堆和堆栈是如何为C#中结构的实例和成员工作的

Question

我正在读一本书，上面写着：

表示结构实例的变量不包含指向实例的指针；变量包含实例本身的字段。因为变量包含实例的字段，所以不必取消引用指针来操作实例的字段。以下代码演示了引用类型和值类型如何区别

class SomeRef { public Int32 x; }
struct SomeVal { public Int32 x; }
static void ValueTypeDemo() {
SomeRef r1 = new SomeRef();        // Allocated in heap
SomeVal v1 = new SomeVal();        // Allocated on stack
r1.x = 5;                          // Pointer dereference
v1.x = 5;                          // Changed on stack
}

我来自C背景，对结构变量v1有点困惑，我觉得v1.x = 5;仍然涉及指针解引用，就像C中的数组变量是指向该数组中第一个元素地址的指针一样，我认为v1必须是指向SomeVal中第一个字段地址(当然是堆栈，而不是堆)的指针，如果我的理解正确的话，那么CCD_ 5也必须涉及指针去引用？如果不是，如果我们想访问结构中的随机字段，因为编译器需要生成字段的偏移量，那么指针怎么不涉及呢？

Answer 1

理论上，运行时不能保证结构的存储方式，只要行为相同，它就可以随心所欲地存储。

在实践中，您的示例将作为方法堆栈框架的一部分存储。因此v1将保留结构的空间，即4个字节。对结构的字段的访问将被简单地转换为相应的字段，就像直接使用int32一样。

如果结构有多个字段，编译器只需将多个偏移量加在一起，一个偏移量到结构的开头，一个到实际字段。所有这些在编译时都是已知的，所以编译器解决这个问题是没有问题的。

注意，虽然CIL使用基于堆栈的模型，但抖动可能会优化要存储在寄存器中的变量。还有ref关键字，它允许引用值类型，有点类似于指针。

Answer 2

相关答案：
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正如@Damien_The_Unbeliever所说，以下内容仅适用于当前的计算技术，因为.NET是一个虚拟平台。事实上，自从CPU开始和堆栈寄存器的发明以来，在类似英特尔的微处理器(x86、x32、x64等)上，行为就是这样。但在未来，量子等任何其他技术都可能会有所不同

作为类成员的结构实例与对象本身一起分配，因此在堆中也是如此，但在方法中声明的局部结构变量在堆栈中分配。

此外，作为方法参数传递的变量总是使用堆栈：引用以及结构的内容都是PUSHed和POPed，因此建议不要过度使用结构和匿名类型的限制，也不要太大。

为了简化和理解，想象一下堆是一个完整的房间，堆是这个房间里的一个橱柜。

此文件柜用于本地值类型变量和用于运行程序的引用，以及在方法之间传递数据，以及在这些方法是函数而非过程时获取这些方法的结果：引用、值类型、积分类型、结构内容、匿名类型和委托作为临时容器被推送和弹出到此文件柜。

房间是为对象本身准备的(我们传递对象的引用)，除了不在对象中的单独结构(我们传递所有结构内容，当我们传递类中的结构时也是一样的，我们将整个结构作为副本传递)。

例如：

class MyClass
{ 
MyStruct MyVar;
}

是一个结构变量"并非唯一"；当在任何位置创建时，在头部中与对象一起创建。

但是：

void MyMethod()
{ 
MyStruct MyVar;
}

是当地的"；单独"；在堆栈中创建的结构的实例以及整数。

因此，如果一个类有10个整数，那么在调用方法时，堆栈中只有引用被推送(x32上为4字节，x64上为8字节)。但如果它是一个结构，它需要PUSH 10个整数(x32和x64上的40个字节)。

换句话说，正如您所写：因此，单独的结构实例(因此，分配给结构类型的局部变量)不会存储在堆中。但是类的成员(因此，分配给结构类型的字段)存储在堆中。

也就是说：

堆中结构的成员(整数和引用指针"值")使用MOV操作码和等效代码(虚拟或目标机器代码)使用直接内存访问进行访问。

堆栈中结构的成员使用堆栈寄存器基+偏移量进行访问。

第一个是慢的，第二个是快的。

这个对象的内存会是什么样子？

堆栈和堆在什么地方？

在c sharp 中堆叠

内存分配：堆栈与堆？

堆栈和堆分配

堆栈和堆存储器

为什么方法在正常情况下只返回一种参数？

CIL指令清单

.NET OpCodes类

堆栈寄存器

堆栈的概念及其在微处理器中的应用

基于堆栈的CPU组织介绍

堆栈在微处理器中的作用是什么？

为了更好地理解并提高你的计算技能，你可能会发现研究什么是汇编语言以及CPU是如何工作的很有趣。你可以从IL和现代英特尔开始，但从过去的8086到i386/i486可能会更简单、更具形成性和互补性。

Answer 3

您是正确的-指向所涉及的结构IS的指针，但指向结构内字段的偏移量是在编译时计算的。

用于在字段中存储(非引用)值的IL指令是stfld，用于从字段加载(非参考)值的指令是ldfield。

当然，这些IL指令由JIT编译器转换为程序集，JIT编译器可能会应用许多优化，例如避免多次加载同一指针，但这取决于编译器版本以及您是否启用了DEBUG或RELEASE版本。

例如，考虑以下结构：

struct SomeVal
{
public Int32 x; 
public Int32 y;
}

代码：

SomeVal v1 = new SomeVal();
v1.x = 5;
v1.y = 6;
Console.WriteLine(v1.x + v1.y);

为RELEASE生成的IL是：

.entrypoint
.locals init (
[0] valuetype ConsoleApp1.SomeVal V_0
)
IL_0000: ldloca.s V_0
IL_0002: initobj ConsoleApp1.SomeVal
IL_0008: ldloca.s V_0
IL_000a: ldc.i4.5
IL_000b: stfld int32 ConsoleApp1.SomeVal::x
IL_0010: ldloca.s V_0
IL_0012: ldc.i4.6
IL_0013: stfld int32 ConsoleApp1.SomeVal::y
IL_0018: ldloc.0
IL_0019: ldfld int32 ConsoleApp1.SomeVal::x
IL_001e: ldloc.0
IL_001f: ldfld int32 ConsoleApp1.SomeVal::y
IL_0024: add
IL_0025: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
IL_002a: ret

v1.x = 5的IL为：

IL_0008: ldloca.s V_0
IL_000a: ldc.i4.5
IL_000b: stfld int32 ConsoleApp1.SomeVal::x

注意：

1. 使用ldloca.s V_0将结构的地址推送到堆栈上
2. 使用ldc.i4.5将常量int32值5推送到堆栈上
3. 将该int32值存储到由ConsoleApp1.SomeVal::x使用stfld int32 ConsoleApp1.SomeVal::x定义的常量偏移处的字段中

您可以看到类似的IL代码，用于在使用add将x和y字段相加之前加载它们。

Answer 4

OP问题：

如果不是，如果我们想访问随机字段，因为编译器需要生成字段，仍然需要涉及指针？

来自C背景，你会理解一个变量，它是一个指针，例如int* p;

对于堆栈上的结构，通常会涉及一个指针，而不是像上面提到的*p那样您知道的指针。

例如，编译器/抖动可以生成使用指针来保存堆栈基址的代码。从那里，堆栈上变量的偏移量被生成为常量，这些常量可以添加到堆栈指针中，以访问堆栈中变量的值。一些CPU有一个名为SP(堆栈指针)的寄存器，用于跟踪堆栈的基址。

对于您的示例，生成的代码可以在伪汇编代码中显示为：

// Suppose SP = 0x1004
// SP = 0x1000 after v1 is allocated (SP decremented by 4)
// SP is now the pointer that you were wondering about
// v1.x = 5, Place 32-bit constant value 5 at address 0x1000
mov 5, [SP] 

请注意，SP寄存器是您想知道的指针。还要注意，由于结构只包含一个变量，因此结构的地址与变量的地址相同。这个伪程序集也可能是这样的：

// Suppose SP = 0x1004
// v1.x = 5, push constant value 5 on the stack
push #5   
// SP = 0x1000 (again, SP decremented by 4)

因此，指针是，但它用于编译器/抖动生成的较低级别代码中，并且在源代码级别，不需要显式指针变量。为了读取v1.x，较低级别生成的代码可以使用相同的SP(指针)。例如：

// int a = v1.x;
// pseudo-assembly of generated code
// A CPU register R0 is used for variable a.
// Place the value at address SP into R0.
mov [SP], R0

对于您的案例，C#，MSIL代码将生成，这是一个很好的答案。在MSIL编译之后，例如，对于x64 CPU目标，代码在概念上与此处显示的代码类似。