CLR via C# 边读边想 01 - .NET 程序是如何运行起来的？

微软的.Net在2001年作为新事物出现，给我们带来了很多新的概念、技术和术语，在日常的开发中很少关注，要深入了解.NET就必须先了解这些术语的含义：

CLR，common language runtime。是.Net支持的开发语言所共用的运行时。这个运行时提供了一些核心的功能：内存管理、程序集加载、安全性、错误处理、线程同步等。

其实CLR并不知道拿进来运行的代码是用什么语言写的，因为它只接受编译好的Managed Module。

Compiling Source Code into Managed Modules

Managed Module是一个标准的Windows可移植可执行（portable executable，简称PE）文件。32位的是 PE32， 64位的是 PE32+。 PE32可以在32位和64位上运行，而PE32+只可以在64位上运行。

 

下图就是源代码编译的过程：

从图中可以看出，你可以使用如何支持CLR的语言开发程序，只要用相应的编译器就可以编译成Managed Module。

下面列出了一个Managed Module所包含的内容： 

内容	描述
PE Header	这个文件的类型：GUI、CUI还是DLL 一个时间戳：标记这个文件被编译生成的时间。
CLR Header	这个文件依赖的CLR的版本， 这个文件的启动方法的 MethodDef 元数据信息， 文件元数据，资源文件，强命名等的地址和大小。
元数据（Matedata）	每一个Managed module 都包含两个Matedata table： 一个描述了这个文件中定义了哪些类和类的成员， 另外一个描述了这个文件引用了哪些类和类的成员。
IL Code	编译器生产的 IL 中间语言代码，在运行时，由CLR把 IL 翻译为机器码。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 IL 代码也叫托管代码。 值得注意的是，Matedata 和 IL 是编译过程的共同产物，一定是编译在一个文件中，不会各自独立存在。

 

Combining Managed Modules into Assemblies

虽然我们的代码时被编译为Managed Module，但是我们实际接触的更多的是程序集（Assembly），是的，实际上CLR是加载Assembly，而不是加载Managed Module。

Assembly是一个逻辑的的分组，包含一个或多个的Manged Module或资源文件。而且Assembly是可以被复用的，安全性（Security）部署的，可被版本标示的最小单位。

从图上看出，Assembly中有一个Manifest，这其实是另外一组Matedata，描述了这个文件由哪些Managed Module组成、这个Assembly实现的对外公开的类型、以及嵌入在内的资源文件和数据文件。

在VS.NET中，编译器默认帮我们把一个Project中的所有类型都编译为一个Assembly，你也可以按照自己的想法组织Assembly的构成，比如把不常用的类编译为一个独立的Assembly，要做到这一点，你就要自己操作关于Assembly的命令行工具，比如AL.exe（Assembly Linker）。

Assembly中还包含了引用到哪些其他程序集的信息。这一点让Assembly成为了自解析的，使得.Net程序的部署比之前的 C/C++，COM+的unmanaged components程序方便的多，不需要注册了。

 

Loading the Common Language Runtime

要运行.Net 的程序，目标机器必须安装 .Net Framework，但是如何判断一台机器是否安装了.Net Framework 呢？

答：检查%SystemRoot%\System32 目录下是否有 MSCorEE.dll 文件。

如何判断一个机器上有安装.Net Framework 的具体哪个版本？

答：检查注册表 HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\NET Framework Setup\NDP 中的子键。或者在.Net Framework SDK 中有一个命令行工具：CLRVer.exe也可以列出本机安装的所有CLR的版本。

 

Executing Your Assembly’s Code

通常情况下，我们用高级语言开发程序，然后用相应的编译器生成 IL ，IL 比机器语言的级别高一些。但是 IL 也可以用汇编来写，微软也提供了相关的工具：IL Assembler，ILAsm.exe；IL Disassembler，ILDasm.exe。

要真正运行一个method()， IL 必须被转化为 机器指令，这个工作是由 CRL's JIT (just-in-time) 编译器完成的。

 

如何保护你的 IL 代码，

第一个层次是使用Web Service这样的服务，客户永远不能得到你的dll

第二个层次是使用一些第三方的工具，把你的 程序集中的 IL 中的变量混乱化。

第三个层次是使用CLR’s interoperability，可以控制一些托管代码和非托管代码的交互。

 

The Native Code Generator Tool: NGen.exe

安装.Net Framework 时，NGen.exe 也会安装到你的机器上，这个工具主要用来把 IL 代码编译成本地机器码，由于使用这个工具编译后的代码不再需要CLR's JIT 在运行时编译，所以可以提升程序的性能，但同时这样做也带来一些不好的因素，比如说用NGen.exe编译的机器代码不能根据具体的CPU规格来优化程序，但是JIT编译器却可以。

所以对于NGen.exe的使用要特别的小心，其实对于服务器端程序来说，比如ASP.NET只是客户端的第一次访问比较慢一些，后续的访问的运行速度都是很快的。对于客户端的程序，用NGen.exe编译的代码可以提高启动速度，减少进程的working set。

 

The Framework Class Library （FCL）

FCL就是由一大堆 DLL 组成，这些DLL中定义了成千上万的类以及这些类提供的功能。微软也不断的提供额外的类供开发人员使用，比如说 DirectX SDK。

使用FCL中的 Assembly，我们可以开发例如以下的应用类型：

• Web Services：使用 ASP.NET XML Web Service 或 WCF 可以很容易从Internet上访问的调用方法。
• Web Forms Apps：ASP.NET Web Forms Application 或者 Web Site。
• Rich Windows GUI Apps：Windows Form，WPF。
• Rich Internet Applications（RIAs）：基于Internet的 Silverlight 技术。
• Windows Console Apps：控制台程序。
• Windows Services：服务。
• Database Store Procedure：SQL Server，Oracle，DB2 都允许开发人员用.Net 开发存储过程。
• Component Library：对立的组件，被上面的Apps来引用。

 

The Common Type System（CTS）

通过上面的了解，你会发现CLR对于我们来说最重要的就是一大堆的类，这些类为我们的应用程序开发提供了便利。由于类型是CLR的根本，所以微软定义了一个规范Common Type System 来描述如何定义一个类以及如何定义它的行为。

CTS规定一个类可以包含0个或多个成员，类的成员可以有这几种：Field、Method、Property、Event。

CTS还规定了类成员可视性的规则和可视性修饰符：

• Private：只能被同一个类的其他成员访问。
• Family：在C#/C++中的关键字是 protected，只能被类的子类访问，不管这个子类和父类是否在一个Assembly中。
• Family and assembly：只能被在同一个Assembly的子类访问，在C# 和 VB.NET 中都没有这个关键字。
• Assembly：只能被在同一个Assembly的其他类型访问，在C#中使用关键字 internal。
• Family or assembly：子类或同一个Assembly的都可访问，在C#中使用关键字 protected internal
• Pubic：可被任何类访问。

CTS还规定了类的继承规则，虚方法规则，对象生命周期的规则，等等。虽然你不需要学习CTS的这些规则，但是他们已经体现在你使用的高级语言中了。

CTS还有一个最重要的规则，所有的类最终必须继承自System.Object。

 

The Common Language Specification（CLS）

由于每种语言都是实现了CLR中的一个集合，每种语言所包含的集合不尽相同，那要保证不用语言编译出来的程序的互通，就有了CLS的存在，它定义了一个最小的集合是每种语言都必须实现并遵守的。

如果你想保证你的程序是遵守CLS的，可以给程序集加上一个Attribute： [assembly: CLSCompliant(true)]

using System;

// Tell compiler to check for CLS compliance
[assembly: CLSCompliant(true)]

namespace SomeLibrary 
{
    // Warnings appear because the class is public
    public sealed class SomeLibraryType 
    {
        // Warning: Return type of 'SomeLibrary.SomeLibraryType.Abc()'
        // is not CLS-compliant
        public UInt32 Abc() { return 0; }
        
        // Warning: Identifier 'SomeLibrary.SomeLibraryType.abc()'
        // differing only in case is not CLS-compliant
        public void abc() { }
        
        // No warning: this method is private
        private UInt32 ABC() { return 0; }
    }
}

编译程序会得到两个警告，一个是因为不是所有的语言都支持 Unsigned Int 类型，另外一个是因为两个方法名 Abc() 和 abc() 只有大小写的区别，在VB.Net中是无法区分的。

但是如果把 SomeLibraryType 前面的 public 关键字去掉，这个两个警告就会消失，因为这个类会成为 internal 的，其他Assembly不能访问他的内部，而和它同一个Assembly的类肯定和它是用同一中语言编写的。

 

Interoperability with Unmanaged Code

托管代码可以通过 P/Invoke(Platform Invoke) 的方式来调用非托管DLL中的功能。

在和非托管代码的互通性方面，接触的比较少，以后有需要时再来学习。