.NET平台系列3 .NET CLR 详解

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CLR 简介

　　运行时(Runtime Environment，简称Runtime )，是指那些支持在特定的平台上，用于运行特定编程语言编写的软件的库和程序集，它一般要处理软件和操作系统之间的接口细节。例如，系统调用、程序的启动和终止、内存管理等。 运行时分3种：纯静态环境(如Fortran)、基于堆栈环境(如C、C++、Pascal)、纯动态环境(如SmallTak、Java)。

　　CLR(Common Language Runtime)，处于 .NET Framework 的最底层，它是 .NET Framework 的核心。CLR 是一个软件引擎，提供加载应用程序、程序编译、错误检查、安全许可认证、线程管理、远程处理、执行、清空内存等核心服务。 CLR 是属于纯动态运行时的一种，它的主要组成部分是虚拟执行引擎 VEE(Vitual Execution Enging)。

CLR 版本

　　CLR 是.NET Framework 的子集，但是两者的版本策略不同。截止2019年，微软发布了4个版本的CLR，对应关系如下。

 

 使用 ASP.NET Web Form 开发的应用程序，部署到IIS服务器时，不同的CLR版本需要选择不同的托管管道模式。

  

CLR 构成

  CLR主要由以下11个功能器件组成。

（1）类加载器（Class Loader）：将应用程序的汇编加载到内存中。汇编包括微软中间语言（Microsoft Intermediate Language，简称MSIL）代码、描述应用程序中组件的元数据（类和类的布局描述），以及其他应用程序所需的组件。
（2）即时编译器（Just-In-Time，简称JIT）：负责将MSIL翻译成本机执行代码。
（3）代码管理器（Code Manager）：管理代码的执行。
（4）垃圾回收器（Garbage Collection）：负责整个.NET运行时托管代码的内存分配与释放任务，它通过一定的优化算法选择收集对象和时间，并进行自动的垃圾收集。
（5）安全引擎（Security Engine）：提供基于认证的安全机制，如用户身份。
（6）调试引擎（Debugger）：使开发者能调试和跟踪应用程序代码。
（7）类型检查器（Type Checker）：检查并禁止非安全的类型转换以及未初始化的变量的使用。
（8）异常管理器（Exception Manager）：提供结构化的异常处理，与Windows结构化异常处理机制（SHE）集成，改进了错误报告。
（9）线程支持（Thread Support）：提供了多线程编程的类和接口。
（10）COM列集器（COM Marshaler）：处理与COM之间的配置。
（11）.NET 基础类库（BCL）：集成具有支持.NET Framework 类库运行时的代码。

CLR 工作原理

编译器（Windows平台上有3个不同的JIT编译器）
1、JIT -- 标准编译器。运行时默认使用的JIT编译器。代码高度优化，资源开销大，它要求计算机具有足够的内存来高速缓存编译后的代码，以便重复利用。如果没有足够的内存来高速缓存编译后代码，就需要反复调用JIT，由于优化技术需要花时间，这样就大大降低了编译的速度。
2、EconoJIT -- 经济编译器。它不是执行优化技术的编译器。代码不能高速缓存，但可以把MSIL快速转换成托管的原始代码，编译速度快。
3、PreJIT -- 类似传统的编译器。实现将应用程序首次安装到计算机时，就把整个应用程序转换为本机代码。

编译过程
（1）编译器首先将各类.NET 上支持的语言（C#、VB.NET、VC++等）编写的源代码编译托管的中间语言(MSIL)代码，不是机器码。这个MSIL就构成可移植执行的 .exe文件(Portable Executable,检查PE)。在编译器将源代码编译成MSIL的同时，元数据引擎也产生元数据信息，这些代码也可和其他语言编译的代码链接为一个EXE或DLL文件(通过链接器实现)。
（2）由于本地的CPU不能直接执行MSIL指令。当执行应用程序时，首先类加载器将应用程序的汇编(MSIL代码和元数据)加载到内存中，然后使用其中的元数据加载任何应用程序所需要的组件支持的汇编并进行类型安全和版本检查。例如：它可能加载一个桌面应用程序所需要的图形用户接口(GUI)控制的汇编等。
（3）CLR 并不是将应用程序的所有MSIL的代码都翻译成CPU指令代码，仅当用户需要运行一个托管的应用程序时，操作系统装载器才加载 CLR，这时CLR 才开始翻译该应用的MSIL代码。当然，如果开发人员希望在应用程序首次安装到计算机中时就全部从MSIL转变为本机代码，那么可以使用 PreJIT 编译器实现，PreJIT自动把MSIL转换本机代码。
（4）JIT编译器和其他大多数编译器是不用的。JIT编译器只执行编译这个过程，而在其他编译器(C和C++)中要经过编译和链接两个阶段。也就是说，.NET下的源程序（C#等）并不被编译成目标文件(.obj)，而是直接生成可执行文件(.exe)或动态链接库(.dll)。在.NET下，编译器不需要包含链接器。

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