CLR基础

读《CLR via C# 》之后感觉对.net 的理解有了一个飞跃（虽然大部分内容还要慢慢消化和吸收），对CLR，JIT编译器，垃圾回收，多线程使用，和锁等概念都有了更深的认识。我从四月末开始看，直到八月初才看完，有几节跳过了，像WinRT 觉得过时了就没看，毕竟Microsoft 目前大力推广.net core。能让我坚持看完的原因很大一部分是作者 Jeffrey 的文字平易近人，描述细腻，让人感觉作者确实是想把毕生所学倾囊相授。就像译者周靖在结尾评价的那样："字里行间，全是殷勤叮嘱。无浮夸之文字，倾心血而写就"。

以后我将逐步整理看完此书的习得，也是对书中难理解的地方做一下回顾。

第一篇 CLR 基础

1 将源代码编译成托管模块

 

公共语言运行时（Common Language Runtime ，CLR） 是一个可由多种编程语言使用的“运行时”。CLR的核心功能（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。

 

只要编译器是面向CLR的，可以用任何语言编译出托管模块。

 

托管模块 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。

 

元数据: 每个托管模块都包含元数据表，主要有两种表：一种表描述源代码种定义的类型和成员，另一种描述源代码引用的类型和程序。简单的说就是一个数据表集合。元数据是一些老技术的超集，这些老技术包括COM的”类型库“，和“接口定义语言“（IDL）文件。但CLR元数据远比它们全面。元数据与类型库和IDL同元数据总是和包含IL代码的文件关联。编译器会同时生成元数据和代码，把它们绑定在一起，最终生成在托管模块。

 

元数据的用途：

1 元数据避免了编译时对原生C/C++头文件和库文件的需求，因为这些头文件和库已经包含在了元数据中。

2 帮你写代码，给你提示一个类型提供哪些方法、属性等。

3 CLR的代码验证过程使用元数据确保代码只执行”类型安全“的操作。

4 元数据允许将对象的字段序列化到内存块，将其发送给另一台机器，然后反序列化，在另一台机器重建对象状态。

5 元数据允许垃圾回收器跟踪对象生存期，垃圾回收器能判断元数据中引用了哪些对象。

 

每个面向CLR的编译器生成的都是IL（中间语言）代码。IL代码有时称为托管代码，因为CLR管理它的执行。

 

2 生成、打包、部署、和管理应用程序及类型

 

用户要想执行托管代码以及托管数据的模块，必须在自己的计算机上安装好CLR（目前作为.net Framework 的一部分提供）。

 

Microsoft 的C++编译器默认生成包含非托管代码的EXE/DLL模块，也可以指定/CLR命令，让C++编译出托管代码模块。

 

3 将托管模块合并成程序集

 

CLR实际不和模块工作，他和程序集工作。

 

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“。利用程序集这种概念性的东西，一组文件可作为一个单独的实体来对待。

 

 

程序集包含什么？

 

1 托管代码和文件清单，编译器生成的是含有清单的托管代码；

2 包含与引用的程序集有关的信息（包括它们的版本号）。让程序集更容易部署。

 

3 加载公共语言运行时

 

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或者ARM版本。

 

如果是Windows的x86或者ARM版本，MSCorEE.dll的x86版本在%SystemRoot%\System32 目录中。如果是Windows的x64版本，MSCorEE.dll的x86版本在%SystemRoot%\SysWow64目录中，64位版本则在%SystemRoot%\System32目录中（为了向后兼容）。

 

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。

 

 

4 执行程序集中的代码

 

托管程序集同时包括元数据和IL。IL能访问和操作 对象类型，并提供了指令来创建和初始化对象、调用对象上的虚方法以及直接操作数组元素。甚至提供了抛出和捕获异常的指令来实现错误处理，可以将IL视为一种面向对象的机器语言。

 

IL也是一种计算机语言，和其他任何机器语言一样，IL也能使用汇编语言编写。

 

高级语言（C#、C++、python）通常只公开了CLR全部功能的一个子集。然而，IL汇编语言允许开发人员访问CLR的全部功能。

 

为了执行方法，首先必须把方法的IL转换成本机CPU指令，这是CLR的JIT编译器的职责。

 

 

在Main方法调用前，CLR会检测出Main的代码所引用的所有类型，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。

 

图1-4中的Main方法引用了一个Console类型，导致CLR分配一个内部数据结构。在这个数据结构中，Console类型定义的每个方法都会有一个对应的entry，每个entry都含有一个地址，根据此地址即可找到方法的实现。

 

对这个内部数据结构初始化时，CLR会将每个entry都指向包含在CLR内部的一个未编档函数。称为JITCompiler。

 

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 “编译的，所以通常将CLR的这个组件称为JITter或者JIT编译器。

 

 

 

JITCompiler执行过程

 

JITCompiler 函数被调用时，他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JITCompiler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。

 

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中，找到与被调用方法对应的那条记录（entry），修改最初对JITCompiler的引用，使其指向内存块（刚刚编译好的存储在内存块中的CPU指令）地址。

 

最后JITCompiler 函数跳转到内存块中的代码，这些代码正是WriteLine方法的具体实现。代码执行完毕返回时，会回到Main中的代码，并继续执行。

 

Main要第二次调用WriteLine时，由于已对WrtieLine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。

 

 

 

编译器优化

CLR的JIT编译器会对本机代码进行优化，类似于非托管代码C++编译器的后端所作的事情。

 

 

 

 

托管代码相较于非托管代码的优势

 

1 JIT编译器能判断应用程序是否运行在Intel Pentium 4CPU上，并生成相应的本机代码来利用Pentium 4 支持的任何特殊指令。非托管的程序是针对具有最小功能集合的CPU编译的，不会使用能提升性能的特殊指令。

 

2 JIT 编译器能判断一个特定的测试在它运行的机器上是否总是失败。

 

3 应用程序运行时，CLR可以评估代码的执行，并将IL重新编译成本机代码。重新编译的代码可以重新组织，根据刚才观察到的执行模式，减少不正确的分支预测。虽然目前版本的CLR还不能做到这一点，但将来的版本也许就可以了。

 

4 .net Framework SDK 配套提供的NGen.exe工具。该工具将程序集的所有IL代码编译成本机代码，并将这些本机代码保存到一个磁盘文件中。在运行时加载程序集时，CLR会自动判断是否存在该程序集的预编译版本。

 

5 还可以考虑使用 System.Runtime.ProfileOptimization 类，该类导致CLR检查程序运行时哪些方法被JIT编译，结果被记录到一个文件中。程序再次启动时，如果是再多CPU机器上运行，就用其他线程并发编译这些方法。

 

4 IL和验证

 

IL 基于栈，这意由于味着他的所有指令都要将操作数压入一个执行栈，并从栈弹出结果。IL没有操作寄存器的指令，人们可以容易的创建新的语言和编译器，生成面向CLR的代码。

 

IL指令是无类型的。

 

作者认为，IL最大的优势不是它对底层CPU的抽象，而是应用程序的健壮性和安全性。将IL 编译生成本机CPU指令时，CLR执行一个名为验证的过程。托管模块的元数据包含验证过程要用到的所有方法及类型信息。

 

 

5 不安全的代码

 

Microsoft C# 编译器默认生成安全（safe）代码，这种代码的安全性可以验证，然而，Microsoft C# 编译器也允许开发人员写不安全的代码。

 

这个强大的功能，通常只有在与非托管代码进行互操作，或者提升对效率要求极高的一个算法的性能的时候，才需要这样做。

 

PEVerify.exe 应用程序检查一个程序集的所有方法，并报告其中不安全代码的方法。可以对想要引用的程序集运行一下PEVerify.exe，看看应用程序在通过内网或Internet运行时是否会出现问题。

 

6 本机代码生成器

 

使用.NET Framework 提供的NGen.exe工具，可以在应用程序安装到用户的计算机上时，将IL代码编译成本机提供的代码。这样CLR的JIT编译器不需要再运行时编译IL代码，有助于提升应用程序的性能。

 

1 可以提高应用程序的启动速度

 

2 减小应用程序的工作集，

    工作集 是指在进程的所有内存中，已映射的物理内存那一部分。    

    进程还有一部分虚拟内存，CPU不能直接访问虚拟内存，需要Windows映射之后才能访问。还有一部分内存在磁盘上的分页文件里。

 

NGen.exe 的弊端

    1 没有知识产权保护。

    2 NGen.exe生成的文件可能失去同步。

    3 较差的执行时性能。NGen不能优化的使用特定CPU指令。

 

 

6 Framework 类库

 

FCL (Framework Class Library) Framework 类库。

 

WCF （Windows Communication Foundation）技术，可以非常简单的处理通过Internet发送的消息。

 

 

 

7 通用类型系统 Common Type System

 

CLR一切都围绕类型展开，类型向应用程序和其他类型公开了功能

。通过类型，用一种编程语言写的代码能与另一种编程语言写的代码沟通。 

 

CTS规范规定，一个类型可以包含零个或者多个成员。

 

字段 Field

 

方法 Method

 

属性 Property

    对于调用者，属性看起来像是字段。但是对于类型的实现者，属性看起来像是一个方法，或者两个方法。

 

事件 Event

    事件在对象以及其他对象之间实现了通知机制。

 

CTS还指定了类型可见性规则以及类型成员的访问规则。

 

private

 

family（C++和C#）都用protected修饰符来标识family。

 

family and assembly

    成员可由派生类型访问，但是这些派生类型必须在同一个程序集中定义。

 

assembly （许多语言都用internal 修饰符来标识）

    成员可由同一个程序集中的任何代码访问。

 

family or assembly

    成员可由任何程序集中的派生类型访问，成员也可由同一个程序集中的任何类型访问。C#用 protected internal 修饰符来标识 family or assembly。

 

public

 

CTS规定：所有类型最终必须从预定义的System.Obejct类型继承. 具体的讲,System.Object类型允许做下面这些事情:

 

1 比较两个实例的相等性.

2 获取实例的哈希码.

3 查询一个实例的真正类型.

4 执行实例的浅拷贝.

5 获取实例对象当前状态的字符串表示.

 

8 公共语言规范

 

不同语言创建的对象可通过COM互相通信. CLR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.

 

Common Language Specification (CLS), 它详细定义了一个最小功能集. 

 

 

 

 

 

9 与非托管代码的互操作性

    

CLR支持三种操作情形. 

 

1 托管代码能调用DLL中的非托管代码.

 

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)