 
44. IL_0045: nop 
45. IL_0046: ret 
46. } // end of method Program::Main 

        首先我们看第一段CIL代码所示，声明了程序的进入点，以及定义了5个局部的变量其索引值分别为0,1,2,3,4，变量名为a,b,c,d,e。

1. .entrypoint //定义了程序的进入点 
2. // 代码大小 71 (0x47) //表明代码总共大小71个字节 
3. .maxstack 2 
4. .locals init ([0] int32 a, //在索引的0,1,2,3,4处定义了5个局部变量 
5. [1] int32 b, 
6. [2] float64 c, 
7. [3] string d, 
8. [4] string e) 

         其次我们来看第二段CIL代码，这是值类型的直接存储在栈中的数据，直接取出相加即可。

1. //第二段值类型内存存储情况 
2. IL_0000: nop 
3. //int a = 3; 
4. //将整数值 3 作为 int32 推送到计算堆栈上 
5. IL_0001: ldc.i4.3 
6. //将堆栈顶部的3弹出并且存储到索引为1处得局部变量b 
7. IL_0002: stloc.0 
8. //int b = 19; 
9. //将整数19作为int32推送到计算机堆栈上 
10. IL_0003: ldc.i4.s 19 
11. //将堆栈顶部的19弹出并且存储到索引为1处得局部变量b 
12. IL_0005: stloc.1 
13. //double c = 443.25; 
14. //将所提供的 float64 类型的值443.25作为 F (float) 类型推送到计算堆栈上 
15. //从这里可以看出C# Double类型==MSIL里面的float64类型 
16. IL_0006: ldc.r8 443.25 
17. //将堆栈顶部的443.25弹出并且存储到索引为2处得局部变量b 
18. IL_000f: stloc.2 
19. //a+b 
20. //将索引 0 处的局部变量a值3加载到计算堆栈上 
21. IL_0010: ldloc.0 
22. //将索引 1 处的局部变量b值19加载到计算堆栈上 
23. IL_0011: ldloc.1 
24. //将两个值相加并将结果推送到计算堆栈上，结果为22 
25. IL_0012: add 
26. //a+b得到的值22+c 
27. //将位于计算堆栈顶部的值22转换为 float64 
28. IL_0013: conv.r8 
29. //将索引 2 处的局部变量b值443.25加载到计算堆栈上 
30. IL_0014: ldloc.2 
31. //将两个值相加并将结果465.25推送到计算堆栈上 
32. IL_0015: add 
33. //调用mscorlib程序集内的函数打印值465.25 
34. IL_0016: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(float64) 

启发：

1.在.NET的CIL语言中首先建立一个变量的索引集合。然后在每次初始化值类型的时候先将值类型的值推到计算堆栈上，然后马上将堆栈上顶部的对应值存到对应的索引项中。

2.值类型并没有入堆，而是直接在栈上使用。

3.C#中的Double类型在CIL中实质上就是float64类型，且int32类型和float64类型一起做运算的时候，需要先将int32类型转为float64类型。

        再次我们看以下代码，以观察引用类型在内存中的存储方式和使用方法。

1. //第三段引用类型内存存储情况 
2. IL_001b: nop 
3. //为Hello World!字符串分配内存，并且推送其对象引用到计算堆栈上。 
4. IL_001c: ldstr "Hello World!" 
5. //将堆栈顶部的Hello World!字符串的引用弹出并且存储到索引为3处得局部变量d 
6. IL_0021: stloc.3 
7. //为Print Word!字符串分配内存，并且推送其对象引用到计算堆栈上。 
8. IL_0022: ldstr "Print Word!" 
9. //将堆栈顶部的Print Word!字符的引用弹出并且存储到索引为4处的局部变量e 
10. IL_0027: stloc.s e 
11. //将索引 4 处的局部变量Print Word!字符串加载到计算堆栈上并且打印出来 
12. IL_0029: ldloc.s e 
13. IL_002b: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) 
14.  
15. IL_0030: nop 
16. //将索引 3 处的局部变量Hello World!字符串加载到计算堆栈上并且打印出来 
17. IL_0031: ldloc.3 
18. IL_0032: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) 
19. IL_0037: nop 
20. //将d和e的字符串提取出来并且调用[mscorlib]System.String::Concat(string,string) 
21. //对两个string进行值拷贝相加，然后将其引用存到栈顶 
22. IL_0038: ldloc.3 
23. IL_0039: ldloc.s e 
24. IL_003b: call string [mscorlib]System.String::Concat(string, 
25. string) 
26. //将存在栈顶的新的string弹出显示出来 
27. IL_0040: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) 
28. IL_0045: nop 
29. IL_0046: ret 

启发：

1.string是一种特殊的引用类型。

2.string类型的字符相加操作是使用[mscorlib]System.String::Concat(string,string)对值的拷贝实现的。

3.引用类型是先将其值在内存堆中分配好之后才返回其引用到栈上面。

        本节通过CIL语言观察到.NET的值类型和引用类型在内存堆和栈中是如何进行访问和管理的。以及特殊的string引用类型。

本文转自程兴亮 51CTO博客，原文链接:http://blog.51cto.com/chengxingliang/826589