堆棧與託管堆

這是雨痕的的文章，原文在這裡。

關於 CLR 記憶體管理員模式，各種書籍和網路文章各執一詞，十分混亂。大多數時候也只是泛泛提到 "託管堆" 和 "堆棧" 而已，其實際過程非常複雜。鑒於沒有一個統一的說法，我也不能保證本文的準確性。

當 CLR 建立執行線程時，會依據 mainfest 中的 ".stackreserve 0x00100000" 指令為當前線程分配 1MB 的呼叫堆疊(Call Stack)記憶體。呼叫堆疊不同於託管堆(Managed Heap)，它不負責儲存託管引用對象，只是用來維護方法調用次序，執行 IL 指令。而當我們使用 call、callvirt 等指令調用一個方法時，CLR 會在呼叫堆疊中分配一個稱之為堆疊框架(Stack Frame) 的記憶體塊用於執行目標方法代碼。就是一個堆疊框架的記憶體。

，每個堆疊框架中包含三塊記憶體：參數表 (Argument Table) 用於儲存方法參數，內部變數表 (Local Variable Table) 儲存方法局部變數(.locals init)，而 計算堆棧 (Evaluation Stack) 則是 IL 代碼執列區域。執行 IL 指令前，相關指令資料(Data)或其地址(Address)被壓入計算堆棧，然後執行指令並彈出計算結果，執行下一個指令時繼續重複這樣的動作，直到方法調用結束。這三部分記憶體共同構成了一個方法的記憶體執行環境，需要注意的是其大小單位並不是 byte，而是 slot。每個 slot 可以儲存一個託管單元(對象)，我們可以在方法體中使用 .maxstack 指令控制當前方法計算堆棧的大小。

.method private hidebysig static void Test1(int32& x) cil managed
{
  .maxstack 8
}

回到方法調用流程，當我們使用 call 等指令調用一個方法時，CLR 為目標方法在呼叫堆疊上新分配一個堆疊框架，並將方法參數從當前方法的計算堆棧彈出壓入目標方法的參數表中，接著執行流程跳轉到目標方法。當執行 .locals init 指令時，會在其內部變數表中建立相應的內部變數，然後使用目標方法的計算堆棧完成 IL 指令執行。當目標方法 IL 指令結束時，其傳回值(如果有)會被彈出(pop)並壓入(push)最初調用者的計算堆棧中，ret 指令將控制權返回給調用者，目標方法堆疊框架被拋棄，所佔用記憶體被釋放。

相關概念

棧(Stack)和堆(Heap)不同，它是一種線性結構，而堆是一種鏈式結構。棧按照先進後出 (LIFO - Last In First Out) 的原理工作，通過一個指標來維護記憶體佔用。當我們釋放一段記憶體時，只要將指標回複到某個起始位置即可，因此它的執行效率非常高。而託管堆(Managed Heap)是動態分配的記憶體地區，由 GC 進行管理，每個進程中的所有線程共用一個託管堆。

.NET CLR 和 Java VM 都是一種被稱之為堆棧式虛擬機器(Stack-Base VM)的技術，它的執行機制和我們所熟悉的 80x86 執行方式有所不同，它並沒有寄存器的概念，他們的指令集(Instruction Set) 都是採用堆棧進行運算，首先將資料(Data)壓入棧，然後進行操作。此處的堆棧就是我們上面所說的計算堆棧(Evaluation Stack)。