使用sos查看.NET对象内存布局
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时间：2015年06月09日
前面我们图解了.NET里各种对象的内存布局，我们再来从调试器和clr源码的角度来看一下对象的内存布局。我写了一个测试程序来加深对.net对象内存布局的了解：
using System; using System.Runtime.InteropServices; // 实际上是一个C语言里的联合体 [StructLayout(LayoutKind.Explicit)] public struct InnerStruct { [FieldOffset(0)] public float FloatValue; [FieldOffset(0)] public double DoubleValue; } public struct TestStruct { public int IntValue; public string StringValue; public object ObjectValue; public InnerStruct InnerStructValue; } public class ObjectLayout { private int _IntValue = 456; public int IntValue { get { return _IntValue; } set { _IntValue = value; } } public static void Main() { Object o = new Object(); lock (o) { Console.WriteLine("Object实例: {0}", o.ToString()); } int i = 123; Console.WriteLine("int值: {0}", i); string s = "This is a string"; Console.WriteLine("字符串：{0}", s); ObjectLayout[] olArr = new ObjectLayout[10]; olArr[0] = new ObjectLayout(); olArr[0].IntValue = 2222; Console.WriteLine("数组的长度：{0}", olArr.Length); object[] objArr = new object[2]; objArr[0] = o; Console.WriteLine("数组的长度：{0}", objArr.Length); string[] strArr = new string[2]; strArr[0] = s; strArr[1] = s + "!"; Console.WriteLine("数组的长度：{0}", strArr.Length); TestStruct ts = new TestStruct(); ts.IntValue = 100; ts.StringValue = s + "!"; ts.ObjectValue = o; ts.InnerStructValue.FloatValue = 789.0f; int[] intArr = new int[10]; for (int j = 0; j < intArr.Length; ++j) { intArr[j] = j; } Console.WriteLine("int数组的长度：{0}", intArr.Length); TestStruct[] tsArr = new TestStruct[2]; tsArr[0] = ts; Console.WriteLine("TestStruct数组的长度：{0}", tsArr.Length); } }
使用命令编译一个调试版本的objectlayout.exe程序：
csc /debug objectlayout.cs
用sos浏览对象内存布局
我们用sos这个工具加深对.net对象的理解，sos可以在Visual Studio里使用：
- 启动VS，依次点击菜单里的“文件（File）” -> “打开（Open）” -> “工程或解决方案（Project/Solution）”，然后选择刚刚编译的objectlayout.exe程序，开始调试这个程序；
- 对于托管程序，VS支持多种调试模式，如果要使用sos插件的话，需要采用“混合（Mixed）”调试模式调试程序，具体做法是在“解决方案管理器（Solution Explorer）”里右键单击objectlayout.exe程序，然后点击“属性（Properties）”打开属性窗口，将里面的“调试器类型（Debugger Type）”改成“混合（Mixed）”模式；
- 在VS里打开程序的源码objectlayout.cs，并在Main函数的最后一行设置断点；
- 在VS里，打开“立即”窗口，菜单命令是：“调试（Debug）” -> “窗口（Windows）” -> “立即（Immediate）”；
- 在“立即”窗口里，执行命令将sos加载到VS中：!load C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\sos.dll
这个时候就可以在vs里使用sos插件里面的命令了，如下图所示：
这里对sos命令不做过多的解释，有兴趣的网友可以参看我的《Windows调试技术》视频来了解sos的用法，下面我用类似bash注释的方式解释查看过程：
＃ ＃使用 !clrstack 命令查看当前被调试进程的堆栈，而 -l 参数则告诉sos同时 ＃ 显示堆栈上每个函数的局部变量。 ＃ !clrstack -l OS Thread Id: 0xba4 (2980) ESP EIP 0012f408 00e10341 ObjectLayout.Main() ＃ ＃ 下面打印了Main函数里的所有局部变量，如果执行过GC，有些变量可能不可见 ＃ 局部变量左边是局部变量的内存地址，而右边则是局部变量的值，因为大部分 ＃ 局部变量都是引用类型，所有值大部分都是指针，除了少数几个，如第二个变量 ＃ 就是一个值类型，因此直接保存了它的值：0x0000007b ＃ LOCALS: 0x0012f444 = 0x012b1bd8 0x0012f440 = 0x0000007b <CLR reg> = 0x012b1af4 0x0012f438 = 0x012c9520 0x0012f434 = 0x012c966c 0x0012f430 = 0x012c9788 0x0012f41c = 0x012c98d8 0x0012f418 = 0x012c990c 0x0012f414 = 0x0000000a 0x0012f410 = 0x012c9a5c 0x0012f40c = 0x00000000 0012f69c 79e88f63 [GCFrame: 0012f69c]
接下来，我们一个个分析这些对象的内存布局，首先是第一个对象 － object类型的o：
!do 0x012b1bd8 Name: System.Object ＃指明了类型，这个类型由保存在对象里的MethodTable获取 MethodTable: 790f9c18 ＃ MethodTable地址，直接保存在对象里 EEClass: 790f9bb4 ＃通过MethodTable解析到 Size: 12(0xc) bytes (C:\WINDOWS\assembly\GAC_32\mscorlib\2.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll) Object Fields: None
打开VS的“内存（Memory）”窗口，或者“命令（Command）”窗口，查看0x012b1bd8地址处的内存，这里为了写文章方便，我用的是“命令”窗口，在VS里依次点击菜单“视图（View）” -> “其他窗口（Other Windows）” -> “命令窗口（Command Window）”。在命令窗口里执行下面的命令（熟悉windbg的同学应该知道这是windbg里的命令）：
＃ ＃ 你可以直接给出变量名，vs会自动将变量名解析为内存地址 ＃ 可以看到，对象的第一个指针就是说明自己类型的MethodTable ＃ 指针 －> 790f9c18， ＃ >dd o 0x012B1BD8 790f9c18 00000000 00000000 00000000 # # 当然也可以直接给dd命令内存地址 # >dd 0x012b1bd8 0x012B1BD8 790f9c18 00000000 00000000 00000000
前文我们已经提到clr将对象的指针做了一些处理，对托管代码隐藏了objheader信息，这个信息其中一个作用就是处理线程同步信息，要看看syncvalue是怎么工作的话，可以重新启动被调试程序，并将程序中断在代码的第39行即lock语句那里 － 在其执行之前中断程序，如下图所示：
然后我们在“命令窗口”查看对象的内存布局：
＃ ＃我用的是虚拟机上安装的32位xp系统，因此我们将地址提前 ＃一个指针，看看当前objheader的synvalue的值，目前因为 ＃没有线程需要同步访问这个对象，所以其值为0 ＃ >dd 0x012b1bd4 0x012B1BD4 00000000 790f9c18 00000000 00000000 ＃ ＃单步执行lock语句一次，以便开始线程同步，再看相同地址的值 ＃现在会发现lockvalue已经更新了，lockvalue的作用在后文说明 ＃这里就不详细说明它了。 ＃ >dd 0x012b1bd4 0x012B1BD4 00000001 790f9c18 00000000 00000000
我们再看第三个局部变量，string类型的s，使用sos命令查看的结果如下：
!do 0x012b1af4 Name: System.String MethodTable: 790fa3e0 EEClass: 790fa340 Size: 50(0x32) bytes (C:\WINDOWS\assembly\GAC_32\mscorlib\2.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll) ＃ ＃对于字符串对象，!do命令足够聪明，可以直接将字符串的内容打印出来 ＃ String: This is a string ＃ ＃显示该对象实例的每一个成员变量的值 ＃ Fields: MT Field Offset Type VT Attr Value Name 790fed1c 4000096 4 System.Int32 0 instance 17 m_arrayLength 790fed1c 4000097 8 System.Int32 0 instance 16 m_stringLength 790fbefc 4000098 c System.Char 0 instance 54 m_firstChar 790fa3e0 4000099 10 System.String 0 shared static Empty >> Domain:Value 0014c558:790d6584 << 79124670 400009a 14 System.Char[] 0 shared static WhitespaceChars >> Domain:Value 0014c558:012b1670 <<
我们再在命令行里用dd查看它的内存布局，因为是字符串，所以这里我们用dc命令，除了用16进制显示内存以外，还尽量使用字符的形式打印内存的每个指针：
＃ ＃第一个指针保存的仍然是对象的类型信息 － MethodTable指针， ＃接下来第二个指针就是如果将字符串当作数组看待的话，它的长度， ＃这个长度会包括最后的’\0’，这里它的值是 0x11，也就是17。 ＃第三个指针就是字符串的长度，即 0x10，也就是16个字符。 ＃在字符串长度后面就是实际的字符串WCHAR数组了。 ＃ >dc s 0x012B1AE8 790fa3e0 00000011 00000010 00680054 à£.y........T.h. 0x012B1AF8 00730069 00690020 00200073 00200061 i.s. .i.s. .a. . 0x012B1B08 00740073 00690072 0067006e 00000000 s.t.r.i.n.g..... 0x012B1B18 00000000 790fa3e0 00000008 00000007 ....à£.y........
接下来我们再来看引用类型的数组对象在内存里的布局，下面是 ObjectLayout[] 类型的对象olArr的结果，可以看到在clr里，对象的类型实际上 System.Object[]，而不是 ObjectLayout[]。
!do 0x012c9520 Name: System.Object[] ＃ ＃MethodTable的值是 79124228，跟后面 object[] 类型对象的 objArr 的 ＃MethodTable是一样的 ＃ MethodTable: 79124228 EEClass: 7912479c Size: 56(0x38) bytes ＃ ＃对于数组对象，sos会打印出数组的维度和大小信心 ＃ Array: Rank 1, Number of elements 10, Type CLASS ＃ ＃数组元素的类型 ＃ Element Type: ObjectLayout Fields: None ＃ ＃使用 da 命令可以打印出数组的详细内容 ＃ !da 0x012c9520 Name: ObjectLayout[] MethodTable: 79124228 EEClass: 7912479c Size: 56(0x38) bytes Array: Rank 1, Number of elements 10, Type CLASS Element Methodtable: 00933018 [0] 012c9558 [1] null [2] null [3] null [4] null [5] null [6] null [7] null [8] null [9] null
把olArr对象的内存打印出来，可以看到：
- 第一个指针跟其他对象一样，是MethodTable，也就是对象类型的指针；
- 第二个指针是数组的大小0xa，也就是10；
- 第三个指针是数组里元素的类型指针；
- 第四个指针开始则是各个对象的引用。
>dd olArr 0x012C9438 79124228 0000000a 00933018 012c9558 0x012C9448 00000000 00000000 00000000 00000000 ＃ ＃打印 object[] 类型的 objArr 对象的信息 ＃ !do 0x012c966c Name: System.Object[] ＃ ＃MethodTable指针与前面的ObjectLayout[]对象的MethodTable完全一样 ＃ MethodTable: 79124228 EEClass: 7912479c Size: 24(0x18) bytes Array: Rank 1, Number of elements 2, Type CLASS Element Type: System.Object Fields: None !da 0x012c966c Name: System.Object[] MethodTable: 79124228 EEClass: 7912479c Size: 24(0x18) bytes Array: Rank 1, Number of elements 2, Type CLASS Element Methodtable: 790f9c18 [0] 012b1c3c [1] null ＃ ＃打印 string[] 类型的 strArr 对象的信息 ＃ !do 0x012c9788 Name: System.Object[] ＃ ＃MethodTable指针与前面的ObjectLayout[]和object[]对象的MethodTable完全一样 ＃ MethodTable: 79124228 EEClass: 7912479c Size: 24(0x18) bytes Array: Rank 1, Number of elements 2, Type CLASS Element Type: System.String Fields: None !da 0x012c9788 Name: System.String[] MethodTable: 79124228 EEClass: 7912479c Size: 24(0x18) bytes Array: Rank 1, Number of elements 2, Type CLASS Element Methodtable: 790fa3e0 [0] 012b1af4 [1] 012c97a0 ＃ ＃打印 int[] 类型的 intArr 对象的信息 ＃ !da 0x012c990c Name: System.Int32[] ＃ ＃注意：MethodTable 也就是类型指针跟前面引用类型的MethodTable不同 ＃ MethodTable: 791240f0 EEClass: 791241a8 Size: 52(0x34) bytes Array: Rank 1, Number of elements 10, Type Int32 Element Methodtable: 790fed1c [0] null [1] 00000001 [2] 00000002 [3] 00000003 [4] 00000004 [5] 00000005 [6] 00000006 [7] 00000007 [8] 00000008 [9] 00000009
查看intArr的内存布局，可以看到，与前面的引用类型数组不同，第三个指针就是数组的第一个元素（值为0）了，而引用类型数组的第三个指针是元素的类型指针。
>dd intArr 0x012C97B0 791240f0 0000000a 00000000 00000001 0x012C97C0 00000002 00000003 00000004 00000005 0x012C97D0 00000006 00000007 00000008 00000009 ＃ ＃打印自定义结构体 TestStruct[] 类型的 tsArr对象的信息 ＃ !da 0x012c9a5c Name: TestStruct[] ＃ ＃注意：MethodTable 指针不仅跟前面引用类型的MethodTable不同， ＃而且跟intArr的类型也不一样 ＃ MethodTable: 00933200 EEClass: 00933180 Size: 52(0x34) bytes Array: Rank 1, Number of elements 2, Type VALUETYPE Element Methodtable: 0093313c [0] 012c9a64 [1] 012c9a78
查看tsArr的内存布局，也可以看到，clr直接将结构体的所有内容保存在数组元素的内存空间里，与 int[] 类型的对象一样，结构体数组也不保存元素的类型信息。
>dd tsArr 0x012C98B8 00933200 00000002 012c977c 012b1bd8 0x012C98C8 00000064 44454000 00000000 00000000 0x012C98D8 00000000 00000000 00000000 00000000 0x012C98E8 00000000 00000000 00000000 00000000 ＃ ＃使用df命令，打印出内存里的浮点数，可以看到在结构体的最后一个指针 ＃就是浮点数的值 ＃ >df tsArr 0x012C98B8 1.3517755e-038 2.803e-045#DEN 3.1700095e-038 3.1427717e-038 0x012C98C8 1.401e-043#DEN 789.00000 0.00000000 0.00000000 0x012C98D8 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0x012C98E8 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 ＃ ＃使用dc命令查看数组第一个元素的第一个指针，是结构体的字符串成员变量 ＃通过这个例子也可以看到，在实际的内存布局里，如果不显示指定成员变量的 ＃内存布局，clr里对象的成员变量的布局顺序跟源码的顺序有可能是不一样的 ＃ >dc 0x012c977c 0x012C977C 790fa3e0 00000012 00000011 00680054 à£.y........T.h. 0x012C978C 00730069 00690020 00200073 00200061 i.s. .i.s. .a. . 0x012C979C 00740073 00690072 0067006e 00000021 s.t.r.i.n.g.!... 0x012C97AC 00000000 791240f0 0000000a 00000000 ….ð@.y........
通过前面的分析，可以看到，实际上所有的引用类型数组的类型都是一样的，即 object[] 类型，但是值类型数组的类型却各不相同，这个差异在jit的时候就已经决定了，也就是说，虽然在 IL 代码里，创建数组的指令都是 newarr 指令，但是在jit编译生成代码后，传给 newarr 指令的类型参数就已经不一样了。我们在后面解读 jit 源码的时候会继续提到这一点。
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