CoreCLR源码探索(一) Object是什么

.Net程序员们每天都在和Object在打交道

如果你问一个.Net程序员什么是Object，他可能会信誓旦旦的告诉你"Object还不简单吗，就是所有类型的基类"

这个答案是对的，但是不足以说明Object真正是什么

在这篇文章我们将会通过阅读CoreCLR的源代码了解Object在内存中的结构和实际到内存中瞧瞧Object

勘误

通过更多的测试我发现了以下的错误，在此做出纠正，请之前的读者见谅

Object前面的不是指向ObjHeader的指针而是ObjHeader自身
GC Pinned保存在ObjHeader(SyncBlock)而不是MethodTable

Object在内存中的结构

为了便于理解后面的内容，我先用一张图说明Object在内存中的结构

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

.Net中的Object包含了这三个部分

对象头部(只包含了同步索引块)
指向类型信息的指针
字段内容

微软有一张更全的图（说明的是.Net Framework的结构，但是基本和.Net Core一样)

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

Object的源代码解析

Object的定义(摘要)

源代码: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/object.h

class Object

{

	PTR_MethodTable m_pMethTab;

}

PTR_MethodTable的定义，DPTR是一个指针的包装类，你可以先理解为MethodTable*的等价

源代码: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/common.h

typedef DPTR(class MethodTable) PTR_MethodTable;

在Object的定义中我们只看到了一个成员，这个成员就是指向类型信息的指针，那其他两个部分呢？

这是获取指向头部的指针的函数，我们可以看到对象头部刚好放在了Object的前面

PTR_ObjHeader GetHeader()

{

	LIMITED_METHOD_DAC_CONTRACT;

	return dac_cast<PTR_ObjHeader>(this) - 1;

}

这是获取字段内容的函数，我们可以看到字段内容刚好放在了Object的后面

PTR_BYTE GetData(void)

{

	LIMITED_METHOD_CONTRACT;

	SUPPORTS_DAC;

	return dac_cast<PTR_BYTE>(this) + sizeof(Object);

}

我们可以看到Object中虽然只定义了指向类型信息的指针，但运行时候前面会带对象头部，并且后面会带字段内容

Object结构比较特殊，所以这个对象的生成也需要特殊的处理，关于Object的生成我将在后面的篇幅中介绍

Object中定义的m_pMethTab还保存了额外的信息，因为这是一个指针值，所以总会以4或者8对齐，这样最后两个bit会总是为0

.Net利用了最后一个闲置的bit，用于保存GC Marking(GC标记对象是否存活)，关于这里我也将在后面的篇幅中介绍

ObjHeader的源代码解析

ObjHeader的定义(摘要)

源代码: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/syncblk.h

class ObjHeader

{

// !!! Notice: m_SyncBlockValue *MUST* be the last field in ObjHeader.

#ifdef _WIN64

	DWORD    m_alignpad;

#endif // _WIN64

	Volatile<DWORD> m_SyncBlockValue;      // the Index and the Bits

}

m_alignpad是用于对齐的（让m_SyncBlockValue在后面4位），值应该为0

m_SyncBlockValue的前6位是标记，后面26位是对应的SyncBlock在SyncBlockCache中的索引

SyncBlock的作用简单的来说就是用于线程同步的，例如下面的代码会用到SyncBlock

var obj = new object();

lock (obj) { }

ObjHeader只包含了SyncBlock，所以你可以看到有的讲解Object结构的文章中会用SyncBlock代替ObjHeader

关于SyncBlock更具体的讲解还可以查看这篇文章

MethodTable的源代码解析

MethodTable的定义(摘要)

源代码: https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/vm/methodtable.h

class MethodTable

{

	// Low WORD is component size for array and string types (HasComponentSize() returns true).

	// Used for flags otherwise.

	DWORD m_dwFlags;

	// Base size of instance of this class when allocated on the heap

	DWORD m_BaseSize;

	WORD m_wFlags2;

	// Class token if it fits into 16-bits. If this is (WORD)-1, the class token is stored in the TokenOverflow optional member.

	WORD m_wToken;

	// <NICE> In the normal cases we shouldn't need a full word for each of these </NICE>

	WORD m_wNumVirtuals;

	WORD m_wNumInterfaces;

#ifdef _DEBUG

	LPCUTF8 debug_m_szClassName;

#endif //_DEBUG

	// Parent PTR_MethodTable if enum_flag_HasIndirectParent is not set. Pointer to indirection cell

	// if enum_flag_enum_flag_HasIndirectParent is set. The indirection is offset by offsetof(MethodTable, m_pParentMethodTable).

	// It allows casting helpers to go through parent chain natually. Casting helper do not need need the explicit check

	// for enum_flag_HasIndirectParentMethodTable.

	TADDR m_pParentMethodTable;

	PTR_Module m_pLoaderModule;    // LoaderModule. It is equal to the ZapModule in ngened images

	PTR_MethodTableWriteableData m_pWriteableData;

	union {

		EEClass *   m_pEEClass;

		TADDR       m_pCanonMT;

	};

	// m_pPerInstInfo and m_pInterfaceMap have to be at fixed offsets because of performance sensitive

	// JITed code and JIT helpers. However, they are frequently not present. The space is used by other

	// multipurpose slots on first come first served basis if the fixed ones are not present. The other

	// multipurpose are DispatchMapSlot, NonVirtualSlots, ModuleOverride (see enum_flag_MultipurposeSlotsMask).

	// The multipurpose slots that do not fit are stored after vtable slots.

	union

	{

		PTR_Dictionary *    m_pPerInstInfo;

		TADDR               m_ElementTypeHnd;

		TADDR               m_pMultipurposeSlot1;

	};

	union

	{

		InterfaceInfo_t *   m_pInterfaceMap;

		TADDR               m_pMultipurposeSlot2;

	};

	// 接下来还有一堆OPTIONAL_MEMBERS，这里省去介绍

}

这里的字段非常多，我将会在后面的篇幅一一讲解，这里先说明MethodTable中大概有什么信息

类型的标记，例如StaticsMask_Dynamic和StaticsMask_Generics等 (m_dwFlags)
- 如果类型是字符串或数组还会保存每个元素的大小(ComponentSize)，例如string是2 int[100]是4
类型需要分配的内存大小 (m_BaseSize)
类型信息，例如有哪些成员和是否接口等等 (m_pCanonMT)

可以看出这个类型就是用于保存类型信息的，反射和动态Cast都需要依赖它

实际查看内存中的Object

对Object的初步分析完了，可分析对了吗？让我们来实际检查一下内存中Object是什么样子的

VisualStudio有反编译和查看内存的功能，如下图

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

这里我定义了MyClass和MyStruct类型，先看Console.WriteLine(myClass)

这里把第一个参数设置到rcx并且调用Console.WriteLine函数，为什么是rcx请看查看参考链接中对fastcall的介绍

rbp + 0x50 = 0x1fc8fde110

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

跳到内存中以后可以看到选中的这8byte是指向对象的指针，让我们继续跳到0x1fcad88390

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

这里我们可以看到MyClass实例的真面目了，选中的8byte是指向MethodTable的指针

后面分别是指向StringMember的指针和IntMember的内容

在这里ObjHeader中的同步索引块值是0，这是正常的，微软在代码中有注释This is often zero

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

这里是StringMember指向的内容，分别是指向MethodTable的指针，字符串长度和字符串内容

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

这里是MyClass的MethodTable，m_BaseSize是32

有兴趣的可以去和MethodTable的成员一一对照，这里我就不跟下去了

让我们再看下struct是怎么处理的

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

可以看到只是简单的把值复制到了堆栈空间中（rbp是当前frame的堆栈基础地址)

让我们再来看下Console.WriteLine对于struct是怎么处理的，这里的处理相当有趣

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

因为需要装箱，首先会要来一个箱子，箱子放在了rbp+30h

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

把MyStruct中的值复制到了箱子中，rax+8的8是把值复制到MethodTable之后

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

复制后，接下来把这个箱子传给Console.WriteLine就和MyClass一样了

另外再附一张实际查看ComponentSize的图

CoreCLR源码探索(一) Object是什么

彩蛋

看完了.Net中对Object的定义，让我们再看下Python中对Object的定义

源代码: https://github.com/python/cpython/blob/master/Include/object.h

#define PyObject_HEAD PyObject ob_base; // 每个子类都需要把这个放在最开头

typedef struct _object {

#ifdef Py_TRACE_REFS

	struct _object *_ob_next; // Heap中的前一个对象

	struct _object *_ob_prev; // Heap中的后一个对象

#endif

	Py_ssize_t ob_refcnt; // 引用计数

	struct _typeobject *ob_type; // 指向类型信息

} PyObject;

定义不一样，但是作用还是类似的

参考

写在最后

因为是刚开始阅读coreclr的代码，如果有误请在留言中指出

接下来有时间我将会着重阅读和介绍这些内容

Object的生成和销毁
Object继承的原理(MethodTable)
Object同步的原理(ObjHeader, SyncBlock)
GC的工作方式
DACCESS

敬请期待

2017-11-03更新: 这个系列暂时会停止更新, 很可惜上面的3项不能介绍它们了

秒客网

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勘误

Object在内存中的结构

Object的源代码解析

ObjHeader的源代码解析

MethodTable的源代码解析

实际查看内存中的Object

彩蛋

参考

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