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：

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
//将a+b+c，打印结果
int a = 3;
int b = 19;
double c = 443.25;
Console.WriteLine(a + b + c);

//分别打印d,e,d+e
string d = "Hello World!";
string e = "Print Word!";
Console.WriteLine(e);
Console.WriteLine(d);
Console.WriteLine(d + e);
}
}

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。

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
//第一段声明
.entrypoint
// 代码大小       71 (0x47)
.maxstack  2
.locals init ([0] int32 a,
[1] int32 b,
[2] float64 c,
[3] string d,
[4] string e)
//第二段值类型内存存储情况
IL_0000:  nop
IL_0001:  ldc.i4.3
IL_0002:  stloc.0
IL_0003:  ldc.i4.s   19
IL_0005:  stloc.1
IL_0006:  ldc.r8     443.25
IL_000f:  stloc.2
IL_0010:  ldloc.0
IL_0011:  ldloc.1
IL_0012:  add
IL_0013:  conv.r8
IL_0014:  ldloc.2
IL_0015:  add
IL_0016:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(float64)
//第三段引用类型内存存储情况
IL_001b:  nop
IL_001c:  ldstr      "Hello World!"
IL_0021:  stloc.3
IL_0022:  ldstr      "Print Word!"
IL_0027:  stloc.s    e
IL_0029:  ldloc.s    e
IL_002b:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0030:  nop
IL_0031:  ldloc.3
IL_0032:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0037:  nop
IL_0038:  ldloc.3
IL_0039:  ldloc.s    e
IL_003b:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(string,
string)
IL_0040:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0045:  nop
IL_0046:  ret
} // 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。

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

//第二段值类型内存存储情况
IL_0000:  nop
//int a = 3;
//将整数值 3 作为 int32 推送到计算堆栈上
IL_0001:  ldc.i4.3
//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
IL_0002:  stloc.0
//int b = 19;
//将整数19作为int32推送到计算机堆栈上
IL_0003:  ldc.i4.s   19
//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
IL_0005:  stloc.1
//double c = 443.25;
//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
//从这里可以看出C# Double类型==MSIL里面的float64类型
IL_0006:  ldc.r8     443.25
//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
IL_000f:  stloc.2
//a+b
//将索引 0 处的局部变量a值3加载到计算堆栈上
IL_0010:  ldloc.0
//将索引 1 处的局部变量b值19加载到计算堆栈上
IL_0011:  ldloc.1
//将两个值相加并将结果推送到计算堆栈上，结果为22
IL_0012:  add
//a+b得到的值22+c
//将位于计算堆栈顶部的值22转换为 float64
IL_0013:  conv.r8
//将索引 2 处的局部变量b值443.25加载到计算堆栈上
IL_0014:  ldloc.2
//将两个值相加并将结果465.25推送到计算堆栈上
IL_0015:  add
//调用mscorlib程序集内的函数打印值465.25
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。

//第三段引用类型内存存储情况
IL_001b:  nop
//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。
IL_001c:  ldstr      "Hello World!"
//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
IL_0021:  stloc.3
//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。
IL_0022:  ldstr      "Print Word!"
//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
IL_0027:  stloc.s    e
//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
IL_0029:  ldloc.s    e
IL_002b:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)

IL_0030:  nop
//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
IL_0031:  ldloc.3
IL_0032:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0037:  nop
//将d和e的字符串提取出来并且调用[mscorlib]System.String::Concat(string,string)
//对两个string进行值拷贝相加，然后将其引用存到栈顶
IL_0038:  ldloc.3
IL_0039:  ldloc.s    e
IL_003b:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(string,
string)
//将存在栈顶的新的string弹出显示出来
IL_0040:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0045:  nop
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。