c# - 有什么工具可以在.NET 程序执行时查看变量的存储位置？是在栈上还是堆上？

Question

很久以前，我想知道变量(无论是值类型还是引用类型)的确切存储位置。它会在堆栈上还是堆上？

我已阅读 Eric Lippert’s article一样的。

出于好奇，我想要的是交叉验证我所理解的相同内容。是否存在相同的工具？或者我会以任何方式知道，当 .NET 程序正在执行时，哪些变量会存储在堆栈中？哪个存储在堆上？

谢谢

Answer 1

将存储按堆栈和堆划分的想法是一种方便的抽象，可以很好地为您服务。但更复杂的是，.NET 程序中有 6 个不同的变量存储位置。

这里选择的工具是调试器，它可以准确显示变量的存储位置。这确实需要深入了解机器代码的工作原理。使用 Debug + Windows + Disassembly 查看机器码。查看程序的发布版本并更改设置，即使在调试时也能优化代码，这一点也很重要。工具 + 选项、调试、常规，取消勾选“模块加载时抑制 JIT 优化”选项。您现在将看到机器代码将在您的用户机器上执行的方式。

你必须事先知道的事情才能理解这一切:

引用类型的对象存储在 GC 堆上。存储引用的变量与值类型值具有相同类型的存储选择。

值类型值或对象引用有六个可能的存储位置:

如果变量是引用类型

的成员，则它们存储在 GC 堆上。

如果变量声明为静态

，它们将存储在 AppDomain 的加载程序堆中。

如果变量为 [ThreadStatic]

，则它们存储在线程本地存储中

如果变量是方法参数或局部变量

，它们可以存储在堆栈帧中。

如果变量是方法参数或局部变量，它们可以存储在 CPU 寄存器中

特定于 x86 抖动，Single 或 Double 类型的变量可以存储在 FPU 堆栈中。

后三个要点是它变得复杂的地方，以及为什么您需要查看机器代码以找出它们的存储位置。它是高度特定于实现的，抖动的类型很重要。并且受您是否启用抖动优化器的影响很大。在这里做出正确的选择对于性能非常重要。粗略的轮廓(跳过ARM抖动):

前两个方法参数存储在 x86 抖动的 CPU 寄存器中，包括实例方法的 this 值。 x64 抖动使用 4 个寄存器。浮点处理器寄存器用于传递 x86 上的 Single 和 Double 类型的变量，x64 上的 XMM 寄存器

函数返回值在 CPU 寄存器中返回，如果合适，使用 EAX 或 RAX 寄存器，如果它是浮点值，则使用 ST0。如果它不适合，则调用者在堆栈帧上为该值保留空间并将指针传递给它

抖动优化器寻找机会在 CPU 寄存器中存储局部变量。如果因为寄存器用完而被迫这样做，它可能会将寄存器溢出回堆栈帧。

这些实现细节有许多可观察到的副作用:

获取存储在 cpu 寄存器中的局部变量会使代码难以调试。调试器对存储位置的了解不够。这是 Debug 版本存在的主要原因，它抑制了优化，因此您可以轻松检查局部变量，调试器确实知道用于变量

的堆栈帧槽。

您无法检查方法的返回值，这在调试时会带来很大的不便。调试器对抖动选择的存储位置的了解不足以可靠地找到该值。编辑:在 VS2013 中修复

由于变量被优化为存储在 cpu 寄存器中，因此您可能难以调试线程问题。在循环或 if() 语句中测试值会产生寄存器中值的副本，而不是存储在内存中的值。特别是 x86 抖动问题和 volatile 关键字的原因，该关键字抑制了此优化

您可以初始化指向局部变量的指针，而无需固定它。与存储在 GC 堆中的变量可能会被垃圾回收移动并因此需要固定不同，局部变量具有固定的存储地址，该地址在整个方法体

中均有效。

为堆栈帧分配的空间量由抖动决定。但是可以自己分配一个块，C# stackalloc 关键字支持它。这是您可以直接分配的最快内存

将浮点值存储在 FPU 寄存器中会导致浮点精度问题。当它存储在 FPU 中时，值以 80 位精度存储。但是当它溢出到内存时，它会被截断为 32 或 64 位精度。这种溢出何时发生的不可预测性(加上 x64 抖动的不同策略)会产生不同的浮点结果，如果计算丢失了很多有效数字，则微小的变化会导致计算结果的巨大差异。