一个static和面试官扯了一个小时舌战加强版

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一：背景

1. 讲故事

最近也是奇怪，在社区里看到好几篇文章聊 static 的玩法以及怎么拿这个和面试官扯半个小时，有点意思，点进去看都是 java 版的，这就没意思了，怎么也得有一篇和面试官扯 C# 中的 static 用法撒，既然没有人开这个头，那我就献丑了。。。，下面以 QA 的方式记述，大家可以代入一下能回答几个问题。

二：QA 环节

  • 面试官：请问您都是在什么场景下用 static 的？

解析：可能面试官潜意识的想问问你会不会使用本地缓存。

  • 码农 ：先不说我的场景，纵观 C# 的底层 FCL 源码，你会发现很多的 static 修饰的集合，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 就是一个静态队列，不仅如此还有 Quartz 底层自研的线程池，还有 web 中的 Session，Application，无非就是想用 static 做一个池化技术和 AppDomain 级的本地缓存，所以我的应用场景也无非是这些了。

  • 面试官：您会几种实现单例的方式？

解析：既然面试官想和你扯 static，就是想看看你会不会用 static cctor 静态构造器构建单例!

  • 码农 ：实不相瞒，不管是用懒汉式还是饿汉式，大体上也就这几种 双检锁, static cctor, Lazy<T>, 不知道您想让我细说哪一种？
  • 面试官：那就说一下静态构造函数为什么可以实现单例？

解析：可能觉得码农回答的有点拽，问深一点看看是不是唬人的。

  • 码农 ：说到单例，每一个人都会提到在多线程场景下的并发问题导致多个单例的尴尬，所以有了给代码加上各种花哨的锁，比如刚才我提到的 双检索 , 所以说没有锁。。。这个问题是搞不定的，换句话说 静态构造函数 也是用了锁机制。
  • 面试官：你确定用到了锁？有证据吗？

解析：有戏了，对你产生感兴趣了，愿听其详。

  • 码农：既然要证据，那我先构思一段如下代码：

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

    class Person
    {static Person()
        {Console.WriteLine("正在处理静态函数");
            Console.ReadLine();}
    }

然后抓一个 dump 文件，用windbg 看一下主线程的托管和非托管堆栈。


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

仔细看上面的代码，你会发现有很多处 ListLockEntry，这就和锁扯上了关系哈，这算证据不？

  • 面试官：小伙子 windbg 玩的挺溜，那请回答一下静态变量是存在哪的，有什么证据吗？

解析：转变思路，开始证据先行了???。

  • 码农 ：犹记得 CLR via C# 中说静态变量是存放在 类型对象 中，这就好办了，我去挖一下不就可以了哈，其实 CLR 内部用了两个数据结构来表示 类型对象 和 对象类型 ，一个叫做 EEClass 一个叫做 方法表，下面我定义一个 lockMe 的静态变量，代码如下：
    class Person
    {public static object lockMe = new object();

        static Person()
        {Console.WriteLine("正在处理静态函数");
            Console.ReadLine();}
    }

然后祭出杀器 windbg，用 name2ee 找到 Person 的 EEClass 将它打出来。


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，就是那本书中所说的 类型对象 存储的静态字段。

  • 面试官：那既然 static 属于类型对象，为什么 GC 不回收它呢？

解析：开启三连击，看你沉浮有多深？

  • 码农：为什么 GC 不回收它？这里我有两个个人观点：

<1> clr 的底层机制决定的

clr 在启动 gc 组件进行回收前，会先在堆中找几类 root 对象，从而开启标记引用链之路，常见的 root 对象有：

第一个：方法的局部变量，这个 JIT 在编译方法的时候最清楚，它通过维护一个表给 GC 参谋。

第二个：static 变量，这是天然的 root 根，与 AppDomain 共存亡。

第三个：其他乱七八糟的 root 根。

<2> static 地址是在启动堆，而不是在托管堆，理应不受 GC 管控

这句话的证据在哪里呢？在 C# via CLR 那本书中说，JIT 开始编译方法内代码的时候，会判断当前的类型 Pereson 是否已经在 AppDomain 中加载了，如果没有很显然会抛异常，如果有此类型，那就从程序集的元数据中找到该类型的所有描述构建 Person 的 EEClass数据结构。

使用 ILDasm 查看程序集中关于构建 EEClass 的 Person 元数据。

可以看到确实有 lockMe 的元数据表示，有了这些 EEClass 就可以构建出来，然后 JIT 编译器可以将其分配在加载堆和 AppDomain 绑定，接下来的问题是怎么去看是在加载堆？？？用什么命令去看，当然是 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.
=======================================

从上图中可以看到，C# 应用程序会有三个应用程序域：System Domain,Shared Domain, Domain1，每一个 AppDomain 都有自己的私有加载堆，我们的 Person 类型不出意外就是在 Domain 1 上了哈，如果你好奇可以看看这个 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就是一个 module 哈，还可以继续 dump module 看元数据啥的。

总之你让我找到 lockme 在启动堆上的地址，目前还没这个能力，不过要知道的是，lockMe 引用的 object 地址是在启动堆上分配，而 object 对象是在托管堆上分配的，不要搞混淆了。

三：后续

面试官看了看手表，已经快一个小时了，此时面试官心里有了答案，按照职场潜规则，万不可录取，不然我的位置往哪搁呢？

正文完
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发表至： c#
2020-06-07
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