Object内存核心结构及实现完全剖析（MethodTable、EEClass与MethodDescChunk)

无疑，一个Object在CLR中的逻辑结构是相当复杂的。
前段时间，写了一篇CLR探索系列：System.Object内存布局模型及实现研究，侧重从System.Object这个基本类的基本内存布局，实现和结构来研究了下。这是远远不够的。今天就从如何存储一个Object中的Field，Method等信息，这些信息的逻辑组织方式和存储的逻辑结构。

废话不多说，看看就知道了：

 

首先，给一个图：

      
  
    这个图，显示了一个Object的MethodTable，EEClass和MethodDescChunk之间的大致关系。至于一个整体的Object的实现的逻辑结构模型图，结构比较复杂，不好画，google了半天也没找到个现成的，就用这个凑合了。

通常，在内存中，对一个instance的ref的这个地址，其实是指向这个instance的MethodTable的。这个内容，我在“System.Object这个基本类的基本内存布局，实现和结构”这篇文章里面也有说，具体是如何实现的可以参照那篇文章。

老规矩，截取点MethdTable里面重要的属性，方法和结构体，总共一个MethodTable的实现，就大概2500多行，（太长了？这仅仅是定义部分），只能截取表示如下了：

 

class MethodTable

{   

    // Low WORD is component size for array and string types, zero otherwise

    DWORD           m_wFlags;

 

    // Base size of instance of this class when allocated on the heap

    DWORD           m_BaseSize;

    //Nmuber of Method
    WORD            m_wNumMethods; 
    //Number of Vitural Methods

    WORD            m_wNumVirtuals;
    WORD            m_wNumInterfaces;

       
    // LoaderModule. It is equal to the ZapModule in ngened images

    PTR_Module      m_pLoaderModule;   

    PTR_MethodTable m_pParentMethodTable;

 

    // This is the way to create a new method table. Don't try calling new directly.

    // Mehtod tables are also created in array.cpp where an EEClass

    // and MethodTable are created in one fell swoop.  I see no rationale basis for

    // such an approach.

    // Even worse almost exactly the same stuff is duplicated in DynamicMethod.cpp.

    // Worse still almost exactly the same stuff is duplicated in generics.cpp.

    //MethodTable的New函数，MethodTalbe不能直接New一个

    static MethodTable * AllocateNewMT(EEClass *pClass,

                                       DWORD dwVtableSlots,

                                       DWORD dwGCSize,

                                       DWORD dwNumInterfaces,

                                       DWORD numGenericArgs,

                                       DWORD dwNumDicts,

                                       DWORD dwNumTypeSlots,

                                       ClassLoader *pClassLoader,

                                       BaseDomain *pDomain,

                                       BOOL isIFace,

                                       BOOL fHasGenericsStaticsInfo,

                                       BOOL fNeedsRemotableMethodInfo,

                                       BOOL fNeedsRemotingVtsInfo,

                                       BOOL fHasThreadOrContextStatics

                                       , AllocMemTracker *pamTracker

        );

 

    // Return total vtable slots : virtual, static, and instance method slots.

    unsigned GetNumMethods()

    {

        LEAF_CONTRACT;

        return m_wNumMethods;

    }

 

    void SetNumMethods(WORD wNumSlots)

    {

        LEAF_CONTRACT;

        m_wNumMethods = wNumSlots;
    }

       //使用专门的数据结构来实现对Table中的可写部分的读写。而这些可写的部分，是定义在另外的一个专门的枚举类型的变量中。

PTR_MethodTableWriteableData m_pWriteableData;

//MethodTable类中最重要的一个定义，包涵了对EEClass的引用。

PTR_EEClass     m_pEEClass;

      

       //在寻找所谓的VTable定义的时候，着实费了一番功夫，最后得到一个结论：在sscli2.0中，去掉了m_Vtable[1]的显示定义。更多的是把Vtable当作一个Thunking Layer来在需要的时候操作。

//为此，MethodTalbe的定义中，还专门定义了一个struct（InteropMethodTableSlotData）来实现模拟就得Vtable结构对COM接口的访问。在需要使用到类似Vtable的时候直接计算某个Slot的Offset，并且使用专门的Accessor来进行访问。截取两个方法来说明这点：

    inline PTR_SLOT GetVtable()

    {

        LEAF_CONTRACT;

        return PTR_SLOT((PTR_HOST_TO_TADDR(this) + TADDR(GetVtableOffset())));

    }

 

    static inline DWORD GetVtableOffset()

    {

        LEAF_CONTRACT;

        return (sizeof(MethodTable));

    }

}

       从下图中也可以很明显的看出MethodTable的结构以及其部分字段的表示的含义：

 

       最后给出一个MethodTable中重要的数据结构：

struct ThreadAndContextStaticsBucket

{

    // Offset which points to the TLS storage. Allocated lazily - -1 means no offset allocated yet.

    DWORD m_dwThreadStaticsOffset;

    // Offset which points to the CLS storage. Allocated lazily - -1 means no offset allocated yet.

    DWORD m_dwContextStaticsOffset;

    // Size of TLS fields

    WORD m_wThreadStaticsSize;

    // Size of CLS fields

    WORD m_wContextStaticsSize;

};

typedef DPTR(ThreadAndContextStaticsBucket) PTR_ThreadAndContextStaticsBucket;

 

       在上面的部分属性中，可以看到，一个Object的信息，并不是所有的都保存在MethodTalbe中的。这样分层设计的目的，还是一个字：效率。把一个Object使用的最频繁的部分，保持在MethodTable中，而使用的稍微不频繁的部分，保持到EEClass中，这部分信息，从名字上面就可以看出，主要是包涵了CLR执行引擎所需要的对一个Object的控制信息。也就是如下图所示，各个不同的部分所包涵的内容应用的重点和频率都不同：

      

       接着，给出EEClass的一些重要的数据结构：

Class EEClass

{

       //得到这个Object运行的一些基本环境。

       BaseDomain * GetDomain();

    Assembly * GetAssembly();

    Module* GetLoaderModule();

    Module* GetZapModule();

 

       //point out the Module which contains this Object and its EEClass

    PTR_Module m_pModule;

    mdTypeDef m_cl;

       //important property!point to the MethodTable of this Object.

    PTR_MethodTable m_pMethodTable;

 

    // NOTE: Place items that are WORD sized or smaller together,

       //otherwise padding will be used implicitly by the C++ compiler

    WORD m_wCCtorSlot;

    WORD m_wDefaultCtorSlot;

 

    BYTE m_NormType;

       //number of instance Fields

    WORD m_wNumInstanceFields;

       //number of static fields

    WORD m_wNumStaticFields;

    WORD m_wNumHandleStatics;

    WORD m_wNumBoxedStatics;

       //implies the number of Object ref in a instance.

       //GCDesc结构，也就是一个Object实现的时候的头部，Object Header可能会引用到，同时JIT也有可能引用到这个属性。

    WORD m_wNumGCPointerSeries;

 

    DWORD m_cbModuleDynamicID;

    DWORD m_cbNonGCStaticFieldBytes;

    DWORD m_dwNumInstanceFieldBytes;

 

       //这个属性表面了对于一个Object里面的Fields，是在EEClass里面把每个Field对应的FieldDesc类连接在了一起。

FieldDesc *m_pFieldDescList;

 

    DWORD m_dwAttrClass;

    volatile DWORD m_VMFlags;

    SecurityProperties m_SecProps;

       

       //这里定义了MethodDescChunk，从最上面的图可以看到，从一个EEClass中是连接到MethodDescThunk链表上面的。比较重要的一个结构。

    PTR_MethodDescChunk m_pChunks;

}

       再回头看一下，MethodTable，m_Vtable（Vtable in MethodTable），MethodDescChunks这个Chain是如何连接起来的就十分清楚了：

 

       最后，看看MethodDescChunk这个描述每一个Method的大块头的结构如何，这里，就不在分析一个MethodDescChunk里面究竟是如何实现的了：

      

MethodDescChunk的头部是上面的蓝色的部分。Prestub是中间的斜线的部分，而对每个方法的描述的部分，是上图的白色的区域，可以看到，包涵了这个方法的IL代码，SlotNumber，和一些标识位。每一行，是一个DWORD类型。

注意：m_op中，包涵了对这个方法的调用，是call JIT来进行实时编译，还是jump到一个已经编译好了的地方，m_op就是标识这两种不同的操作类型。而m_target里面，则是和m_op对应的内存地址。

 

Ok，写到这里，结合第一次讲System.Object的那篇文章，我想，对一个Object的认识应该有个大体的比较清晰的架构了。

 

最后，做个广告^_^

欢迎志同道合的同志们加入：Share Source CLI核心技术探索团队，这里，有一群对DotNet世界最核心技术充满好奇和执着探索的朋友们，期待你充满智慧的文章和加盟。

 

2008-3-14 19:48:01