第四章 类型基础
2013-02-27
4.2 类型转换
4.4 运行时相互关系
例1 展示了在调用方法时，线程栈是如何处理局部变量和参数的
托管堆的内存分配机制
例2 展示了在调用方法时，托管堆是如何工作的
JIT何时创建类型对象
创建对象
调用静态方法
调用非虚实例方法
调用的是虚实例方法
4.2 类型转换
CLR最重要的特性之一就是类型安全性。在运行时，CLR总能知道一个对象时什么类型。由于GetType是非虚方法，所以一个类型不可能伪装成另一个类型，通过这个方法，可以知道对象的确切类型。
CLR允许将一个对象转换为它的（实际）类型或它的任何基类型。
使用C#is和as操作符
is 检查一个对象是否兼容于（实际类型或基类型）指定类型，并返回一个布尔值。
as 检查一个对象是否能强制转换成指定类型，若不可以，返回null
4.4 运行时相互关系
本节将揭示类型、对象、线程栈和托管堆在运行时的相互关系。此外，还将解释调用静态方法、实例方法和虚方法的区别。
例1 展示了在调用方法时，线程栈是如何处理局部变量和参数的
图1展示了已加载了CLR的一个进程。在这个进程中，可能有多个线程。一个线程创建时，会分配到1MB大小的栈。这个栈空间用于向方法传递实参，也用于方法内部的局部变量。在图中，线程已执行了一些代码，准备调用M1方法。
图1一个线程的栈，准备调用M1方法
图2 在线程栈上分配M1方法中的局部变量
图3 M1调用M2时，将实参和返回地址压入栈中
图4 在线程栈中分配M2的局部变量
在线程执行M2内部代码，最终抵达return语句，造成CPU指针被设置成栈中的返回地址，而且M2的栈帧（代表当前线程的调用栈的一个方法调用）会展开（unwind），使线程栈返回到M1调用M2之前的状态，如图2。同理M1调用完后，线程栈会返回到如图1的状态。
托管堆的内存分配机制【1】
引用类型的实例分配于托管堆上，而线程栈却是对象生命周期开始的地方。对32位处理器来说，应用程序完成进程初始化后，CLR将在进程的可用地址空间上分配一块保留的地址空间，它是进程（每个进程可使用4GB）中可用地址空间上的一块内存区域，但并不对应于任何物理内存，这块地址空间即是托管堆。
托管堆又根据存储信息的不同划分为多个区域，其中最重要的是垃圾回收堆（GC Heap）和加载堆（Loader Heap），GC Heap用于存储对象实例，受GC管理；Loader Heap又分为High-Frequency Heap、Low-Frequency Heap和Stub Heap，不同的堆上又存储不同的信息。Loader Heap最重要的信息就是元数据相关的信息，也就是Type对象，每个Type在Loader Heap上体现为一个Method Table（方法表），而Method Table中则记录了存储的元数据信息，例如基类型、静态字段、实现的接口、所有的方法等等（此句与本书下面例2中的类型对象有矛盾，不过本书中的类型对象更易理解）。Loader Heap不受GC控制，其生命周期为从创建到AppDomain卸载。
例2 展示了在调用方法时，托管堆是如何工作的
源代码：
1 internal class Employee 2 { 3 public Int32 GetYearsEmploye() { return -1; } 4 public virtual String GenProcessReport() { return string.Empty; } 5 public static Employee LockUp(String name) { return null; } 6 } 7 internal class Manager : Employee 8 { 9 public override string GenProcessReport() { return base.GenProcessReport(); } 10 }
注意区分堆中的类型对象和对象。
图5 CLR已加载到进程中，它的堆已初始化，一个线程的栈已创建，现在马山要调用M3
图6 Employee和Manager类型对象会在M3被调用创建
当JIT编译器将M3的IL代码转换成本地CPU指令时，会注意到M3内部引用的所有类型：Employee，Int32，Manager以及String（”Joe”）。这个时候，CLR要确保定义了这些类型的所有程序集都已加载。然后，利用程序集的元数据，CLR提取与这些类型有关的信息，并创建一些数据结构来表示类型本身。在图6中，为了一目了然，我们在堆中只显示Emplyee和Manager，Int32和String类型对象很可能在调用M3之前就被创建了。
类型对象包括：
（1）类型对象指针（type object pointer）
（2）同步索引块（sync block index）
（3）静态数据字段
（4）方法表
图7 在线程栈上分配M3的局部变量
图8 分配并初始化一个Manager对象
（1） 初始化类型对象指针，使之指向对应类型对象
（2） 初始化同步索引块
（3） 初始化实例字段（实例字段包括本身及其基类的实例字段）
（4） 调用类型的构造器（它本质上是可能修改某些实例数据字段的一个方法）。New操作法会返回对象内存地址，该地址保存在栈中的变量e中
图9 Employee的静态方法Lookup为Joe分配并初始化一个Manager对象
（1） CLR会定位于定义静态方法的对应的类型对象。
（2） JIT编译器在类型对象的方法表中查找与被调用的方法对应的记录项，对方法进行JIT 编译（如有还没编译的话），在调用之。
假定Employee通过查询数据库查找名家“Joe”的employee，发现Joe是一个经理，所以在内部，Lookup方法在堆上构造了一个新的Manger对象。
注意，e不再引用第一个Manager对象。而且这个对象因没有变量引用，将会变成垃圾回收的主要目标。
图10 Employee的非虚实例方法GetYearsEmployed在调用后返回5
（1） JIT编译器会找到与“发出调用的那个变量e的类型（Employee）”对应的类型对象（Employee类型对象）。
（2） 如果Emplyee类中没有定义正在调用的方法，JIT编译器会回溯类层次结构图（一直回溯到Object），查找调用的方法。之所以可以回溯，是因为每个类型对象都有一个字段引用了它的基本类型，这个信息图中没有显示。
图11 调用Employee的虚实例方法GenProgressReport，最终执行的是Manager重写的这个方法
（1） JIT要在方法中生成额外的代码，方法每次调用时，都会执行这些代码。
（2） 这些代码首先检查发出调用的变量，然后找到它所指的对象。在本例中e指向的是Manager对象。
（3） 然后找到对象指向的类型对象。在本例中Manager对象指向的是Manager类型对象。
（4） 若该类型对象方法表内的对应方法是非虚实例方法，调用之；若没找到对应的非虚实例方法，JIT编译器会回像调用非虚实例方法第二步一样回溯层次结构，直到找到匹配的方法。
注意：若Employee发现的Joe是个Employee，而不是Manager，Lookup会在堆内创建一个Employee对象，他的类型对象指针指向Employee类型对象。这样一来，最终执行的就是Eomployee的GenProgressReport实现，而不是Manager的GenProgressReport实现。
Emplyee和Manager类型对象都包含“类型对象指针“成员。这是由于类型对象本质上也是对象。CLR创建类型对象，必须初始化这些成员。那么如何初始化这些成员？
CLR开始在一个进程中运行时，会立即为MSCorLib.dll中定义的System.Type类型定义一个特殊的类型对象。Employee和Manager类型对象是该类型的“实例”。
当然System.Type类型对象本身也是一个对象，它比较特殊，她的“类型对象指针”指向它自己。
另外，System.Object的GetType方法返回的是对象所指向的类型对象。
class Base { public string name = "Base"; public static void StaticMethod() { Console.WriteLine("Base static method."); } public void NonStaticMethod() { Console.WriteLine("Base non static method."); } public virtual void VirtualMethod() { Console.WriteLine("Base virtual method."); } } class Derived : Base { public new string name = "Derived"; public new void NonStaticMethod() { Console.WriteLine("Derived non static method."); } public override void VirtualMethod() { Console.WriteLine("Derived virtual method."); } }
static void Main(string[] args) { Base.StaticMethod(); //Base static method. Derived.StaticMethod(); //Base static method. Base b=new Base(); Derived d=new Derived(); Base c = new Derived(); b.NonStaticMethod(); //Base non static method. d.NonStaticMethod(); //Derived non static method. c.NonStaticMethod(); //Base non static method. b.VirtualMethod(); //Base virtual method. d.VirtualMethod(); //Derived virtual method. c.VirtualMethod(); //Derived virtual method. Console.WriteLine(b.name);//Base Console.WriteLine(d.name);//Derived Console.WriteLine(c.name);//Base Console.Read(); }
只有多态方法，没有多态实例字段【2】
从上述调用虚方法的得知，多态是如何实现的，即使变量e的类型是基类Employee，但只要它指向的对象是派生类Manager，且有覆盖虚方法的实例方法实现，就会调用Manager中的方法。
但实例字段并不会覆盖，见如下代码：
1 class Employee 2 { 3 public string name = "Employee"; 4 } 5 6 class Manager : Employee 7 { 8 public string name = "Manger"; 9 } 10 11 class Program 12 { 13 static void Main(string[] args) 14 { 15 Employee e = new Manager(); 16 Console.WriteLine(e.name); //显示：Employee 17 } 18 }
上述代码，Employee e = new Manager(); 具体过程参见创建引用类型的实例的过程
- 在使用变量调用方法或字段时，只有调用的是虚实例方法，是根据变量指向的对象，再找指向对象指向的类型对象中找相应的方法（多态方法是这样实现的）；
- 调用非虚实例方法或字段时，是直接根据变量的对象类型，找相应的方法或字段。
参考
【1】 [你必须知道的.NET]第十九回：对象创建始末（下） http://www.cnblogs.com/anytao/archive/2007/12/07/must_net_19.html
【2】 [你必须知道的.NET]第十五回：继承本质论 http://www.cnblogs.com/anytao/archive/2007/09/10/must_net_15.html