.NET對象的記憶體佈局_ZenDei技術網路在線

在.NET中，理解對象的記憶體佈局是非常重要的，這將幫助我們更好地理解.NET的運行機制和優化代碼，本文將介紹.NET中的對象記憶體佈局。 .NET中的數據類型主要分為兩類，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）、結構體類型（stru ...

在.NET中，理解對象的記憶體佈局是非常重要的，這將幫助我們更好地理解.NET的運行機制和優化代碼，本文將介紹.NET中的對象記憶體佈局。
.NET中的數據類型主要分為兩類，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）、結構體類型（struct），它們直接存儲值。引用類型則包括了類（class）、介面（interface）、委托（delegate）、數組（array）等，它們存儲的是值的引用（數據在記憶體中的地址）。

值類型的記憶體佈局

值類型的記憶體佈局是順序的，並且是緊湊的。例如，定義的結構體SampleStruct，其中包含了四個int類型欄位，每個欄位占用4個位元組，因此整個SampleStruct結構體在記憶體中占用16個位元組。

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

它在記憶體中的佈局如下：

結構的記憶體佈局

引用類型的記憶體佈局

引用類型的記憶體佈局則更為複雜。首先，每個對象都有一個對象頭，其中包含了同步塊索引和類型句柄等信息。同步塊索引用於支持線程同步，類型句柄則指向該對象的類型元數據。然後，每個欄位都按照它們在源代碼中的順序進行存儲。

例如，下麵的類：

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

它在記憶體中的佈局如下：

類的記憶體佈局

在.NET中，每個對象都包含一個對象頭（Object Header）和一個方法表（Method Table）。

對象頭：存儲了對象的元信息，如類型信息、哈希碼、GC信息和同步塊索引等。對象頭的大小是固定的，無論對象的大小如何，對象頭都只占用8位元組（在64位系統中）或4位元組（在32位系統中）。
方法表：這是.NET用於存儲對象的類型信息和方法元數據的數據結構。每個對象的類型，包括其類名、父類、介面、方法等都會被存儲在MethodTable中。

在32位系統中，對象頭和方法表指針各占4位元組，因此每個對象至少占用12位元組的空間（不包括對象的實例欄位）。在64位系統中，由於指針的大小是8位元組，但只有後4個位元組被使用，每個對象至少占用24位元組的空間（不包括對象的實例欄位）。

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

Sync Block Index: 是一個指向同步塊的索引。同步塊用於存儲對象鎖定和線程同步信息的結構。當你對一個對象使用lock關鍵字或Monitor類進行同步時，會用到同步塊。如果對象未被鎖定，那麼這個索引通常是0。
Type Pointer: 是一個指向對象類型MethodTable的指針。

欄位按照源代碼中的順序存儲。值類型的欄位直接存儲值，引用類型的欄位存儲的是對值的引用，即指針。在32位系統中，指針占用4個位元組，而在64位系統中，指針占用8個位元組。可以通過StructLayoutAttribute來自定義.NET中的對象記憶體佈局。例如，通過Sequential參數可以保證欄位的記憶體佈局順序與源代碼中的相同，或者通過Explicit參數來手動指定每個欄位的偏移量。實例成員需要8位元組對齊，即使沒有任何成員，也需要8個位元組。

堆上分配對象的最小占用空間

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

進階

在.NET中，對象在記憶體中的佈局是由運行時環境自動管理的。而對於結構體，我們可以通過System.Runtime.InteropServices命名空間的StructLayout屬性來設置其在記憶體中的佈局方式。

LayoutKind.Auto：這是類和結構的預設佈局方式。在這種方式下，運行時會自動選擇合適的佈局。
LayoutKind.Sequential：在這種方式下，欄位在記憶體中的順序將嚴格按照它們在代碼中的聲明順序。
LayoutKind.Explicit：這種方式允許你顯式定義每個欄位在記憶體中的偏移量。

以下是一個例子，它定義了一個名為SampleStruct的結構體，並使用了StructLayout屬性來設置其佈局方式。

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

在這個例子中，我們可以使用ObjectLayoutInspector庫來查看SampleStruct在記憶體中的佈局。

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

上述代碼的輸出如下，值得註意的是，使用System.Runtime.InteropServices命名空間的StructLayout屬性將結構的佈局設置為Sequential。這意味著在記憶體中結構的佈局是按照在結構中聲明的欄位的順序進行的。

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)  |
|===========================|

這裡，我們可以看到SampleStruct在記憶體中的具體佈局：首先是X欄位（占用1個位元組），然後是7個位元組的填充，接著是Y欄位（占用8個位元組），然後是Z欄位（占用4個位元組），最後是4個位元組的填充。總共占用24個位元組，其中11個位元組是填充。

這個例子中，我們將結構體SampleStruct的佈局設置為Auto。在這種方式下，運行時環境會自動進行佈局，可能會對欄位進行重新排序，或在欄位之間添加填充以使他們與記憶體邊界對齊。

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

如下所示再來檢查SampleStruct在記憶體中的佈局：

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)  |
|===========================|

從輸出結果可以看出，運行時環境對欄位進行了重新排序，併在欄位之間添加了填充。首先是Y欄位（占用8個位元組），然後是Z欄位（占用4個位元組），接著是X欄位（占用1個位元組），最後是3個位元組的填充。總共占用16個位元組，其中3個位元組是填充。這種佈局方式有效地減少了填充帶來的空間浪費，並可能提高記憶體訪問效率。