В этой статье мы рассмотрим организацию работы с памятью в .NET. Здесь мы узнаем, что такое стек и куча, и для хранения каких типов данных они применяются.
Разделение памяти
По умолчанию, как только .NET приложение запускается и определяется виртуальный адрес текущего процесса, создаются следующие "кучи":
Куча для кода - JIT-компилируемый нативный код
Малая объектная куча - объекты до 85 кб
Большая объектная куча - объекты свыше 85 кб*
Куча для обработки данных
*примечание: в случае массивов для данных типа double существует исключение, согласно которому они хранятся в большой объектной куче задолго до достижения размера в 85 кб (double[] считается системой "большим" объектом при достижении размера в 1000 элементов). По отношению к оптимизации 32-битного кода это, конечно, не очень хорошо.
Разбиение на большие и малые кучи достаточно целесообразно для улучшения производительности, но об этом позже, когда будем говорить о сборщике мусора.
Элементы, размещенные в кучи, обладают своими адресами, которые являются чем-то вроде указателей на ячейки памяти, где хранятся значения этих элементов.
Впрочем, куча - это не единственная структура данных, которой может похвалиться вселенная .NET. К примеру, есть еще и стек, который крайне полезен для хранения "специфических" типов данных. Сейчас мы рассмотрим в деталях, как устроены эти структуры данных в деталях.
Стек
Стек - это структура данных, организованная по принципу LIFO (последний вошел - первый вышел). Если вдуматься, это идеальное решение для хранения данных, к которым вскоре предстоит обратиться (легко извлекаются с вершины стека). Де-факто природа области стека заключается в двух постулатах: "помнить" порядок выполнения и хранить значимые типы данных.
Запоминание порядка выполнения - обращение к стеку
Большая часть кода, который мы пишем, инкапсулирован в классы и методы, которые вызывают другие методы, и так далее. .NET Framework обязан всегда "помнить" порядок вызовов участков кода. Более того, так же нужно хранить данные о состоянии переменных и значениях параметров, передаваемых при вызове методов (дабы суметь восстановить состояние вызывающего метода после завершения работы вызываемого).
При каждом вызове метода .NET инициализирует стек-фрейм (что-то вроде контейнера), где и хранится вся необходимая информация для выполнения методов: параметры, локальные переменные, адреса вызываемых строчек кода. Стек-фреймы создаются в стеке друг на друге. Все это прекрасно проиллюстрировано ниже:
Стек используется для хранения порядка выполнения кода и часто называется стеком вызова, стеком выполнения или программным стеком.
Давайте взглянем на следующий участок кода:
Дабы вызвать Method2, фреймворк должен сохранить адрес конца выполнения метода, которым будет следующая строчка кода (строчка 4 в примере ниже). Этот адрес вместе с параметрами и локальными переменными вызываемого и вызывающего метода хранятся в стеке вызова, как показано на схеме ниже.
Также вы можете увидеть, что происходит, когда Method3 завершает свое выполнение (стек-фрейм покидает стек вызова).
Хранение значимых типов
Также стек используется для хранения переменных любых значимых типов .NET - включая: bool, decimal, int и так далее.
Ссылочные типы - это типы, которые хранят данные и ссылку на эти данные в рамках одной области памяти. Что так же интересно, так это то, что все локальные переменные значимых типов при завершении выполнения метода очищаются. Это происходит по той причине, что при завершении работы метода его стек-фрейм становится недоступным - стек имеет указатель на начало стек-фрейма на вершине стека вызова (текущий указатель стек-фрейма), который просто перемещается на следующий стек-фрейм после окончания работы текущего (физически данные все еще находятся в стеке вызова, но на практике получить доступ к ним через стандартный .NET-механизм невозможно).
Видео курсы по схожей тематике:
Куча
Куча схож со стеком, но если стек представляется в виде последовательности коробок, складируемых друг на друге, в случае с кучей эти самые коробки аккуратно разложены и мы можем получить к ним доступ в любое время.
Хранение ссылочных типов
Все прочие переменные, которые не являются значимыми (производные от object), являются ссылочными типами данных. Все ссылочные типы данных хранятся в управляемой куче (малой или большой - в зависимости от размера). Впрочем, пусть даже и значение объекта хранится в куче, ссылка на него хранится в стеке.
Рассмотрим следующий код:
Фигура ниже иллюстрирует, как выглядит стек и куча в плане хранения данных:
OBJREF, хранимый в стеке, на самом деле является ссылкой на объект MyClass, хранимый в куче.
Заметка: выражение MyClass myObj совершенно не занимает места в куче переменной myObj. Здесь всего лишь создается переменная OBJREF в стеке, после чего она инициализируется значением null. Как только выполняется команда new, куча получает действительное место памяти объекта, а сам ссылочный объект получает по адресу свое значение.
Значимые типы против ссылочных типов (стек против кучи)
Основное различие между ссылочными и значимыми типами данных заключается в том, что ссылочные типы данных передаются по адресу – то есть при передаче ссылочной переменной в виде параметра метода передается всего лишь общий адрес на ячейку памяти с данными объекта. В случае же со значимыми типами данных, между методами передается копия самого объекта. Вот как это выглядит схематически:
Как уже и было сказано, в случае со ссылочными типами данных, при присваивании ссылочному типу данных значения другого ссылочного типа данных, происходит присваивания адреса, тогда как ячейка памяти со значением остается прежней.
Бесплатные вебинары по схожей тематике:
Конечно, хранение одного вида информации в стеке, другого в куче, имеет свои причины, которые мы рассмотрим в грядущих статьях. :)
Заключение
В сегодняшней статье мы рассмотрели область стека и кучи, два вида организации памяти для работы в рамках .NET-приложения. В следующей статье мы познакомимся с процессом упаковки и распаковки, а также узнаем, как это сказывается на производительности нашего приложения.
До новых встреч!
Автор перевода: Евгений Лукашук
Статьи по схожей тематике
