探究C#中Class和Struct互相嵌套的内存问题

2023年6月12日
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内存分区

先回顾一下C#的内存种类

  1. 栈区：由编译器自动分配释放 ，存放值类型的对象本身，引用类型的引用地址（指针），静态区对象的引用地址（指针），常量区对象的引用地址（指针）等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

  2. 堆区（托管堆）:用于存放引用类型对象本身。在c#中由.net平台的垃圾回收机制（GC）管理。栈，堆都属于动态存储区，可以实现动态分配。

  3. 静态区及常量区：用于存放静态类，静态成员（静态变量，静态方法），常量的对象本身。由于存在栈内的引用地址都在程序运行开始最先入栈，因此静态区和常量区内的对象的生命周期会持续到程序运行结束时，届时静态区内和常量区内对象才会被释放和回收（编译器自动释放）。所以应限制使用静态类，静态成员（静态变量，静态方法），常量，否则程序负荷高。

  4. 代码区：存放函数体内的二进制代码。

内存分配

值类型分配在栈上，引用类型分配在堆上，这个概念一般都是比较清楚的。但是遇到下面的情况内存又是如何分配的呢？

Struct中嵌套Class对象

using System.Runtime.InteropServices;

namespace MyNamespace
{
    namespace MyNamespace
{
    public class B
    {
        public int x;
        public byte y;
    }

    public struct A
    {
        public byte x;
        public B b;
    }

    public class Test
    {
        static A a;
        public static void Main()
        {
            a = new A()
            {
                x = 1,
                b = new B() { x = 1, y = 1 },
            };

            System.Console.WriteLine(Marshal.SizeOf(a));
        }
    }
}

思考一下打印出来的值会是多少？

32位系统：

64位：

原因：

  1. 不同的编译器（x86、x64）对应的指针大小不一样。x86指针大小4个字节，x64指针大小为8个字节
  2. struct中存储Class，存储的是类的指针引用。整个Struct开辟在栈上，但是真正的类内存依旧是开辟在堆上。
  3. struct存在内存对齐的问题（提高访问速度）。内存对齐会向内存最大的那个对齐，即测试代码中，A.x会向（A.b的指针）大小对齐。

结论：Struct中嵌套Class引用对象，持有的是Class的引用指针。

Claas中嵌套Struct

using System.Runtime.InteropServices;

namespace MyNamespace
{
    public class B
    {
        public int x;
        public A y;
    }

    public struct A
    {
        public int x;
        public byte y;
    }

    public class Test
    {
        static B b;
        public static void Main()
        {
            b = new B()
            {
                x = 1,
                y = new A() { x = 1, y = 1 },
            };
        }
    }
}

通过对堆内存进行快照

32位：

64位：

出乎意料的内存大小！为什么会是这样的内存大小，我们先研究一下如果仅仅只有一个空对象，这个对象在内存中的大小是多少呢？我们通过查阅.Net官方文档看一下，一个对象是如何分配的：

引用类型变量（如smallObj）以固定大小（4字节）存储在栈上，并指向在托管堆上分配的对象实例的地址。 smallObj的实例包含指向相应类型的MethodTable的TypeHandle（类型对象指针）和syncblk index（同步块索引，用来做线程同步的，这里就不详细讲了，大家可以去原文查看）。最后当一个类没有定义任何实例字段，它将产生4个字节的开销（用于分配到栈上来对他进行引用）。这样我们就可以算出32位下一个空对象的内存大小了：4（syncblk index）+ 4（TypeHandle）+ 4（Instance Fields）= 12个字节。同理在64位下将会是24个字节。

返回到上面的测试用例，这时候我们就明白为什么是这样的内存分配大小了。32位下：基础的12个字节 + 4字节（int）+ 4字节（Struct指针） = 20个字节。64位下的32个字节留给大家思考是怎么样一个组成的呢？

总结

  • Struct内部持有的是Class的指针
  • Class内部持有的也是Struct的指针，但是这些都是开辟在堆上的
  • Class需要分配syncblk index和TypeHandle，用来进行同步索引和类型查询，在考虑Class的内存开销的时候需要考虑进去。

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