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。