CLR和内存分配

Posted 2020-11-21 dotnet261010

一、CLR

CLR：即公共语言运行时(Common Language Runtime)，是中间语言（IL）的运行时环境，负责将编译生成的MSIL编译成计算机可以识别的机器码，负责资源管理（内存分配和垃圾回收等）。

可能有人会提问：为什么不直接编译成机器码，而要先编译成IL，然后在编译成机器码呢？

原因是：计算机的操作系统不同（分为32位和64位），接受的计算机指令也是不同的，在不同的操作系统中就要进行不同的编译，写出的代码在不同的操作系统中要进行不同的修改。中间增加了IL层，不管是什么操作系统，编译生成的IL都是相同的，IL被不同操作系统的CLR编译成机器码，最终被计算机执行。

JIT：即时编译器，负责编译成机器码。

二、内存分配

内存分配：指程序运行时，进程占用的内存，由CLR负责分配。

值类型：值类型是struct的，例如：int、datetime等。

引用类型：即class，例如：类、接口，string等。

1、栈

栈：即线程栈，先进后出的一种数据结构，随着线程而分配，其顺序如下：

看下面的例子：

定义一个结构类型

1 public struct ValuePoint
2 {
3     public int x;
4     public ValuePoint(int x)
5     {
6          this.x = x;
7     }
8 }

 在方法里面调用：

1 //先声明变量，没有初始化  但是我可以正常赋值  跟类不同
2 ValuePoint valuePoint;
3 valuePoint.x = 123;
4 
5 ValuePoint point = new ValuePoint();
6 Console.WriteLine(valuePoint.x);

内存分配情况如下图所示：

注意：

(1)、值类型分配在线程栈上面，变量和值都是在线程栈上面。

(2)、值类型可以先声明变量而不用初始化。

2、堆

堆：对象堆，是进程中独立划出来的一块内存，有时一些对象需要长期使用不释放、对象的重用，这些对象就需要放到堆上。

来看下面的例子：

定义一个类

1 public class ReferencePoint
2 {
3      public int x;
4      public ReferencePoint(int x)
5      {
6            this.x = x;
7      }
8 }

 在代码中调用：

1 ReferencePoint referencePoint = new ReferencePoint(123);
2 Console.WriteLine(referencePoint.x);

 其内存分配如下：

注意：

(1)、引用类型分配在堆上面，变量在栈上面，值在堆上面。

(2)、引用类型分配内存的步骤：

        a、new的时候去对象堆里面开辟一块内存，分配一个内存地址。

        b、调用构造函数(因为在构造函数里面可以使用this)，这时才执行构造函数。

        c、把地址引用传给栈上面的变量。

3、复杂类型

a、引用类型里面嵌套值类型

先看下面引用类型的定义：

 1 public class ReferenceTypeClass
 2 {
 3         private int _valueTypeField;
 4         public ReferenceTypeClass()
 5         {
 6             _valueTypeField = 0;
 7         }
 8         public void Method()
 9         {
10             int valueTypeLocalVariable = 0;
11         }
12 }

在一个引用类型里面定义了一个值类型的属性：_valueTypeField和一个值类型的局部变量：valueTypeLocalVariable，那么这两个值类型是如何进行内存分配的呢？其内存分配如下：

内存分配为什么是这种情况呢？值类型不应该是都分配在栈上面吗？为什么一个是分配在堆上面，一个是分配在栈上面呢？

_valueTypeField分配在堆上面比较好理解，因为引用类型是在堆上面分配了一整块内存，引用类型里面的属性也是在堆上面分配内存。

valueTypeLocalVariable分配在栈上面是因为valueTypeLocalVariable是一个全新的局部变量，调用方法的时候，会启用一个线程去调用，线程栈来调用方法，然后把局部变量分配到栈上面。

b、值类型里面嵌套引用类型

先来看看值类型的定义：

 1 public struct ValueTypeStruct
 2 {
 3         private object _referenceTypeField;
 4         public ValueTypeStruct(int x)
 5         {
 6             _referenceTypeField = new object();
 7         }
 8         public void Method()
 9         {
10             object referenceTypeLocalVariable = new object();
11         }
12 }

 在值类型里面定义了引用类型，其内存是如何分配的呢？其内存分配如下：

从上面的截图中可以看出：值类型里面的引用类型的变量分配在栈上，值分配在堆上。

总结：

1、方法的局部变量

根据变量自身的类型决定，与所在的环境没关系。变量如果是值类型，就分配在栈上。变量如果是引用类型，内存地址的引用存放在栈上，值存放在堆上。

2、对象是引用类型

其属性/字段，都是在堆上分配内存。

3、对象是值类型

其属性/字段由自身的类型决定。属性/字段是值类型就分配在栈上；属性/字段是引用类型就分配在堆上。

上面的三种情况可以概括成下面一句话：

引用类型在任何时候都是分配在堆上；值类型任何时候都是分配在栈上，除非值类型是在引用类型里面。

4、String字符串的内存分配

首先要明确一点：string是引用类型。

先看看下面的例子：

string student = "大山";//在堆上面开辟一块儿内存  存放“大山”  返还一个引用（student变量）存放在栈上

 其内存分配如下图所示：

这时，在声明一个变量student2，然后用student给student2赋值：

1 string student2 = student;

 这时内存是如何分配的呢？其内存分配如下：

从上面的截图中可以看出：student2被student赋值的时候，是在栈上面复制一份student的引用给student2，然后student和student2都是指向堆上面的同一块内存。

输出student和student2的值：

1 Console.WriteLine("student的值是：" + student);
2 Console.WriteLine("student2的值是："+student2);

 结果：

从结果可以看出：student和student2的值是一样的，这也能说明student和student2指向的是同一块内存。

这时修改student2的值：

1 student2 = "App";

 这时在输出student和student2的值，其结果如下图所示：

从结果中可以看出：student的值保持不变，student2的值变为App，为什么是这样呢？这是因为string字符串的不可变性造成的。一个string变量一旦声明并初始化以后，其在堆上面分配的值就不会改变了。这时修改student2的值，并不会去修改堆上面分配的值，而是重新在堆上面开辟一块内存来存放student2修改后的值。修改后的内存分配如下：

在看下面一个例子：

1 string student = "大山";
2 string student2 = "App";
3 student2 = "大山";
4 Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(student,student2));

 结果：

可能有人会想：按照上面讲解的，student和student2应该指向的是不同的内存地址，结果应该是false啊，为什么会是true呢？这是因为CLR在分配内存的时候，会查找是否有相同的值，如果有相同的值，就重用；如果没有，这时在重新开辟一块内存。所以修改student2以后，student和student2都是指向同一块内存，结果输出是true。

三、内存回收

值类型存放在线程栈上，线程栈是每次调用都会产生，用完自己就会释放。

引用类型存放在堆上面，全局共享一个堆，空间有限，所以才需要垃圾回收。

CLR在堆上面是连续分配内存的。

1、C#中的资源分为两类：

a、托管资源

由CLR管理的存在于托管堆上的称为托管资源，注意这里有2个关键点，第一是由CLR管理，第二存在于托管堆上。托管资源的回收工作是不需要人工干预的，CLR会在合适的时候调用GC(垃圾回收器)进行回收。

b、非托管资源

非托管资源是不由CLR管理，例如：Image Socket, StreamWriter, Timer, Tooltip, 文件句柄, GDI资源, 数据库连接等等资源（这里仅仅列举出几个常用的）。这些资源GC是不会自动回收的，需要手动释放。

2、托管资源

a、垃圾回收期(GC)

定期或在内存不够时，通过销毁不再需要或不再被引用的对象，来释放内存，是CLR的一个重要组件。

b、垃圾回收器销毁对象的两个条件

　　1)对象不再被引用----设置对象=null。

　　2)对象在销毁器列表中没有被标记。

c、垃圾回收发生时机

　　1）垃圾回收发生在new的时候，new一个对象时，会在堆中开辟一块内存，这时会查看内存空间是否充足，如果内存空间不够，则进行垃圾回收。

　　2）程序退出的时候也会进行垃圾回收。

d、垃圾回收期工作原理

GC定期检查对象是否未被引用，如果对象没有被引用，则在检查销毁器列表。若在销毁器列表中没有标记，则立即回收。若在销毁器列表中有标记，则开启销毁器线程，由该线程调用析构函数，析构函数执行完，删除销毁器列表中的标记。

注意：

不建议写析构函数，原因如下：

　　1)对象即使不用，也会在内存中驻留很长一段时间。

　　2)销毁器线程为单独的线程，非常耗费资源。

e、优化策略

1）分级策略

a、首次GC前 全部对象都是0级。

b、第一次GC后，还保留的对象叫1级。这时新创建的对象就是0级。

c、垃圾回收时，先查找0级对象，如果空间还不够，再去找1级对象，这之后，还存在的一级对象就变成2级，0级对象就变成一级对象。

d、垃圾回收时如果0~2级都不够，那么就内存溢出了。

注意：

越是最近分配的，越是会被回收。因为最近分配的都是0级对象，每次垃圾回收时都是先查询0级对象。

 3、非托管资源

上面讲的都是针对托管资源的，托管资源会被GC回收，不需要考虑释放，非托管资源需要自行进行释放。

非托管资源的释放需要实现IDisposable接口里面的Dispose方法。例如：

1 public class People : IDisposable
2 {
3         public void Dispose()
4         {
5             this.Dispose();
6         }
7 }

 4、析构函数和Dispose()的区别

a、析构函数

析构函数  主要是用来释放非托管资源，等着GC的时候去把非托管资源释放掉  系统自动执行。GC回收的时候，CLR一定调用的，但是可能有延迟(释放对象不知道要多久呢)。

b、Dispose()

Dispose() 也是释放非托管资源的，主动释放，方法本身是没有意义的，我们需要在方法里面实现对资源的释放。GC的时候不会调用Dispose()方法，而是使用对象时，使用者主动调用这个方法，去释放非托管资源。