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.net中如何以純二進(jìn)制的形式在內(nèi)存中繪制一個對象

更新時間：2023年07月17日 09:07:29 作者：Artech

這篇文章主要介紹了如何以純二進(jìn)制的形式在內(nèi)存中繪制一個對象,本文通過實例代碼給大家介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下

一個對象總是映射一塊連續(xù)的內(nèi)存序列（不考慮對象之間的引用關(guān)系），如果我們知道了引用類型實例的內(nèi)存布局，以及變量引用指向的確切的地址，我們不僅可以采用純“二進(jìn)制”的方式在內(nèi)存“繪制”一個指定引用類型的實例，還可以修改某個變量的“值”指向它，還能直接通過改變二進(jìn)制內(nèi)容來更新實例的狀態(tài)。

一、引用類型實例的內(nèi)存布局

從內(nèi)存布局的角度來看，一個引用類型的實例由如下圖所示的三部分組成：ObjHeader + TypeHandle + Fields。前置的ObjHeader用來緩存哈希值和同步狀態(tài)（《如何將一個實例的內(nèi)存二進(jìn)制內(nèi)容讀出來？》具有對此的詳細(xì)介紹），TypeHandle部分存儲類型對應(yīng)方法表（Method Table）的地址，方法表可以視為針對類型的描述。也正是這部分內(nèi)容的存在，運(yùn)行時可以確定任何一個實例的真實類型，所以我們才說引用類型的實例是自描述（Self Describing）的。Fields用于存儲實例每個字段的內(nèi)容。

對于32位（x86）的機(jī)器來說，ObjHeader 和 TypeHandle的長度都是4字節(jié)。如果是64位（x64）的機(jī)器，用于存儲方法表地址的TypeHandle 需要8個字節(jié)來存儲，但是ObjHeader 依然是4個直接?？紤]到內(nèi)存對齊，需要前置4個字節(jié)的Padding。對于一個不為null的應(yīng)用類型變量來說，它存儲的是實例的內(nèi)存地址。但是這個地址并不是實例所在內(nèi)存的“首地址（ObjHeader）”，而是TypeHandle部分的地址。

二、以二進(jìn)制的形式創(chuàng)建對象

既然我們已經(jīng)知道了引用類型實例的內(nèi)存布局，也知道了引用指向的確切的地址，我們不僅可以采用純“二進(jìn)制”的方式在內(nèi)存“繪制”一個指定引用類型的實例，還可以修改某個變量的“值”指向它。具體的實現(xiàn)體現(xiàn)在如下所示的Create方法中，該方法根據(jù)指定的屬性值創(chuàng)建一個Foobar對象。除了用來提供兩個屬性值的foo、bar參數(shù)之外，它還通過輸出參數(shù)bytes返回整個實例的字節(jié)序列。

var foobar = Create(1, 2, out var bytes);
Debug.Assert(foobar.Foo == 1);
Debug.Assert(foobar.Bar == 2);
static unsafe Foobar Create(int foo, int bar, out byte[] bytes)
{
    Foobar foobar = null!;
    bytes = new byte[24];
    BinaryPrimitives.WriteInt64LittleEndian(bytes.AsSpan(8), typeof(Foobar).TypeHandle.Value.ToInt64());
    BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(bytes.AsSpan(16), foo);
    BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(bytes.AsSpan(20), bar);
    Unsafe.Write(Unsafe.AsPointer(ref foobar), new IntPtr(Unsafe.AsPointer(ref bytes[8])));
    return foobar;
}
public class Foobar
{
    public int Foo { get; set; }
    public int Bar { get; set; }
}

根據(jù)上述針對內(nèi)存布局的介紹，我們知道任何一個Foobar實例在x64機(jī)器中都映射位一段連續(xù)的24字節(jié)內(nèi)存，所以Create方法創(chuàng)建了一個長度位24的字節(jié)數(shù)組。我們保持ObjHeader為空，所以我們從第8（zero based）個字節(jié)開始寫入Foobar類型對應(yīng)TypeHandle的值（8字節(jié)），然后將指定的數(shù)據(jù)成員的值（int類型占據(jù)4個字節(jié)）填充到最后8個字節(jié)（由于兩個字段的類型均為int，所以不需要添加額外的“留白”來確保內(nèi)存對齊）。自此我們將“憑空”在內(nèi)存中“繪制”了一個Foobar對象。由于x86機(jī)器采用“小端字節(jié)序”，所以二進(jìn)制的寫入最終是通過調(diào)用BinaryPrimitives的WriteInt32/64LittleEndian方法來完成的。

接下來我們定義一個Foobar類型的變量，并讓它指向這個繪制的Foobar對象。我們在上面說過，它指向的不是實例內(nèi)存的首字節(jié)，而是TypleHandle部分。對于我們的例子來說，它指向的就是我們創(chuàng)建的字節(jié)數(shù)組的第8（zero based）的元素。針對變量內(nèi)容（目標(biāo)對象的地址）的改寫是通過調(diào)用Unsafe的靜態(tài)方法Write實現(xiàn)的。我們的演示程序調(diào)用了Create創(chuàng)建了一個Foo和Bar屬性分別為1和2的Foobar對象，并得到它真正映射在內(nèi)存中的字節(jié)序列。

三、字節(jié)數(shù)組與實例狀態(tài)的同一性

對于我們定義的Create方法來說，由于通過輸出參數(shù)返回的字節(jié)數(shù)字就是返回的Foobar對象在內(nèi)存中的映射，所以Foobar的狀態(tài)（Foo和Bar屬性）發(fā)生改變后，字節(jié)數(shù)組的內(nèi)容也會發(fā)生改變。這一點可以通過如下的程序來驗證。

var foobar = Create(1, 1, out var bytes);
Console.WriteLine(BitConverter.ToString(bytes));
foobar.Foo = 255;
foobar.Bar = 255;
Console.WriteLine(BitConverter.ToString(bytes));

輸出結(jié)果

00-00-00-00-00-00-00-00-D8-11-30-17-F9-7F-00-00-01-00-00-00-01-00-00-00
00-00-00-00-00-00-00-00-D8-11-30-17-F9-7F-00-00-FF-00-00-00-FF-00-00-00

既然返回的字節(jié)數(shù)據(jù)和Foobar對象具有同一性，我們自然也可以按照如下的方式通過修改字節(jié)數(shù)組的內(nèi)容來到達(dá)改變實例狀態(tài)的目的。

var foobar = Create(1, 1, out var bytes);
Debug.Assert(foobar.Foo == 1);
Debug.Assert(foobar.Bar == 1);
BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(bytes.AsSpan(16), 255);
BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(bytes.AsSpan(20), 255);
Debug.Assert(foobar.Foo == 255);
Debug.Assert(foobar.Bar == 255);

四、ObjHeader針對哈希被同步狀態(tài)的緩存

我們可以進(jìn)一步利用這種方式驗證實例的ObjHeader針對哈希值和同步狀態(tài)的緩存。如下面的代碼片段所示，我們調(diào)用Create創(chuàng)建了一個Foobar對象并將得到的字節(jié)數(shù)組打印出來。然后我們調(diào)用其GetHashCode方法觸發(fā)哈希值的計算，并再次打印字節(jié)數(shù)組。接下來我們創(chuàng)建一個新的Foobar對象，分別對它進(jìn)行加鎖和解鎖狀態(tài)打印字節(jié)數(shù)組。

var foobar = Create(1, 2, out var bytes);
Console.WriteLine($"{BitConverter.ToString(bytes)}[Original]");
foobar.GetHashCode();
Console.WriteLine($"{BitConverter.ToString(bytes)}[GetHashCode]");
foobar = Create(1, 2, out bytes);
lock (foobar)
{
    Console.WriteLine($"{BitConverter.ToString(bytes)}[Enter lock]");
}
Console.WriteLine($"{BitConverter.ToString(bytes)}[Exit lock]");

從如下所示的輸出結(jié)果可以看出，在GetHashCode方法調(diào)用和被“鎖住”之后，承載Foobar對象的ObjHeader字節(jié)（4-7字節(jié)）都發(fā)生了改變，實際上運(yùn)行時就是利用它來存儲計算出的哈希值和同步狀態(tài)。至于ObjHeader具體的字節(jié)布局，我的另一篇文章《如何將一個實例的內(nèi)存二進(jìn)制內(nèi)容讀出來？》提供了系統(tǒng)的說明。

00-00-00-00-00-00-00-00-90-1C-30-17-F9-7F-00-00-01-00-00-00-02-00-00-00[Original]
00-00-00-00-C7-D5-9F-0D-90-1C-30-17-F9-7F-00-00-01-00-00-00-02-00-00-00[GetHashCode]
00-00-00-00-01-00-00-00-90-1C-30-17-F9-7F-00-00-01-00-00-00-02-00-00-00[Enter lock]
00-00-00-00-00-00-00-00-90-1C-30-17-F9-7F-00-00-01-00-00-00-02-00-00-00[Exit lock]

到此這篇關(guān)于以純二進(jìn)制的形式在內(nèi)存中繪制一個對象的文章就介紹到這了,更多相關(guān)二進(jìn)制形式繪制一個對象內(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(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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