一個static和面試官扯了一個小時，舌戰(zhàn)加強版

一：背景

1. 講故事

最近也是奇怪，在社區(qū)里看到好幾篇文章聊static 的玩法以及怎么拿這個和面試官扯半個小時，有點意思，點進去看都是java版的，這就沒意思了，怎么也得有一篇和面試官扯C# 中的 static用法撒，既然沒有人開這個頭，那我就獻丑了。。。，下面以QA的方式記述，大家可以代入一下能回答幾個問題。

二：QA環(huán)節(jié)

  • 面試官： 請問您都是在什么場景下用static的？

解析： 可能面試官潛意識的想問問你會不會使用本地緩存。

  • 碼農(nóng)： 先不說我的場景，縱觀C#的底層FCL源碼，你會發(fā)現(xiàn)很多的 static修飾的集合，如ThreadPool:

    [SecurityCritical]
    private static bool QueueUserWorkItemHelper(WaitCallback callBack, object state, ref StackCrawlMark stackMark, bool compressStack)
    {
        QueueUserWorkItemCallback callback = new QueueUserWorkItemCallback(callBack, state, compressStack, ref stackMark);
        ThreadPoolGlobals.workQueue.Enqueue(callback, forceGlobal: true);
        result = true;
    }

其中的 workQueue 就是一個靜態(tài)隊列，不僅如此還有Quartz底層自研的線程池，還有web中的Session，Application，無非就是想用static做一個池化技術和AppDomain級的本地緩存，所以我的應用場景也無非是這些了。

  • 面試官： 您會幾種實現(xiàn)單例的方式？

解析：既然面試官想和你扯static，就是想看看你會不會用 static cctor靜態(tài)構造器構建單例!

  • 碼農(nóng)： 實不相瞞，不管是用懶漢式還是餓漢式，大體上也就這幾種 雙檢鎖, static cctor, Lazy<T>, 不知道您想讓我細說哪一種？
  • 面試官： 那就說一下靜態(tài)構造函數(shù)為什么可以實現(xiàn)單例？

解析： 可能覺得碼農(nóng)回答的有點拽，問深一點看看是不是唬人的。

  • 碼農(nóng)：說到單例，每一個人都會提到在多線程場景下的并發(fā)問題導致多個單例的尷尬，所以有了給代碼加上各種花哨的鎖，比如剛才我提到的雙檢索,所以說沒有鎖。。。這個問題是搞不定的，換句話說 靜態(tài)構造函數(shù) 也是用了鎖機制。
  • 面試官： 你確定用到了鎖？ 有證據(jù)嗎？

解析： 有戲了，對你產(chǎn)生感興趣了，愿聽其詳。

  • 碼農(nóng)： 既然要證據(jù)，那我先構思一段如下代碼：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Person person = new Person();
            Console.ReadLine();
        }
    }

    class Person
    {
        static Person()
        {
            Console.WriteLine("正在處理靜態(tài)函數(shù)");
            Console.ReadLine();
        }
    }

然后抓一個dump文件，用windbg 看一下主線程的托管和非托管堆棧。


0:000> ~0s
ntdll!NtReadFile+0x14:
00007ff8`8d2eaa64 c3              ret
0:000> !dumpstack 
OS Thread Id: 0x4ac0 (0)
Current frame: ntdll!NtReadFile+0x14
Child-SP         RetAddr          Caller, Callee
000000c119bfdcd0 00007ff817090957 (MethodDesc 00007ff816f85aa8 +0x37 ConsoleApp6.Person..cctor()), calling (MethodDesc 00007ff8741140b8 +0 System.Console.ReadLine())
000000c119bfdd10 00007ff8765e6c93 clr!CallDescrWorkerInternal+0x83
000000c119bfdd18 00007ff87660a51c clr!ListLockEntry::FinishDeadlockAwareEnter+0x40, calling clr!GetThread
000000c119bfdd50 00007ff8765e6b79 clr!CallDescrWorkerWithHandler+0x4e, calling clr!CallDescrWorkerInternal
000000c119bfdd80 00007ff87390d663 clrjit+0x1d663, calling clrjit+0x1be60
000000c119bfdd90 00007ff87660c56b clr!DispatchCallDebuggerWrapper+0x1f, calling clr!CallDescrWorkerWithHandler
000000c119bfddf0 00007ff87660c535 clr!DispatchCallSimple+0x93, calling clr!DispatchCallDebuggerWrapper
000000c119bfde40 00007ff87660a5b9 clr!MethodTable::EnsureInstanceActive+0x110, calling clr!DomainFile::EnsureLoadLevel
000000c119bfde90 00007ff87660bf65 clr!MethodTable::RunClassInitEx+0x111, calling clr!DispatchCallSimple
000000c119bfdec0 00007ff88d350119 ntdll!RtlDebugFreeHeap+0x2a9, calling ntdll!RtlLeaveCriticalSection
000000c119bfdee0 00007ff88d2b77a2 ntdll!RtlInitializeCriticalSection+0xa2, calling ntdll!_security_check_cookie
000000c119bfdf80 00007ff87660a51c clr!ListLockEntry::FinishDeadlockAwareEnter+0x40, calling clr!GetThread
000000c119bfdfc0 00007ff87660c15c clr!MethodTable::DoRunClassInitThrowing+0x3b9, calling clr!MethodTable::RunClassInitEx
000000c119bfe810 00007ff8765f08b4 clr!ListLockEntry::`scalar deleting destructor'+0xd4, calling clr!operator delete
000000c119bfff10 00007ff88d044034 KERNEL32!BaseThreadInitThunk+0x14, calling KERNEL32!guard_dispatch_icall_nop
000000c119bfff40 00007ff88d2c3691 ntdll!RtlUserThreadStart+0x21, calling ntdll!guard_dispatch_icall_nop

仔細看上面的代碼，你會發(fā)現(xiàn)有很多處 ListLockEntry，這就和鎖扯上了關系哈，這算證據(jù)不？

  • 面試官： 小伙子windbg玩的挺溜，那請回答一下靜態(tài)變量是存在哪的，有什么證據(jù)嗎？

解析：轉(zhuǎn)變思路，開始證據(jù)先行了??????。

  • 碼農(nóng)： 猶記得 CLR via C# 中說靜態(tài)變量是存放在類型對象中，這就好辦了，我去挖一下不就可以了哈，其實CLR內(nèi)部用了兩個數(shù)據(jù)結構來表示 類型對象 和 對象類型，一個叫做 EEClass一個叫做 方法表，下面我定義一個 lockMe 的靜態(tài)變量，代碼如下：
    class Person
    {
        public static object lockMe = new object();

        static Person()
        {
            Console.WriteLine("正在處理靜態(tài)函數(shù)");
            Console.ReadLine();
        }
    }

然后祭出殺器 windbg ，用 name2ee 找到Person的EEClass將它打出來。


0:000> !name2ee ConsoleApp6.exe!ConsoleApp6.Person
Module:      00007ff816fb4140
Assembly:    ConsoleApp6.exe
Token:       0000000002000003
MethodTable: 00007ff816fb5ae8
EEClass:     00007ff816fb2558
Name:        ConsoleApp6.Person

0:000> !DumpClass /d 00007ff816fb2558
Class Name:      ConsoleApp6.Person
mdToken:         0000000002000003
File:            C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp6\bin\x64\Debug\ConsoleApp6.exe
Parent Class:    00007ff873f52f68
Module:          00007ff816fb4140
Method Table:    00007ff816fb5ae8
Vtable Slots:    4
Total Method Slots:  6
Class Attributes:    0  
Transparency:        Critical
NumInstanceFields:   0
NumStaticFields:     1
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
00007ff873f75dd8  4000001        8        System.Object  0   static 0000020ae5c42d90 lockMe

可以看到最后一行的 lockMe，就是那本書中所說的類型對象存儲的靜態(tài)字段。

  • 面試官： 那既然 static 屬于類型對象，為什么GC不回收它呢？

解析： 開啟三連擊，看你沉浮有多深？

  • 碼農(nóng)： 為什么GC不回收它？ 這里我有兩個個人觀點：

<1> clr的底層機制決定的

clr在啟動gc組件進行回收前，會先在堆中找?guī)最恟oot對象，從而開啟標記引用鏈之路，常見的root對象有：

第一個： 方法的局部變量，這個JIT在編譯方法的時候最清楚，它通過維護一個表給GC參謀。

第二個： static變量，這是天然的root根，與AppDomain共存亡。

第三個： 其他亂七八糟的root根。

<2> static地址是在啟動堆，而不是在托管堆，理應不受GC管控

這句話的證據(jù)在哪里呢？ 在 C# via CLR 那本書中說，JIT開始編譯方法內(nèi)代碼的時候，會判斷當前的類型Pereson是否已經(jīng)在AppDomain中加載了，如果沒有很顯然會拋異常，如果有此類型，那就從程序集的元數(shù)據(jù)中找到該類型的所有描述構建Person的 EEClass數(shù)據(jù)結構。

使用 ILDasm 查看程序集中關于構建EEClass的Person元數(shù)據(jù)。

可以看到確實有 lockMe 的元數(shù)據(jù)表示，有了這些EEClass就可以構建出來，然后JIT編譯器可以將其分配在加載堆和AppDomain綁定，接下來的問題是怎么去看是在加載堆？？？用什么命令去看，當然是windbg啦,用 !eeheap -loader 即可。


0:000> !eeheap -loader
Loader Heap:
--------------------------------------
System Domain:     00007ff877002af0
LowFrequencyHeap:  00007ff816f80000(3000:3000) Size: 0x3000 (12288) bytes.
HighFrequencyHeap: 00007ff816f84000(9000:1000) Size: 0x1000 (4096) bytes.
StubHeap:          00007ff816f8d000(3000:2000) Size: 0x2000 (8192) bytes.
Total size:        Size: 0xa000 (40960) bytes.
--------------------------------------
Shared Domain:     00007ff877002520
LowFrequencyHeap:  00007ff816f80000(3000:3000) Size: 0x3000 (12288) bytes.
HighFrequencyHeap: 00007ff816f84000(9000:1000) Size: 0x1000 (4096) bytes.
StubHeap:          00007ff816f8d000(3000:2000) Size: 0x2000 (8192) bytes.
Total size:        Size: 0xa000 (40960) bytes.
--------------------------------------
Domain 1:          000001246cae21f0
LowFrequencyHeap:  00007ff816f90000(3000:3000) Size: 0x3000 (12288) bytes.
HighFrequencyHeap: 00007ff816f93000(a000:3000) Size: 0x3000 (12288) bytes.
StubHeap:          Size: 0x0 (0) bytes.
Total size:        Size: 0x6000 (24576) bytes.
--------------------------------------
Total LoaderHeap size:   Size: 0x1a000 (106496) bytes.
=======================================

從上圖中可以看到，C#應用程序會有三個應用程序域： System Domain,Shared Domain, Domain1，每一個AppDomain都有自己的私有加載堆，我們的 Person 類型不出意外就是在 Domain 1 上了哈，如果你好奇可以看看這個AppDomain都有啥。


0:000> !DumpDomain /d 000001246cae21f0
--------------------------------------
Domain 1:           000001246cae21f0
LowFrequencyHeap:   000001246cae29e8
HighFrequencyHeap:  000001246cae2a78
StubHeap:           000001246cae2b08
Stage:              OPEN
SecurityDescriptor: 000001246cae4870
Name:               ConsoleApp6.exe
Assembly:           000001246cb7f990 [C:\WINDOWS\Microsoft.Net\assembly\GAC_64\mscorlib\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll]
ClassLoader:        000001246cb7fae0
SecurityDescriptor: 000001246cb7e230
  Module Name
00007ff873f51000            C:\WINDOWS\Microsoft.Net\assembly\GAC_64\mscorlib\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll

Assembly:           000001246cb954c0 [C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp6\bin\x64\Debug\ConsoleApp6.exe]
ClassLoader:        000001246cb95610
SecurityDescriptor: 000001246cb933f0
  Module Name
00007ff816f94140            C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp6\bin\x64\Debug\ConsoleApp6.exe

程序集下就是 Module，如你看到的 ConsoleApp6.exe就是一個module哈，還可以繼續(xù)dump module看元數(shù)據(jù)啥的。

總之你讓我找到lockme在啟動堆上的地址，目前還沒這個能力，不過要知道的是，lockMe 引用的object地址是在啟動堆上分配，而object對象是在托管堆上分配的，不要搞混淆了。

三：后續(xù)

面試官看了看手表，已經(jīng)快一個小時了，此時面試官心里有了答案，按照職場潛規(guī)則，萬不可錄取，不然我的位置往哪擱呢？

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