C# 对象引用如何在内存中/在运行时（在 CLR 中）表示？

Question

我很想知道 C# 对象引用是如何在运行时（在 .NET CLR 中）在内存中表示的。想到的一些问题是：

1. 对象引用占用多少内存？在类的范围与方法的范围中定义时是否有所不同？它所在的位置是否会根据这个范围（堆栈与堆）而有所不同？

2. 在对象引用中维护的实际数据是什么？它只是一个指向它所指对象的内存地址还是更多？这是否会根据它是否定义在类或方法的范围内而有所不同？

3. 与上述相同的问题，但这次是在讨论对引用的引用时，就像在将对象引用通过引用传递给方法时一样。 1 和 2 的答案有何变化？

Answer 1

.NET Heaps and Stacks 这是对堆栈和堆如何工作的彻底处理。

C# 和许多其他使用堆的 OOP 语言在一般引用中使用 Handles not Pointers 作为这种上下文中的引用（C# 也能够使用指针！）指针类比适用于一些一般概念，但是这个概念模型会因为这样的问题而崩溃。请参阅 Eric Lippert 关于此主题的出色帖子 Handles are Not Addresses

说句柄是指针的大小是不恰当的。（尽管可能巧合的是）句柄是对象的别名，并不要求它们是正式地址到一个对象。

在这种情况下，CLR 恰好使用真实地址作为句柄：来自上面的链接：

...CLR 实际上确实将托管对象引用实现为 垃圾收集器拥有的对象的地址，但这是一个 实施细节。

所以是的，句柄在 32 位架构上可能是 4 个字节，而在 64 字节架构上可能是 8 个字节，但这不是“确定的”，它不是直接因为指针。值得注意的是，根据编译器的实现和某些类型的指针使用的地址范围大小可能不同。

有了所有这些上下文，您可能可以通过指针类比对其进行建模，但重要的是要意识到句柄不需要是地址。如果将来 CLR 愿意，CLR 可以选择更改这一点，而 CLR 的消费者不应该知道更多。

这个微妙点的最终驱动：

这是一个 C# 指针：

int* myVariable;

这是一个 C# 句柄：

object myVariable;

它们不一样。

您可以在指针上做数学运算，而您不应该用 Handles 做这些事情。如果您的句柄碰巧像指针一样实现，并且您像使用指针一样使用它，那么您在某些方面滥用了句柄，这可能会给您以后带来麻烦。

Answer 2

如果您了解 C/C++ 指针，这个答案最容易理解。指针只是一些数据的内存地址。

1. 对象引用应该是指针的大小，在 32 位 CPU 上通常为 4 个字节，在 64 位 CPU 上为 8 个字节。无论在哪里定义都是一样的。它生活在哪里取决于它被定义的地方。如果它是一个类的字段，它将驻留在它所属的对象的堆中。如果是静态字段，则位于堆中不受垃圾回收影响的特殊部分。如果它是一个局部变量，它就存在于堆栈中。

2. 对象引用只是一个指针，可以将其可视化为包含对象在内存中的地址的 int 或 long。无论在哪里定义都是一样的。

3. 这被实现为指向指针的指针。数据是一样的——只是一个内存地址。但是，在给定的内存地址处没有对象。取而代之的是另一个内存地址，它是对对象的原始引用。这就是允许修改参考参数的原因。通常，参数在其方法完成时消失。由于对对象的引用不是参数，因此对该引用的更改将保留。对引用的引用将消失，但引用不会消失。这就是传递参考参数的目的。

您应该知道的一件事是，值类型存储在适当的位置（没有内存地址，而是直接存储在内存地址所在的位置 - 参见 #1）。当它们被传递给一个方法时，会制作一个副本并在该方法中使用该副本。当它们通过引用传递时，会传递一个内存地址，该地址定位内存中的值类型，允许对其进行更改。

编辑：正如 dlev 指出的那样，这些答案并不是硬性规定，因为没有规定必须如此。 .NET 可以随意实现这些问题。这是最有可能实现它的方法，因为这就是 Intel CPU 在内部的工作方式，因此使用任何其他方法都可能效率低下。

希望我没有让您太困惑，但如果您需要澄清，请随时询问。