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探讨C#2.0对象模型

news 来源：原创 2024/9/22 17:38:00

一名.NET程序员给我发了一封邮件，讨论C#2.0的对象模型：
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金老师：
您好！
我是一名.net程序员。拜读了您的“.net 2.0面向对象编程揭秘”这本书，受益匪浅。
您的书写得非常深入，经常让我有恍然大悟的感觉。很多堆积已久的问题迎刃而解。同时我也有了很多疑问。希望您能帮我解答。

1.您说子类会调用父类的构造函数。同时“子类对象集成了基类的实例字段”（P213）。“基类的实例字段”包括父类的private字段么？

2.Son son=new Son();
Father father=son;
这是您介绍的多态编程。子类实例变量赋值给父类变量。
这样的两句代码，在内存中将会发生什么呢？
对象的实例没有改变么？faher和son存的是同一个首地址？
这时father能调用的都是Father类型的字段和方法。那么father的类型表指针应该指向Father类型表，这样可以解释father调用父类的方法。那么字段呢？
father is Son
这又是如何实现的呢？

3.值类型在编译期已经在栈上分配好了内存
编译期还是IL指令，还没有转化为cpu可执行的二进制代码。这时内存是如何分配好的？
编译期为什么要分配内存呢？不是应该运行的时候才需要么？

4.您的书中在说明IL代码的时候多次提及计算堆栈。
您能把IL代码执行的基本原理告诉我吗？或者从哪里可以看到相关的资料。

5.对象实例存储在堆中，那么对象变量呢？是存储在线程堆栈中么？

同时我也发现了您的一个疏漏。

第183页第10行首先调用父类构造函数，再调用子类构造函数。
第211页第6行在构造函数中，先初始化自身的字段，在调用基类的构造函数。
这两句表达有误。
应该是：
先调用子类构造函数，通过子类构造函数调用父类构造函数。先执行父类构造函数的代码，初始化父类的字段，再回到子类初始化子类的字段。

我编写了这样两个简单的类
public class Father
{
protected string a;

public Father()
{
a = "a";
}
}

public class Son : Father
{
private string b;

public Son()
{
b = a;
}
}

子类的构造函数IL代码如下：

.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor() cil managed
{
// 代码大小 17 (0x11)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: call instance void ConsoleApplication1.Father::.ctor()
IL_0006: nop
IL_0007: nop
IL_0008: ldarg.0
IL_0009: ldc.i4.1
IL_000a: stfld int32 ConsoleApplication1.Son::b
IL_000f: nop
IL_0010: ret
} // end of method Son::.ctor

这段IL代码好很的证明了我的观点。

希望您能耐心的解答我的问题。谢谢

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我的回复如下：

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1 “基类的实例字段”包括父类的private字段，但子类方法不能存取这个字段，这是由编译器在生成IL指令时保证的。

2 Son son=new Son();
Father father=son;
实际上，在内存中只有一个Son对象实例（放在堆中），但存在两个类型表（由CLR直接管理，当卸掉程序集时，这些类型表占用的资源被回收），赋值后，father和son存的是同一个首地址，指向在托管堆中的Son对象实例。

father is son不是在程序运行时实现的，而是在编译时实现的，由C#编译器直接将这个代码翻译为IL指令，此IL指令会根据你的代码生成对合适方法的调用指令。

当程序运行时，CLR直接装入的是翻译好的IL指令，而非C#代码，IL指令本身是没有“多态”特性的，因为它已经比较靠近底层，应该尽可能地简化以提高效率。

3 值类型在编译期已经在栈上分配好了内存
这句是错的，变量的内存分配是在程序运行时才进行的。是我的疏漏。

4 CLR可以看成是一个基于堆栈的虚拟计算机，这台机器运行的是IL汇编程序，凡是IL代码中所说的堆栈，都是指“计算堆栈（Evaluation Stack）”。在书的附录中有一个“MSIL基础教程”，其中介绍了相关的原理。有关IL的资料很少，国内可以看到的书就是《Inside Microsoft .NET IL Assembly》，千万别看中文版，我看译者肯定没弄明白其中的技术内容，译得一踏糊涂。要看就看英文版，但这本书阅读难度很大，作者是技术牛人，但作为一名作家，我认为不合格。本书中有关IL编程的介绍是我经过收集相关资料进行消化，并经实践检验之后写的，但管中窥豹，仅供参考。

5.你说得对：对象实例的数据存储在托管堆中，引用此对象的对象变量则是存储在线程堆栈中。

关于子类字段与父类字段初始化顺序的问题，我注意到你在子类构造函数中使用了基类的数据成员，因此才会导致先初始化基类数据成员，后初始化子类数据成员。这是一种特例。

事实上，如果子类字段与父类字段没有这种依存关系，C#编译器是按照以下顺序生成IL指令的：

new 子类对象时，子类构造函数被调用，在执行子类构造函数的代码时，先初始化子类的字段，然后再调用父类的构造函数初始化父类的字段。

如果子类字段依赖于父类字段的值，C#编译器在生成IL指令时，会先调用父类的构造函数初始化父类的字段，再调用子类构造函数初始化依赖于父类字段的这些字段。

我修改了一下你的代码，给子类和父类增加两个独立的字段：

public class Father
{
protected string a;

public int fatherFld=100;

public Father()
{
a = "a";
}
}

public class Son : Father
{
private string b;

private int sonFld = 200;
public Son()
{
b = a;
}
}

子类生成的IL代码如下：

.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor() cil managed
{
// 代码大小 33 (0x21)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: ldc.i4 0xc8
IL_0006: stfld int32 ConsoleApplication1.Son::sonFld
IL_000b: ldarg.0
IL_000c: call instance void ConsoleApplication1.Father::.ctor()
IL_0011: nop
IL_0012: nop
IL_0013: ldarg.0
IL_0014: ldarg.0
IL_0015: ldfld string ConsoleApplication1.Father::a
IL_001a: stfld string ConsoleApplication1.Son::b
IL_001f: nop
IL_0020: ret
} // end of method Son::.ctor
可以看到IL_0006句先初始化子类的字段，IL_000c再调用父类的构造函数初始化父类字段，再回过头来于IL_0015和IL_001a两句完成用父类字段初始化子类字段的工作。

父类构造函数IL代码如下：

.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor() cil managed
{
// 代码大小 29 (0x1d)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: ldc.i4.s 100
IL_0003: stfld int32 ConsoleApplication1.Father::fatherFld
IL_0008: ldarg.0
IL_0009: call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
IL_000e: nop
IL_000f: nop
IL_0010: ldarg.0
IL_0011: ldstr "a"
IL_0016: stfld string ConsoleApplication1.Father::a
IL_001b: nop
IL_001c: ret
} // end of method Father::.ctor

注意一下基类object构造函数的调用是插在两个字段初始化指令中间的。我经过实验发现，C#编译器生成IL代码时对于字串类型字段的初始化总是在调用基类构造函数之后，而象int之类的字段，如果是独立的，其初始化指令总在调用基类构造函数指令之前。

为什么这样，只好去问问C#编译器的设计者了。

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