C# quản lý bộ nhớ như thế nào?

Một trong những ưu điểm của C# là ta không cần quan tâm về việc quản lí bộ nhớ bên dưới vì điều này đã được bộ gom rác ( garbage collector ) của C# làm rồi . Mặc dù vậy nếu ta muốn viết các đoạn mã tốt, có hiệu suất cao , ta cần tìm hiểu về cách quản lí bộ nhớ  bên dưới. Bài viết này sẽ trình bày về điều gì xảy ra trong bộ nhớ khi ta dùng các biến. Để chúng ta thực sự hiểu được cơ chế quản lý bộ nhớ bên dưới của C#.

1. Giá trị các kiểu dữ liệu

-   Chúng ta sẽ tìm hiểu những gì xảy ra khi ta tạo ra một biến của kiểu giá trị. Kiểm tra điều gì xảy ra trong bộ nhớ khi thực hiện các dòng lệnh :

{
       int nRacingCars = 10;
       double engineSize = 3000.0;
      // do calculations;
}

-   Window dùng hệ thống địa chỉ ảo ( virtual addressing) ánh xạ từ địa chỉ bộ nhớ mà chương trình ta thấy đến vị trí thực sự trong bộ nhớ vật lý hoặc trên đĩa được quản lí phía sau windows. Kết quả là mỗi ứng dụng trên nền xử lí 32-bit thấy được 4GB bộ nhớ , không cần biết bộ nhớ vật lí thực sự có kích thước bao nhiêu ( nền xử lí 64bit thì bộ nhớ này lớn hơn) 4GB bộ nhớ này được gọi là không gian địa chỉ ảo ( virtual address space ) hay bộ nhớ ảo ( virtual memory) .để đơn giản ta gọi nó là bộ nhớ mỗi vùng nhớ từ 4GB này được đánh số từ 0 . Nếu ta muốn chỉ định 1 giá trị lưu trữ trên 1 phần cụ thể trong bộ nhớ , ta cần cung cấp số đại diện cho vùng nhớ này.trong ngôn ngữ cấp cao , như là C# ,VB,C++ ,Java ..1 trong những thứ mà trình biên dịch làm là chuyển đổi tên đọc được ( ví dụ tên biến ) thành địa chỉ vùng nhớ mà bộ xử lí hiểu. 4GB bộ nhớ này thực sự chứa tất cả các phần của chương trình bao gồm mã thực thi và nội dung của biến được dùng khi chương trình chạy. bất kì DLLs đưọc gọi sẽ nằm trong cùng không gian địa chỉ này, mỗi mục của mã hoặc dữ liệu sẽ có vùng định nghĩa riêng đâu đó trong bộ nhớ là 1 vùng gọi là stack( ngăn xếp) . stack là nơi giá trị kiểu dử liệu được lưu.khi ta gọi phương thức stack cũng được dùng để sao chép các thông số được truyền.để hiểu cách stack làm việc.ta cần lưu ý về phạm vi của biến trong C#. ví dụ :

{
      int a;
      // do something
      {
         int b;
         // do something else
      }
}

-  Đầu tiên a được khai báo, thì bên khối bên trong , b được khai báo. Sau đó khối bên trong bị ngắt và b ra ngoài phạm vi, a ra ngoài phạm vi , vì thế đời sống của b nằm trong đời sống của a .

-  Chúng ta sẽ xem điều gì xảy ra khi ta khai báo biến nRacingCars và engineSize từ ví dụ đầu đâu đó trong chương trình có một thứ gọi là con trỏ stack ( stack pointer). Đây đơn giản là 1 biến ( và 1 địa chỉ trong bộ nhớ) mà chỉ cho ta địa chỉ của vùng trống kế tiếp trong stack.khi chương trình chạy,con trỏ stack sẽ trỏ đến phần cuối của khối bộ nhớ mà được giữ trong stack.

-  Và đây là một đoạn tiếng anh nói về các đặc tính của Stack:

“The stack actually fills downwards, from high memory addresses to low addresses. As data is put on the stack, the stack pointer will be adjusted accordingly, so it always points to just past the next free location. Now, we don’t know exactly where in the address space the stack is – we don’t need to know for C# development – but let’s say for the sake of argument, that immediately before the above code that allocates the variables is executed, the stack pointer contains the value 800000 or, in hexadecimal, 0xC3500). We are taking this memory location just for the sake of argument, to keep the numbers simple. In fact, later on when we start running code that uses pointers, we will see that the stack actually starts round about memory location 1243328 (0x12F8C8). However, we can explain the principles of how the stack works just as well using any address, so we may as well pick a simple one. We will also mostly use decimal for addresses, again for simplicity, although it is more common to write memory addresses in hexadecimal format.”

-  Tình huống được minh hoạ trong biểu đồ, trong đó ,chữ in đậm chỉ định nội dung của vị trí bộ nhớ,chữ thường chỉ định địa chỉ hoặc 1 mô tả của vị trí

-  Ở điểm này ,biến nRacingCars nằm trong phạm vi và giá trị 10 được đặt trong nó.nếu giá trị 10 được đặt ở vị trí 799996-799999, 4 byte bên dưới vị trí được trỏ đến bởi con trỏ stack -mà là 4 byte đầu tiên trống trên stack.

-  Dòng kế khai báo biến engineSze, 1 double và khởi tạo n1o với giá trị 3000.0. một số  double chiếm 8 byte, vì thế giá trị 3000.0 sẽ được đặt ở vị trí 799988-799995 torng stack.con trỏ stack sẽ được tăng theo mỗi lần 8 để trỏ đến vùng trống dầu tiên trên stack .

2. Các kiểu dữ liệu tham chiếu

-   Ta có thể muốn dùng 1 vài phương thức để cấp phát vùng nhớ để lưu trữ dữ liệu ,và giữ cho dữ liệu còn giá trị đến sau khi phương thức kết thúc.điều này có thể được làm với một toán tử mới – khi là trường hợp trong tất cả các kiểu tham chiếu.

-   Nếu ta đã làm việc với các đọan mã quảnl ý bộ nhớ cấp thấp torng quá khứ,ta sẽ quen với stack và heap được dùng trong các chương trình trước .NET. heap quản lý (managed heap ) không giống  như heap mà các đoạn mã trước .NET như C++ dùng. nó làm việc dưới sự điều khiển của bộ thu gom rác. và có 1 số lợi ích so với hea truyền thống.

heap quản lý ( ngắn gọn là heap) chỉ là một vùng nhớ khác torng vùng 4GB. Để xem làm thế nào heap làm việc và cách bộ nhớ được cấp phát cho các kiểu dữ liệu tham chiếu, ta xem đoạn mã sau:

void DoWork()
{
     Customer arabel;
     arabel = new Customer();
     Customer mrJones = new Nevermore60Customer();
}

trong đoạn mã này ta giả sử gồm 2 lớp Customer và Nevermore60Customer.những lớp này được lấy từ ví dụ Mortimer Phones. Ta khai báo 1 tham chiếu gọi là arabel được cấp phát trong stack nhưng nên nhớ rằng đây là 1 tham chiếu , không phải là 1 thể hiện Customer. không gian mà  tham chiếu arabel chiếm là 4 byte.tacần 4 byte để có thể lưu 1 số nguyên giá trị từ 0 đến 4GB sau đó ta có dòng :

arabel = new Customer();

-  Dòng này trong mã sẽ thực thi một số điều. Đầu tiên nó cấp phát  vùng nhớ trong heap để lưu trữ 1 thể hiện Customer. sau đó nó đặt biến arabel để lưu địa chỉ củavùng nhớ được cấp phát.đồng thời nó cũng gọi hàm dựng Customer() để khởi tạo 1 thể hiện lớp.   Thể hiện của customer không đặt trong stack- mà sẽ đặt trong heap, ta không biết chính xác 1 thể hiện Customer chiếm  bao nhiêu byte, ta xem nó là 32 byte. 32 byte này chứa các trường thể hiện của Customer cùng vài thông tin mà .NET dùng để xác định danh tính và quản lí các thể hiện lớp của nó , bao gồm vtable.

.NET runtime tìm torng heap khối 32 byte còn trống, giả sử nằm ở địachỉ 200000,và tham chiếu arabel nằm ở vĩ trí 799996-799999 trên stack.

không như stack ,bộ nhớ trong heap được cấp phát theo chiều từ dưới lên , vì thế  không gian trống được tìm thấy phía trên không gian đã dùng. Sau khi cấp phát đối tượng ,bộ nhớ trông như sau:

dòng kế tiếp thực hiện tương tự,ngoại trừ không gian trên stack ch otham chiếu mrJones cần được cấp phát vào cùng lúc cấp phát mrJones trên heap:

Customer mrJones = new Nevermore60Customer();

4 byte được cấp phát trên stack cho tham chiếu mrJones. lưu ở 799992-799995. trong khi thể hiện mrJones sẽ được cấp phát từ vị trí 200032 đi lên trên heap.

-   .NET runtime sẽ cần duy trì thông tin về trạng thái của heap, thông tin này cũng cần được cập nhật khi dữ liệu mới được thêm vào heap.để minh họa điều này, ta hãy xem điều gì xày ra khi ta thoát phương thứ phương thức và tham chiếu arabel và mrJones nằm ngoài phạm vi theo cách làm việc bình thường thì con trỏ stack sẽ được tăng để những biến này không còn tồn tại nữa.tuy nhiên các biến này  chỉ lưu địa chỉ, không phải 1 thể hiện lớp dữ liệu của nó vẫn nằm trong heap. Ta có thể thiết lập các biến tham chiếu khác nhau để trỏ đến cùng 1 đối tượng- nghĩa là những đối tượng đó sẽ có giá trị sau khi tham chiếu arabel và mrJones  nằm ngoài phạm vi, và sự khác biệt quan trọng giữa stack và heap: đối tượng được cấp phát liên tiếp trên heap, các thời gian sống không lồng nhau.

-  Khi ta giải thích cách hoạt động  trên heap, ta nhấn mạnh rằng chỉ stack mới có khả năng lồng thời gian sống của các biến.Vậy khi thời gian sống của các tham chiếu nằm ngoài phạm vi thì heap làm việc như thế nào trên các biến này câu trả lời là bô thu gom rác sẽ làm điều này khi bộ gom rác chạy. Nó sẽ gỡ bỏ tất cả những đối tượng từ heap mà không còn tham chiếu nữa. Ngay sau khi nó làm điều này, heap sẽ có các đối tượng  rải rác trên nó, nằm lẫn với các khoảng trống  như hình sau :

- Bộ gom rác không để heap trong tình trạng này, ngay khi nó giải phóng tất cả các đối tượng có thể,nó sẽ di chuyển tất cả chúng trở về cuối của heap để thành 1 khối liên tục lại. Tất nhiên khi những đối tượng này được di chuyển tất cả các tham chiếu của nó đều được cập nhật lại.

 

 

 

(Theo Professional C# từ Wrox.com)