數(shù)組是C#中最基礎的存儲結(jié)構(gòu)之一，很多的存儲結(jié)構(gòu)其底層的實現(xiàn)中都是基于數(shù)組實現(xiàn)的，如：List、Queue、Stack、Dictionary、Heap等等，如果大家讀過這些類型的底層實現(xiàn)源碼，其實就可以發(fā)現(xiàn)，這些存儲結(jié)構(gòu)都是在其內(nèi)部維護了一個或多個數(shù)組。本文重點來學習一下數(shù)組存儲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)邏輯。

　　首先，我們來看看數(shù)組的定義：靜態(tài)數(shù)組是由相同類型的元素線性排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在計算機上會分配一段連續(xù)的內(nèi)存，對元素進行順序存儲。從以上的描述中，我們可以發(fā)現(xiàn)幾個征："相同類型、連續(xù)內(nèi)存、順序存儲"，這樣的結(jié)構(gòu)特性，可以能做到基于下標，對數(shù)組進行 O(1) 時間復雜度的快速隨機訪問。

　　那么數(shù)組為什么可以做到快速隨機訪問？我們可以先來簡單的說明一下，"存儲數(shù)組時，會事先分配一段連續(xù)的內(nèi)存空間，將數(shù)組元素依次存入內(nèi)存。因為數(shù)組元素的類型都是一樣的，所以每個元素占用的空間大小也是一樣的，這樣我們就很容易用“數(shù)組的開始地址 +index* 元素大小”的計算方式，快速定位到指定索引位置的元素，這也是數(shù)組基于下標隨機訪問的復雜度為 O(1) 的原因。"這樣的描述可能是絕大部分同學都有所接觸到的內(nèi)容，并且也能讓大家大致的了解到其存儲原理，但是C#數(shù)組的存儲結(jié)構(gòu)是如何具體實現(xiàn)的呢？

　　本文將從一個數(shù)組的基礎操作開始，逐步來推導數(shù)組的在C#基礎操作、數(shù)組在CoreCLR的維護策略，數(shù)組在C++的內(nèi)存分配等階段具體是如何實現(xiàn)的。

　　首先，我們先來看一個簡單的數(shù)組定義、初始化、賦值、取值的過程。

int[] myIntArray = new int[5] { 1, 2, 3, 4, 5 };
        for (int j = 0; j < 10; j++ )
        {
           Console.WriteLine("Element[{0}] = {1}", j, myIntArray[j]);
        }

　　這個過程中具體的實現(xiàn)邏輯什么樣的呢，對于C#數(shù)組在內(nèi)存的存儲方式、數(shù)組的Cpoy、動態(tài)數(shù)組的擴容機制是什么樣的呢？在C#中Array充當數(shù)組的基類，用于創(chuàng)建、處理、搜索數(shù)組并對數(shù)組進行排序，但是只有系統(tǒng)和編譯器才能顯式從Array類派生。接下來我們就來了解一下Array底層源碼實現(xiàn)。對于數(shù)組的初始化，我們使用以上示例中的int[]進行介紹。在C#中所有的數(shù)組類型都集成自抽象類Array，在對int[]初始化的過程中，都會使用array的CreateInstance()方法，該方法存在多個重載，主要區(qū)別為用于創(chuàng)建一維、二維、三維等不同維數(shù)的數(shù)組結(jié)構(gòu)，以下我們來看一下對于一維數(shù)據(jù)的創(chuàng)建代碼。

public static unsafe Array CreateInstance(Type elementType, int length)
        {
            RuntimeType? t = elementType.UnderlyingSystemType as RuntimeType;
            return InternalCreate(t, 1, &length, null);
        }

　　上面的代碼中，我們可以發(fā)現(xiàn)兩個地方需要關注，第一部分：RuntimeType? t = elementType.UnderlyingSystemType as RuntimeType；該方法獲取數(shù)組元素類型的基礎系統(tǒng)類型，并將其轉(zhuǎn)換為 RuntimeType。第二部分：InternalCreate(t, 1, &length, null)具體創(chuàng)建數(shù)組的操作，我們來看一下其實現(xiàn)的源碼。(源碼進行部分刪減)

private static unsafe Array InternalCreate(RuntimeType elementType, int rank, int* pLengths, int* pLowerBounds)
        {
            if (rank == 1)
            {
                return RuntimeImports.RhNewArray(elementType.MakeArrayType().TypeHandle.ToEETypePtr(), pLengths[0]);
            }
            else
            {
                int* pImmutableLengths = stackalloc int[rank];
                for (int i = 0; i < rank; i++) pImmutableLengths[i] = pLengths[i];
                return NewMultiDimArray(elementType.MakeArrayType(rank).TypeHandle.ToEETypePtr(), pImmutableLengths, rank);
            }
        }

　　該方法用于在運行時創(chuàng)建數(shù)組，其中參數(shù)elementType表示數(shù)組元素運行時的類型，rank表示數(shù)組的維度，pLengths表示指向數(shù)組長度的指針，pLowerBounds表示指向數(shù)組下限（如果有的話）的指針。根據(jù)設定的rank的值，創(chuàng)建一維或多維數(shù)組。其中elementType.MakeArrayType().TypeHandle.ToEETypePtr()表示先將當前type 對象表示的類型通過 MakeArrayType 方法創(chuàng)建一個數(shù)組類型，然后獲取該數(shù)組類型的運行時類型句柄，最后通過 ToEETypePtr 方法將運行時類型句柄轉(zhuǎn)換為指向類型信息的指針。我們先看一下創(chuàng)建一維數(shù)組的邏輯，具體代碼如下：

[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
        [RuntimeImport(RuntimeLibrary, "RhNewArray")]
        private static extern unsafe Array RhNewArray(MethodTable* pEEType, int length);
        internal static unsafe Array RhNewArray(EETypePtr pEEType, int length) => RhNewArray(pEEType.ToPointer(), length);

　　該方法是具體實現(xiàn)數(shù)組創(chuàng)建的邏輯，我們先來看一下參數(shù)，其中EETypePtr是CLR中用于表示對象類型信息的指針類型。每個.NET對象在運行時都關聯(lián)有一EEType結(jié)構(gòu)，它包含有關對象類型的信息，例如該類型的方法表、字段布局、基類信息等。

　　這里簡單的介紹一下代碼上面的兩個自定義屬性：

(1)、[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)] 
　　　指示編譯器生成的方法體會被一個外部實現(xiàn)取代，而該外部實現(xiàn)通常由運行時環(huán)境提供。
(2)、[RuntimeImport(RuntimeLibrary, "RhNewArray")] 
　　  這是一個自定義的特性，在項目中定義的用于指示運行時導入的特性。 
在C#中，使用屬性標記運行時導入的位置通常是為了提供額外的元數(shù)據(jù)和信息，以告訴編譯器和運行時環(huán)境如何正確地處理外部方法的調(diào)用。

　　使用屬性標記運行時導入的主要目的有以下幾點：

(1)、元數(shù)據(jù)信息：運行時導入的位置可能包括一些元數(shù)據(jù)信息，如函數(shù)名稱、庫名稱、調(diào)用約定等。 　　  使用屬性可以將這些信息嵌入到C#代碼中，使得代碼更加自解釋，并提供足夠的信息供編譯器和運行時使用。 
(2)、優(yōu)化和安全性：編譯器和運行時環(huán)境可能會使用屬性來進行性能優(yōu)化或安全性檢查。 例如，通過指定調(diào)用約定或其他屬性，可以幫助編譯器生成更有效的代碼。 
(3)、與運行時環(huán)境交互：屬性可以提供一種與底層運行時環(huán)境進行交互的機制。 例如，通過自定義屬性，可以向運行時環(huán)境傳遞一些特殊的標志或信息，以影響方法的行為。
(4)、代碼維護和可讀性：使用屬性可以提高代碼的可維護性和可讀性。 在代碼中使用屬性來標記運行時導入的位置，使得代碼的意圖更加清晰，也有助于團隊協(xié)作。

　　在CLR的內(nèi)部，EETypePtr是一個指向EEType結(jié)構(gòu)的指針，其中EEType是運行時中用于描述對象類型的結(jié)構(gòu)。EEType結(jié)構(gòu)的內(nèi)容由運行時系統(tǒng)生成和管理，而EETypePtr則是對這個結(jié)構(gòu)的指針引用。根據(jù)傳入的運行時對象類型進行處理，我們接下來看一下pEEType.ToPointer()的實現(xiàn)。

 internal unsafe Internal.Runtime.MethodTable* ToPointer()
         {
             return (Internal.Runtime.MethodTable*)(void*)_value;
        }

　　ToPointer()方法目的是將其對象或值轉(zhuǎn)換為指針，MethodTable 是CLR用于管理類和對象的元數(shù)據(jù)，用于存儲類型相關信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個對象在內(nèi)存中都包含一個指向其類型信息的指針，這個指針指向該類型的 MethodTable，用于支持CLR在運行時進行類型檢查、虛方法調(diào)用等操作。那我們來具體看一下MethodTable的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

struct MethodTable
        {
            // 指向類型的虛方法表（VTable）
            IntPtr* VirtualMethodTable;
            // 字段表
            FieldInfo* Fields;
            // 接口表
            InterfaceInfo* Interfaces;
            // 其他元數(shù)據(jù)信息...
        }

　　我們從原始的數(shù)組初始化和賦值，一直推導至對象的數(shù)組空間維護。截止當前，我們獲取到數(shù)組的MethodTable* pEEType數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。接下來我們來看一下CLR對數(shù)組的內(nèi)存空間分配邏輯和維護方案。由于CoreCLR中的實現(xiàn)代碼我們沒有辦法全面的了解，我們接下按照預定的邏輯進行一定的推論。(CCoreCLR的實現(xiàn)代碼絕大部分是使用C++實現(xiàn))

#include <cstdint>
extern "C" {
    struct MethodTable { // 方法表等信息...};
    struct Array { // 數(shù)組相關信息...};
    void* RhNewArray(void* pEEType, int length) {
        // 假設存在一個用于對象分配的函數(shù)，該函數(shù)分配數(shù)組的內(nèi)存
        void* rawArrayMemory = AllocationFunction(length * sizeof(Array));
        // 將傳遞的 pEEType 信息保存到數(shù)組對象中
        Array* newArray = static_cast<Array*>(rawArrayMemory);
        //為數(shù)組對象設置元數(shù)據(jù)信息
        newArray->MethodTablePointer = pEEType;
        return rawArrayMemory;
    }
}

　　以上代碼是一種假設實現(xiàn)方式， AllocationFunction 的函數(shù)用于內(nèi)存分配，并且數(shù)組對象（Array）有一個成員 MethodTablePointer 用于存儲 MethodTable 的指針。接下來我們再來看一下AllocationFunction()方法推測實現(xiàn)邏輯。

void* AllocationFunction(size_t size) {
    // 使用標準庫的 malloc 函數(shù)進行內(nèi)存分配
    void* memory = malloc(size);
    //處理內(nèi)存分配失敗的情況
    ...
    return memory;
}

　　以上的代碼中，使用標準函數(shù)庫malloc()進行內(nèi)存的分配，malloc ()是C標準庫中的一個函數(shù)，用于在運行時動態(tài)分配內(nèi)存。malloc ()接受一個 size 參數(shù)，表示要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。它返回一個指向分配內(nèi)存起始地址的指針，或者在分配失敗時返回 NULL。malloc ()內(nèi)存分配邏輯通常涉及以下步驟：

(1)、請求內(nèi)存空間： malloc() 根據(jù)傳遞的 size 參數(shù)向系統(tǒng)請求一塊足夠大的內(nèi)存空間。 (2)、內(nèi)存分配：如果系統(tǒng)成功分配了請求的內(nèi)存塊，malloc 會在這塊內(nèi)存中標記已分配的部分，并將其起始地址返回給調(diào)用者。 
(3)、返回結(jié)果：如果分配成功，malloc 返回一個指向新分配內(nèi)存的指針。如果分配失?。ɡ纾到y(tǒng)內(nèi)存不足），則返回 NULL。
(4)、內(nèi)存對齊：部分系統(tǒng)要求分配的內(nèi)存是按照特定字節(jié)對齊的。因此，malloc 通常會確保返回的內(nèi)存地址滿足系統(tǒng)的對齊要求。 
(5)、初始化內(nèi)存：malloc 返回的內(nèi)存通常不會被初始化，即其中的數(shù)據(jù)可能是未知的。在使用之前，需要通過其他手段對內(nèi)存進行初始化。 
(6)、內(nèi)存管理：一些實現(xiàn)可能會使用內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤已分配和未分配的內(nèi)存塊，以便在 free 被調(diào)用時能夠釋放相應的內(nèi)存。

　　以上簡單的描述了C++在底層實現(xiàn)內(nèi)存分配的簡單實現(xiàn)方式，對于CoreCLRe中對于數(shù)組的內(nèi)存空間申請相對非常復雜，可能涉及內(nèi)存池、分配策略、對齊要求等方面的考慮。后續(xù)有機會再做詳細的介紹。既然說到CoreCLR的內(nèi)存實現(xiàn)為C++的內(nèi)存分配策略，那我們接下來看一下其對應的常用策略管理策略。我們用一個簡單的數(shù)組的內(nèi)存分配。

int myArray[5]; // 聲明一個包含5個整數(shù)的數(shù)組
 +------+------+------+------+------+
 | int0 | int1 | int2 | int3 | int4 |
+------+------+------+------+------+

　　myArray 是整個數(shù)組的起始地址，然后每個 int 元素按照其大小排列在一起?；谝陨系姆治?，我們可以看到C++對于內(nèi)存的分配概述大致如下：

(1)、元素的內(nèi)存布局：數(shù)組的元素在內(nèi)存中是依次排列的，每個元素占用的內(nèi)存空間由元素的類型決定。 　　  例如，一個 int 數(shù)組中的每個整數(shù)元素通常占用4個字節(jié)（32位系統(tǒng)）或8個字節(jié)（64位系統(tǒng)）。 
(2)、數(shù)組的起始地址：數(shù)組的內(nèi)存分配通常從數(shù)組的第一個元素開始。數(shù)組的起始地址是數(shù)組第一個元素的地址。 
(3)、連續(xù)存儲：數(shù)組的元素在內(nèi)存中是連續(xù)存儲的，這意味著數(shù)組中的每個元素都直接跟在前一個元素的后面。

　　上面介紹了內(nèi)存空間的分配，我們接下來看一下這段代碼的實現(xiàn)邏輯，rawArrayMemory: 這是一個 void* 類型的指針，通常指向分配的內(nèi)存塊的起始位置。static_cast 運算符，將 rawArrayMemory 從 void* 類型轉(zhuǎn)換為 Array* 類型。

  Array* newArray = static_cast<Array*>(rawArrayMemory);

　　我們從以上對于數(shù)組的創(chuàng)建過程中，分析了C#、CoreCLR、C++等多個實現(xiàn)視角進行了簡單的分析。

　　接下來我們回歸到CoreCLR中對于數(shù)組的內(nèi)存空間管理策略，數(shù)組內(nèi)存分配的常用步驟：

1、分配對象頭：為數(shù)組對象分配對象頭，對象頭包含一些元數(shù)據(jù)，如類型指針、同步塊索引等信息。
2、分配數(shù)組元素空間：分配存儲數(shù)組元素的內(nèi)存塊，這是實際存儲數(shù)組數(shù)據(jù)的地方。
3、初始化數(shù)組元素：根據(jù)數(shù)組類型的要求，初始化數(shù)組元素。這可能涉及到對元素進行默認初始化，例如將整數(shù)數(shù)組的每個元素初始化為零。
4、返回數(shù)組引用：返回指向數(shù)組對象的引用，使得該數(shù)組可以被使用。

　　當我們在托管代碼中聲明一個數(shù)組時，CoreCLR會在托管堆上動態(tài)分配內(nèi)存，以存儲數(shù)組的元素，并在分配的內(nèi)存塊中存儲有關數(shù)組的元數(shù)據(jù)，這些元數(shù)據(jù)通常包括數(shù)組的長度和元素類型等信息。CoreCLR通常會對分配的內(nèi)存進行對齊，以提高訪問效率，這可能導致分配的內(nèi)存塊略大于數(shù)組元素的實際大小。可能有同學會問為什么要進行內(nèi)存的對齊，這里就簡單的說明一下。

1、硬件要求：訪問特定類型的數(shù)據(jù)時，其地址應該是某個值的倍數(shù)。

2、提高訪問速度：對齊的內(nèi)存訪問通常比不對齊的訪問更加高效。處理器通常能夠更快地訪問對齊的內(nèi)存，因為這符合硬件訪問模式。

3、減少內(nèi)存碎片：內(nèi)存對齊還有助于減少內(nèi)存碎片，使得內(nèi)存的使用更加緊湊。內(nèi)存碎片可能導致性能下降，因為它可能增加了分配和釋放內(nèi)存的開銷。

4、硬件事務：一些處理器和操作系統(tǒng)支持原子操作，但通常要求數(shù)據(jù)是按照特定的對齊方式排列的。

　　上面介紹了為什么需要進行內(nèi)存對齊，那么對于CoreCLR的內(nèi)部實現(xiàn)是如何進行內(nèi)存對齊的呢？我們簡潔的介紹一下實現(xiàn)大流程：

1、使用操作系統(tǒng)的內(nèi)存分配函數(shù)：使用操作系統(tǒng)提供的內(nèi)存分配函數(shù)來分配托管堆上的內(nèi)存。在Windows上可能是HeapAlloc。

2、對齊方式的指定：在調(diào)用內(nèi)存分配函數(shù)時，會指定所需的對齊方式。通常是以字節(jié)為單位的對齊值。常見的對齊值包括4字節(jié)、8字節(jié)等。

3、內(nèi)存塊的對齊：內(nèi)存分配函數(shù)返回的內(nèi)存塊通常是按照指定的對齊方式進行對齊的。CLR確保返回的內(nèi)存塊的起始地址符合對齊規(guī)則。

4、對齊規(guī)則的維護：維護對齊規(guī)則的信息，確保在托管堆上分配和釋放的內(nèi)存塊都符合相同的對齊方式。

5、內(nèi)存對齊的優(yōu)化：對內(nèi)存對齊進行一些優(yōu)化，以提高訪問效率。例如，它可以在對象的布局中考慮對齊規(guī)則，以減少內(nèi)存碎片。

　　具體的數(shù)組內(nèi)存分配策略可能會因CLR的版本和實現(xiàn)而異。不同的垃圾回收算法（如標記-清除、復制、標記-整理等）以及不同的GC代（新生代、老年代）也可能影響內(nèi)存分配的具體實現(xiàn)。在.NET中，CLR提供了不同的垃圾回收器實現(xiàn)，例如Workstation GC和Server GC。Workstation GC通常適用于單處理器或少量處理器的環(huán)境，而Server GC適用于多處理器環(huán)境。這些GC實現(xiàn)可能在內(nèi)存分配和回收方面有一些差異。

　　本文借助了一個數(shù)組的初始化和賦值為樣例，逐層的分析了數(shù)組對象運行時結(jié)構(gòu)的獲取、對象MethodTable結(jié)構(gòu)的分析、CoreCLR底層對數(shù)組內(nèi)存結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建推導、C++對于內(nèi)存的分配策略等視角，最后還綜合的介紹了CoreCLR對于數(shù)組內(nèi)存的創(chuàng)建步驟。

　　我們一直以來對于數(shù)組的內(nèi)存分配，都有一個整體的認識，其特點是"相同類型、連續(xù)內(nèi)存、順序存儲"，對于其連續(xù)內(nèi)存的特點記憶深刻，但是在內(nèi)部如何實現(xiàn)進行的連續(xù)內(nèi)存卻沒有整體的了解，C#內(nèi)部是如何完成不同類型對象數(shù)組的運行時創(chuàng)建，在CoreCLR內(nèi)部如何進行內(nèi)存的劃分是沒有做過了解和推導，甚至于CoreCLR內(nèi)部是如何維護一個對象的結(jié)構(gòu)，很多時候都只是了解到運行時對象使用Type類型就可以得到，那么CoreCLR內(nèi)部如何來維護這個Type呢？其實很多時候沒有特點去了解過其結(jié)構(gòu)。

　　以上內(nèi)容是對C#中Array的存儲結(jié)構(gòu)的簡單介紹，如錯漏的地方，還望指正。

到此這篇關于深度分析C#中Array的存儲結(jié)構(gòu)的文章就介紹到這了,更多相關C# Array存儲結(jié)構(gòu)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！