带着问题读CLR via C#（一）CLR的执行模型

Q1: 什么事CLR？

A1: CLR (Common Language Runtime) 是一个可以由多种编程语言使用的“运行时”。

 

Q2: CLR的核心功能有哪些？

A2: 1）内存管理；2）程序集加载；3）安全性；4）异常处理；5）线程同步

 

Q3: CLR与使用的编程语言有关吗？

A3: 无关。只要编译器是面向CLR的就行。

 

Q4: 选用不同编程语言经过面向CLR的编译器编译后生成的结果相同吗？

A4: 相同。无论选择什么语言，相应的编译器变异的结果都是一个托管模块，即一个标准的32位PE (Portable Executable) 32文件或64位PE32+文件。它们都需要CLR才能执行。

 

Q5: 托管模块的组成部分是什么，它们的作用分别是什么？

A5: 1）PE32或PE32+头；2）CLR头；3）元数据；4）中间语言

PE32头：1）标识了文件类型（GUI, CUI, DLL）；2）包含一个文件生成时间的时间标记；3）包含与本地CPU代码有关的信息（在该模块包含CPU代码的情况下）。

CLR头：1）包含需要的CLR版本；2）托管模块入口方法的MethodDef元数据标记；3）模块的元数据，资源，强名称，一些标记以及不太重要的数据项的位置及大小。

元数据：1）包含描述源代码中定义的类型及成员的元数据表；2）包含描述源代码中引用的类型和成员。

中间语言：编译器编译源代码生成的代码，运行时会被CLR编译为本地CPU指令。

 

Q6: 什么是程序集？

A6: 程序集是一个抽象的概念，它是一个或多个模块/资源文件的逻辑分组，也是重用，安全性以及版本控制的最小单元。 生成的程序集既可以是一个可执行文件（exe）也可以是一个DLL.

 

Q7: 托管模块和程序集之间的关系是什么？

A7: 默认情况下，编译器实际会把生成的托管模块转换为程序集，程序集的清单中会指明该程序集仅有一个文件构成。如果项目中只有一个托管模块，没有资源文件或数据文件，那么程序集就是托管模块。如果想将多个文件合并到一个程序集，则需要使用其他工具来实现。

 

Q8: 方法执行的过程是什么？首次执行和之后执行有区别吗？

A8: 执行一个方法需要将程序集中的IL转换为本地CPU指令，这项工作由CLR的JIT（即时）编译器来完成。用如下例子讲解：

static void Main()
{
    Console.WriteLine("Hello");
    Console.WriteLine("GoodBye");
}

 

分析准备阶段：

1)      CLR检测Main代码引用的所有类型，此例中为Console类型；

2)      CLR分配一个内部数据结构，用于管理对引用的类型（即Console类型）的访问。Console类型中的所有方法在这个内部结构中都有一个入口， 通过该入口可以找到方法的具体实现；对该内部结构初始化时，CLR将每个方法的入口都设置成指向JITCompiler函数（CLR内部未文档化的一个函数）；

执行阶段：

1)      Main方法中首次调用WriteLine方法时，JITCompiler函数会被调用，这个函数知道调用的是哪个方法（WriteLine），以及什么类型（Console）调用了该方法；

2)      JITCompiler在定义了该类型的程序集元数据中查找该方法（WriteLine）的IL，并对IL进行验证，若无误，则将该IL编译为本地CPU指令；

3)      将本地CPU指令保存至一个动态分配的内存块；

4)      JITCompiler返回最初为Console类型创建的内部结构，找到WriteLine方法的入口，并将之前设置的指向JITCompiler的引用改为指向保存本地CPU指令的内存块；

5)      JITCompiler回到保存本地CPU指令的内存块，并执行该指令。

当Console.WriteLine("Hello")执行结束后，继续执行下一行代码Console.WriteLine("Goodbye")，由于Console.WriteLine方法已经编译为本地CPU指令了，就会跳过JITCompiler函数的繁琐操作，直接执行本地CPU代码。但当应用程序终止后再次启动运行这段代码，JIT编译器必须重新将IL编译为本地CPU指令，因为之前是保存在内存块中的，程序终止后内存块会被清空。

 

Q9: IL有什么优势？

A9: IL可以提高应用程序的健壮性和安全性。在将IL编译为本地CPU指令时，CLR会执行验证过程，确保代码做的一切都是安全的（参数数量是否正确，参数类型是否正确，返回值是否被正确使用等等）。

 

Q10: 比较CLR, CTS和CLS.

A10: CLR是一个可以由多种编程语言使用的“运行时”, 它是围绕类型展开的，类型为应用程序和其他类型公开了功能，通过类型，可以用一种编程语言系的代码和另一种编程语言写的代码进行沟通，而CTS则是一个”通用类型系统”，它描述了类型的定义和行为。而由于CLR允许一种语言使用另一种语言定义的类型，但各种编程语言存在极大的区别，例如有些语言区分大小写而有些语言不区分，CLS是一个 ”公共语言规范”， 它定义了一个最小功能集，用一种语言定义了一种类型时，若想要其他语言可以使用该类型，就不要在该类型的public和protected成员中使用超出CLS的功能。每种编程语言都提供了CLR/CTS的一个子集以及CLS的一个超集。