第一章 CLR的执行模型

 本章内容：

• 将源代码编译成托管模块
• 将托管模块合并成程序集
• 加载公共语言运行时
• 执行程序集的代码
• Framework类库入门
• 通用类型系统
• 公共语言规范(CLS)
• 非托管代码的互操作性

1.1 将源代码编译成托管模块

1、公共语言运行时(CLR)是一个可由多种编程语言使用的“运行时”，其核心功能(比如内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步)可由面向CLR的所有语言使用。

2、托管模块(managed module)是标准的32位Microsoft Windows可移植执行体(PE32)文件，或者是标准的64位Windows可移植执行体(PE32+)文件，它们都需要CLR才能执行。托管程序集总是利用Windows的数据执行保护(Data Execution Prevention,DEP)和地址空间布局随机化(Address Space Layout Randomization,ASLR)，这两个功能旨在增强整个系统的安全性。

3、托管模块的各个部分：

• PE32或PE32+头，标准Windows PE文件头。　　　　　　　　　　　  
• CLR头，包含使这个模块成为托管模块的信息。包含要求的CLR版本，一些标志(flag)，托管模块入口方法(Main方法)的MethodDef元数据token以及模块的元数据，资源、强名称、一些标志及其他不太重要的数据项的位置/大小。　　　　　　　　    
• 元数据，每个托管模块都包含元数据表。主要有两种表：一种描述源代码中定义的类型和成员，另一种描述源代码应用的类型和成员。　　　　　　　　　　　　    
• IL(中间语言)代码，编译器编译源代码时生成的代码。在运行时，CLR将IL编译成本机CPU指令。

4、本机代码编译器生成的是面向特定CPU架构的代码，而每个面向CLR的编译器生成的都是IL代码(托管代码managed code)。

1.2 将托管模块合并成程序集

1、程序集(assembly):首先，程序集是一个或多个模块/资源文件的逻辑性分组；其次，程序集是重用、安全性以及版本控制的最小单元。在CLR的世界中，程序集相当于“组件”。CLR是与程序集工作，而不是模块。

2、编译器默认将生成的托管模块转换成程序集，也就是说，C#编译器生成的是含有清单的托管模块。清单指出程序集只由一个文件构成。所以，对于只有一个托管模块而且无资源文件的项目，程序集就是托管模块，生成过程中无需执行任何额外的步骤。但是，如果希望将一组文件合并到程序集中，就必须用工具及其命令行选项。

1.3 加载公共语言运行时

1、生成的每个程序集既可以是可执行应用程序，也可以是DLL。最终是由CLR管理这些程序集中的代码的执行。

2、Windows检查EXE文件头，决定是创建32位还是64位进程之后，会在进程地址空间加载MSCorEE.dll的x86,x64或ARM版本。然后，进程的主线程调用MSCorEE.dll中定义的一个方法。这个方法初始化CLR,加载EXE程序集，在调用其入口方法(Main)。随即，托管应用程序启动并运行。

1.4 执行程序集的代码

1、下图展示了方法首次调用时发生的事情。

就在Main方法执行之前，CLR会检测出Main的代码引用的所有类型。这导致CLR分配一个内部数据结构来管理对引用类型的访问。如图中的Main方法引用了一个Console类型，导致CLR分配一个内部结构。在这个内部数据结构中，Console类型定义的每一个方法都有一个对应的记录项。每个记录项都含有一个地址，根据此地址即可找到方法的实现。对这个结构初始化时，CLR将每个记录项都设置成包含在CLR内部的一个未编档函数。我将该函数称为JITCompliler。

Main方法首次调用WriteLine时，JITCompiler函数会被调用。JITCompiler函数负责将方法的IL代码编译成本机CPU指令。由于IL是“即时”(just in time)编译的，所以通常将CLR的这个组件称为JITter或者JIT编译器。

JITCompiler函数被调用时，它知道要调用的是哪个方法，以及具体是什么类型定义了该方法。然后，JITComplier会在定义(该类型的)程序集的元数据中查找被调用方法的IL。接着，JITCompiler验证IL代码，并将IL代码编译成本机CPU指令。本机CPU指令保存到动态分配的内存块中。然后，JITCompiler回到CLR为类型创建的内部数据结构，找到与被调用方法对应的那条记录，修改最初对JITCompiler的引用，使其指向内存块(其中包含了刚才编译好的本机CPU指令)的地址。最后，JITCompiler函数跳转都内存块中的代码。这些代码正是WriteLine方法(获取单个String参数的那个版本)的具体实现。代码执行完毕并返回时，会回到Main中的代码，并像往常一样继续执行。

当Main要第二次调用WriteLine时，由于已对WriteLine的代码进行了验证和编译，所以会直接执行内存块中的代码，完全跳过JITCompiler函数。WriteLine方法执行完毕后，会再次回到Main。下图展示了第二次调用WriteLine时发生的事情。

2、IL基于栈，它的所有指令都要将操作数压入(push)一个执行栈，并从栈弹出(pop)结果。由于IL没有提供操作寄存器的指令，所以可以很容易地创建新的语言和编译器，生成面向CLR的代码。

IL指令是“无类型”(typeless)的。

CLR在将IL编译成本机CPU指令时，会执行一个名为验证(verification)的过程，这个过程会检查高级IL代码，确定代码所做的一切都是安全的。

1.5 Framework类库

.NET Framework包含Framework类库(Framework Class Library,FCL)。FCL是一组DLL程序集的统称，其中含有数千个类型定义，每个类型都公开了一些功能。

1.6 通用类型系统

1、通用类型系统(Common Type System,CTS):CLR一切都是围绕类型展开的，类型向应用程序和其他类型公开了功能，类型是CLR的根本。

2、CTS规范规定，一个类型可以包含零个或者多个成员：字段、方法、属性、事件。

3、CTS还指定了类型可见性规则及类型成员的访问规则：private、family、famliy and assembly、assembly、family or assembly、public。

4、除此之外，CTS还为类型继续、虚方法、对象生存期等定义了相应的规则。

5、另一条CTS规则：所有类型最终必须从预定义的System.Object类型继承。

1.7 公共语言规范

1、不同语言创建的对象可通过COM相互通信。CLR则集成了所有语言，用一种语言创建的对象在另一种语言中，和用后者创建的对象具有相同的地位。之所以能实现这样的集成，是因为CLR使用了标准类型集、元数据以及公共执行环境。

2、公共语言规范(Common Language Specification,CLS):它详细的定义了一个最小功能集。任何编译器只有支持这个功能集，生成的类型才能兼容由其他符合CLS、面向CLR的语言生成的组件。

 

在CLR中，类型的每个成员要么是字段(数据)，要么是方法(行为)。这意味着每一种编程语言都必须能访问字段和调用方法。字段和方法以特殊或通用的方式使用。

1.8与非托管代码的互操作性

CLR支持三种互操作情形：①托管代码能调用DLL中的非托管函数；②托管代码可以使用现有COM组件(服务器)；③非托管代码可以使用托管类型(服务器)。