NET框架之中通晓CLR怎么样成立运行时对象,NET框架之中精通CLR怎样创建运行时对象

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文宣布日期: 9/19/2005
原文已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发觉众多著作图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目标布局和内存细节。
  • 措施表布局。
  • 艺术分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上制造应用程序的主角级基础架构,
多精通点关于CLR的纵深认识会拉扯您构建高速的, 工业级健壮的使用程序.
在这篇作品中, 我们会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的分摊, 和丰硕多彩的数目结构.

俺们会使用由C#写成的异常简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为对象的.
探讨的一对数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
然而多数的定义是不会变的. 大家会利用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数量结构.
SOS可以知道CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的新闻. 通篇,
大家会商量在Shared Source CLI(SSCLI)中存有相关兑现的类, 你能够从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会辅助您在摸索一些结构的时候到SSCLI中的信息.

ITEM SSCLI PATH
AppDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
AppDomainStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
BaseDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
ClassLoader sscliclrsrcvmclsload.hpp
EEClass sscliclrsrcvmclass.h
FieldDescs sscliclrsrcvmfield.h
GCHeap sscliclrsrcvmgc.h
GlobalStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
HandleTable sscliclrsrcvmhandletable.h
InterfaceVTableMapMgr sscliclrsrcvmappdomain.hpp
Large Object Heap sscliclrsrcvmgc.h
LayoutKind sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropserviceslayoutkind.cs
LoaderHeaps sscliclrsrcincutilcode.h
MethodDescs sscliclrsrcvmmethod.hpp
MethodTables sscliclrsrcvmclass.h
OBJECTREF sscliclrsrcvmtypehandle.h
SecurityContext sscliclrsrcvmsecurity.h
SecurityDescriptor sscliclrsrcvmsecurity.h
SharedDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
StructLayoutAttribute sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropservicesattributes.cs
SyncTableEntry sscliclrsrcvmsyncblk.h
System namespace sscliclrsrcbclsystem
SystemDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
TypeHandle sscliclrsrcvmtypehandle.h

在大家起始前,请留意:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1实惠(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的景色下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,所以请不要在构建软件时依赖于这一个内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创立两个使用程序域。其中多少个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由CLR启动进程创设,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 图2
所示,这一个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是利用了单件(Singleton)格局。第多少个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可实施映象文件的名字组成。其余的域可以在托管代码中拔取AppDomain.CreateDomain方法创制,或者在非托管的代码中运用ICORRuntimeHost接口创制。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会遵照应用程序的数量创制六个域。

图 2 由CLR启动程序成立的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创设和伊始化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍重过程范围之中使用的包含或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的拍卖措施显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采取此特性。即便如此,由于在装有的使用程序域中对一个一定的标记只保留一个应和的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还肩负暴发过程范围的接口ID,并用来成立每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中维系跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的效能。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

拥有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的骨干类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也得以被加载到这些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时接纳由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也足以加载代码到共享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个选取基地址作为目录的主次集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,那么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

默认域是选择程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。固然有些应用程序需要在运转时成立额外的运用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点的周转时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运转期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假如一个应用程序有多少个使用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音信可以运用System.ContextBoundObject派生的项目创立。每个应用程序域有谈得来的商洛描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有自己的加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

图片 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效应是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的一体生命期内存在的预制构件。这多少个堆的加强基于可预测块,那样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的五个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。日常访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番一次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次理解域后,我们准备看看它们在一个简约的应用程序的左右文中的物理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
打听SOS的加载音信)。这里是编制后的出口:

图3 Sample1.exe

!DumpDomain
System Domain: 793e9d58, LowFrequencyHeap: 793e9dbc,
HighFrequencyHeap: 793e9e14, StubHeap: 793e9e6c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40

Shared Domain: 793eb278, LowFrequencyHeap: 793eb2dc,
HighFrequencyHeap: 793eb334, StubHeap: 793eb38c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40

Domain 1: 149100, LowFrequencyHeap: 00149164,
HighFrequencyHeap: 001491bc, StubHeap: 00149214,
Name: Sample1.exe, Assembly: 00164938 [Sample1],
ClassLoader: 00164a78

using System;

public interface MyInterface1
{
    void Method1();
    void Method2();
}
public interface MyInterface2
{
    void Method2();
    void Method3();
}

class MyClass : MyInterface1, MyInterface2
{
    public static string str = "MyString";
    public static uint   ui = 0xAAAAAAAA;
    public void Method1() { Console.WriteLine("Method1"); }
    public void Method2() { Console.WriteLine("Method2"); }
    public virtual void Method3() { Console.WriteLine("Method3"); }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        MyClass mc = new MyClass();
        MyInterface1 mi1 = mc;
        MyInterface2 mi2 = mc;

        int i = MyClass.str.Length;
        uint j = MyClass.ui;

        mc.Method1();
        mi1.Method1();
        mi1.Method2();
        mi2.Method2();
        mi2.Method3();
        mc.Method3();
    }
}

我们的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”Sample1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过因为它是中央系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代办堆。系统域和共享域使用同一的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸和已交给尺寸。高频堆的起首化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的出口也从不出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己的加载器堆在域开首化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,先导时交由4KB。我们将会在连续部分商量项目布局时研商IVMap的含义。

图2
显示默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于还是抢先85000字节的对象),它表达了这么些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器发生x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用于托管对象实例化的垃圾回收堆。

图片 7
连串原理

品类原理

类型是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式创立,可是,在特意的互动操作(interop)意况和长途对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些爆发的序列涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个分包对象引用的栈开首商讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例初阶生命期的地点)。
图4中展现的代码包含一个简便的先后,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创办一个SmallClass的序列实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆创制对象。虽然这是一段无聊的代码,可是可以帮忙我们开展探讨。

图4 Large Objects and Small Objects

using System;

class SmallClass
{
    private byte[] _largeObj;
    public SmallClass(int size)
    {
        _largeObj = new byte[size];
        _largeObj[0] = 0xAA;
        _largeObj[1] = 0xBB;
        _largeObj[2] = 0xCC;
    }

    public byte[] LargeObj
    {
        get { return this._largeObj; }
    }
}

class SimpleProgram
{
    static void Main(string[] args)
    {
        SmallClass smallObj = SimpleProgram.Create(84930,10,15,20,25);
        return;
    }

    static SmallClass Create(int size1, int size2, int size3,
        int size4, int size5)
    {
        int objSize = size1 + size2 + size3 + size4 + size5;
        SmallClass smallObj = new SmallClass(objSize);
        return smallObj;
    }
}

图5 突显了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注脚在可能的意况下将函数参数通过寄存器传递,而另外参数按照从右到左的逐条入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以一定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目的的地址。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管咋样,它涵盖了一个目的实例的地址,我们将利用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

图片 8

一般GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为 _largeObj
的字节数组(注意,图中显得的尺寸为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的目标的处理和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在一般GC堆上创立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会回落,而GC堆在GC回收时举行压缩。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个表明的门类有一个方法表,而同样品种的所有目的实例都针对同一个方法表。它涵盖了花色的特点音讯(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

方法表指向一个名为EEClass的严重性数据结构。在艺术表创制前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的主意表指向它的EEClass。那些协会指向它们的模块和顺序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和行使程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到内部,就直到应用程序域卸载时才会不复存在。而且,默认的使用程序域不会被卸载,所以那个代码的生存期是截止CLR关闭停止。

图片 9
目的实例

目的实例

正如我们说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的引用类型在 GC 堆或者 LOH 上创办。图 6
呈现了一个超人的靶子布局。一个对象可以通过以下途径被引述:基于栈的一部分变量,在互动操作仍然平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行形式时的
this 指针和形式参数),拥有终结器( finalizer )方法的对象的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目的实例的始发地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起头计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连续,所以在急需扩展表的轻重缓急时, CLR
可以在内存中移动这么些表。 SyncTableEntry 维护一个反向的弱引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以在尚未另外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个对象的拥有实例使用的有用的音讯。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和动用程序域的目录。对于绝大多数的对象实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。那点在实践线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的言语时会暴发变化,如下所示:

SmallClass obj = new SmallClass()
// Do some work here
lock(obj) { /* Do some synchronized work here */ }
obj.GetHashCode();

图 6 对象实例布局
图片 10

在以上代码中, smallObj 会动用 0 作为它的开局的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创造一个 syncblk 入口并采取相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩张为 try-finally 语句并使用 Monitor 类,一个作为同步的
Monitor 对象在 syncblk 上制造。堆 GetHashCode
的调用会拔取对象的哈希编码扩充 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时接纳,不过这和典型的目的用处无关。
类型句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在印证实例变量后探究类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认意况下,实例域会以内存最管用使用的法门排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码呈现了 SimpleClass 包含有局部不同大小的实例变量。

图 7 SimpleClass with Instance Variables

class SimpleClass
{
    private byte b1 = 1;                // 1 byte
    private byte b2 = 2;                // 1 byte
    private byte b3 = 3;                // 1 byte
    private byte b4 = 4;                // 1 byte
    private char c1 = 'A';              // 2 bytes
    private char c2 = 'B';              // 2 bytes
    private short s1 = 11;              // 2 bytes
    private short s2 = 12;              // 2 bytes
    private int i1 = 21;                // 4 bytes
    private long l1 = 31;               // 8 bytes
    private string str = "MyString"; // 4 bytes (only OBJECTREF)

    //Total instance variable size = 28 bytes 

    static void Main()
    {
        SimpleClass simpleObj = new SimpleClass();
        return;
    }
}

图 8 呈现了在 Visual Studio 调试器的内存窗口中的一个 SimpleClass
对象实例。我们在图 7 的 return 语句处设置了断点,然后利用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口展示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家从未用别样共同代码应用此实例(也尚无访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,指向开始地方的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个接一个的排列在一起。多少个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一齐。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的其实的字符串实例。字符串是一个特其余门类,因为所有包含同样文字标记的字符串,会在程序集加载到过程时指向一个大局字符串表的一模一样实例。那些进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的选取。我们前边已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以采取是否利用这些进程,虽然未来版本的 CLR
可能会提供这么的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

之所以默认情形下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的场所下,词典顺序必须被保留到内存中,这时可以利用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它从不影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会这样做)。在相互操作的情状下,如若你实在需要额外的填充字节和显示的控制域的次第,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)Offset 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,我们运用 SOS 看看对象实例。一个实用的授命是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特别类型的具备实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以显示我们创立的唯一一个实例的地方。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:WINDOWSMicrosoft.NETFrameworkv1.1.4322mscorwks.dll"
 Address       MT     Size
00a8197c 00955124       36
Last good object: 00a819a0
total 1 objects
Statistics:
      MT    Count TotalSize Class Name
  955124        1        36 SimpleClass

目的的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只含有一个
DWORD 的对象引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,此外 8
个字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地方后,我们得以拔取 DumpObj 命令输出它的始末,如下所示:

!DumpObj 0x00a8197c
Name: SimpleClass
MethodTable 0x00955124
EEClass 0x02ca33b0
Size 36(0x24) bytes
FieldDesc*: 00955064
      MT    Field   Offset                 Type       Attr    Value Name
00955124  400000a        4         System.Int64   instance      31 l1
00955124  400000b        c                CLASS   instance 00a819a0 str
    << some fields omitted from the display for brevity >>
00955124  4000003       1e          System.Byte   instance        3 b3
00955124  4000004       1f          System.Byte   instance        4 b4

正如往日说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团采取 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以使用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空中,如下所示:

!ObjSize 0x00a8197c
sizeof(00a8197c) =       72 (    0x48) bytes (SimpleClass)

设若您从目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就足以拿走 str 的分寸,即 36 字节。让我们输出 str
实例来证实这些结果:

!DumpObj 0x00a819a0
Name: System.String
MethodTable 0x009742d8
EEClass 0x02c4c6c4
Size 36(0x24) bytes

假使您将字符串实例的大小(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就可以收获ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不晓得非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因而它们不会被这一个命令报告。

针对方法表的档次句柄在syncblk编号后分配。在目的实例成立前,CLR查看加载类型,如若没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,创设对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器爆发的代码在开展形式分派时行使项目句柄来定位方法表。CLR在急需史可以因此艺术表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩张程序用于本文化的彰显CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一片段,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程从前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文书夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中实践 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的局部下令,关于SOS更多音信,参考这里

图片 12
方法表

方法表

每个类和实例在加载到应用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目的的首个实例创设前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情景,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器暴发的映照到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的消息和外挂的音讯方可由此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以经过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的门类句柄指向方法表起头地点的舞狮处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC音讯。大家不打算在这边对其举行商讨。

图 9
呈现了艺术表的典型布局。我们会注明项目句柄的一对重要的域,不过对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起初,因为它平素关联到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

图片 13

图片 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总括的目的的深浅,基于代码中声称的域。在此以前早已琢磨过,当前GC的实现需要一个至少12字节的目的实例。倘诺一个类没有定义任何实例域,它至少含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和花色句柄占用。再说两遍,对象的深浅会遭遇StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显得的MyClass(有多少个接口)的艺术表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举行相比。在图9中,对象大小位于4字节的撼动处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!DumpHeap -type MyClass
 Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
    MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

图片 15
办法槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在艺术表中蕴藏了一个槽表,指向各类艺术的叙述(MethodDesc),提供了项目的行为能力。方法槽表是按照方法实现的线性链表,遵照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在此时此刻类,父类和接口的元数据中遍历,然后创设方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创造新的槽,在急需时复制槽。槽复制是少不了的,它可以让各种接口有自己的蝇头的vtable。可是被复制的槽指向同一的物理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为保有没有显式定义构造函数的目标自动生成。因为大家定义并最先化了一个静态变量,编译器会生成一个类构造函数。图10显示了MyClass的主意表的布局。布局呈现了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边大家会进展座谈。图11来得了MyClass的不二法门表的SOS的输出。

图10 MyClass MethodTable Layout
图片 16

图11 SOS Dump of MyClass Method Table

!DumpMT -MD 0x9552a0
  Entry  MethodDesc  Return Type       Name
0097203b 00972040    String            System.Object.ToString()
009720fb 00972100    Boolean           System.Object.Equals(Object)
00972113 00972118    I4                System.Object.GetHashCode()
0097207b 00972080    Void              System.Object.Finalize()
00955253 00955258    Void              MyClass.Method1()
00955263 00955268    Void              MyClass.Method2()
00955263 00955268    Void              MyClass.Method2()
00955273 00955278    Void              MyClass.Method3()
00955283 00955288    Void              MyClass..cctor()
00955293 00955298    Void              MyClass..ctor()

其他项目标伊始4个措施总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都指向相同的法门描述。代码展现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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形式描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的办法实现的一个装进。有三种档次的点子描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互相操作实现的调用。在本文中,我们只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中发出,初步化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12呈现了一个独立的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的法子描述数据结构。对于实际的办法描述,那是-5字节的晃动,是每个方法的8个附加字节的一有些。这5个字节包含了调用预编译代理程序的一声令下。5字节的舞狮可以从SOS的DumpMT输出从寓目,因为方法描述总是方法槽表指向的地点前面的5个字节。在首先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12主意描述

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图12的办法表槽指向的代码举办反汇编,突显了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化展现。

Method2:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 call        003C3538        ;call to the jitted Method2()
00955268 add         eax,68040000h   ;ignore this and the rest
                                     ;as !u thinks it as code

前日我们实施此形式,然后反汇编相同的地址:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
                                 ;as !u thinks it as code

在此地方,只有伊始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的措施描述的多少。“!u”命令不了解这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的持有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的绝对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让我们从列出的函数中挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法子描述的情节:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
IL RVA : 00002068

编译后,方法描述的始末如下:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
Method VA : 02c633e8

艺术的这些标志域的编码包含了艺术的项目,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让大家看方法表此外一个复杂的下边:接口实现。它包裹了布局过程具有的纷繁,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,我们将注解接口怎么样进展布局和遵照接口的章程分派的合适工作形式。

图片 19
接口虚表图和接口图

接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface Map)

在章程表的第12字节偏移处是一个首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个用到程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创设。每个接口的落实都在接口虚表中有一个记录。假使MyInterface1被五个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的开端地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时利用的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图信息创设,接口图在艺术表布局过程中基于类的元数据创制。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在点子表中的接口信息记录。在这种气象下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口消息记录的伊始4个字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个讲明占用(0代表从父类派生,1意味着由最近类实现)。在注明后的WORD是一个发端槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,伊始槽的值为4(从0起始编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,开头槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来暴发这么的职能:每个接口有友好的兑现,然则物理映射到同一的法子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

遵照接口的措施分派通过接口虚表举行,而一向的艺术分派通过保留在逐个槽的不二法门描述地址举行。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起始2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,能够在“mov
ecx,esi”语句看到这点:

mi1.Method1();
mov    ecx,edi                 ;move "this" pointer into ecx
mov    eax,dword ptr [ecx]     ;move "TypeHandle" into eax
mov    eax,dword ptr [eax+0Ch] ;move IVMap address into eax at offset 12
mov    eax,dword ptr [eax+30h] ;move the ifc impl start slot into eax
call   dword ptr [eax]         ;call Method1

mc.Method1();
mov    ecx,esi                 ;move "this" pointer into ecx
cmp    dword ptr [ecx],ecx     ;compare and set flags
call   dword ptr ds:[009552D8h];directly call Method1

这么些反汇编展现了平素调用MyClass的实例方法没有拔取偏移。JIT编译器把艺术描述的地点直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表发生,和一向分派相相比较需要部分万分的一声令下。一个命令用来取得接口虚表的地方,另一个拿走格局槽表中的接口实现的初叶槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到对象的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个下令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

目前咱们看看虚分派,并且和基于接口的分摊举行相比较。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

mc.Method3();
Mov    ecx,esi               ;move "this" pointer into ecx
Mov    eax,dword ptr [ecx]   ;acquire the MethodTable address
Call   dword ptr [eax+44h]   ;dispatch to the method at offset 0x44

虚分派总是通过一个定位的槽编号暴发,和章程表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在模式表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的兑现。结果,对父对象的点子调用被分派到子对象的实现。反汇编展现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的显要组成部分。作为艺术表的一片段,它们分配在格局表的槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对此协会和引用的品类的静态值对象,通在句柄表中创建的目标引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句柄表的对象引用,它引用了堆上成立的目的实例。一旦创建后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

图片 22
EEClass

EEClass

EEClass在点子表创设前最先生活,它和措施表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和艺术表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档次),只不过因为使用频度的例外而被分别。平常应用的域放在方法表,而不平时利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时需要的音讯(如虚表槽和GC消息)在情势表中。

对每一个项目会加载一个EEClass到利用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这多少个网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的三结合。在履行托管代码的过程中,新的EEClass节点被投入,节点的关系被填补,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个档次的涉及。EEClass有六个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13只展现了和这些商量有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,大家没有在图中得当彰显偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的一再堆分配的法子描述块。在情势表创制时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音信。EEClass在利用程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的展开内存分页管理,由此收缩了工作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。我们现在看望使用SOS输出的EEClass的真的的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的程序。首先使用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的率先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令拿到。现在我们拿到了EEClass的地方,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224

      MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui

图13和DumpClass的出口看起来完全平等。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以领悟图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的不二法门)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举行摊派时被认为是虚函数并出席到列表中。把.cctor和.ctor参加到列表中,你会获取总共10个办法。最终列出的是类的多少个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

大家关于CLR一些最根本的内在的研究旅程终于截止了。分明,还有不少问题亟待涉及,而且亟需在更深的层次上琢磨,可是大家希望这足以匡助您看到东西怎么样行事。那里提供的累累的音信或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该保障不变。

乘胜通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其举办长远领悟会扶助您建立行之有效的工业强度的应用程序。在本文中,我们将探索CLR内部,包括对象实例布局,方法表布局,方法分派,基于接口的分担和不同的数据结构。

俺们将使用C#编排的简练代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处研商的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是根本概念应该保障不变。大家利用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩张Son of Strike
(SOS)来查看本文商量的数据结构。SOS了然CLR的其中数据结构并出口有用信息。请参见“Son
of Strike”补充材料,领悟什么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的长河空间。本文中,大家将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有对应实现的类,你能够从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将援救你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的布局。

在大家开首前,请小心:本文提供的消息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1实用(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的境况下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时依赖于这一个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创设五个使用程序域。其中六个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由CLR启动进程创建,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如图2所示,这么些域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是利用了单件(Singleton)情势。第两个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可举办映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中接纳AppDomain.CreateDomain方法创制,或者在非托管的代码中运用ICORRuntimeHost接口创设。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会按照应用程序的多寡创设多少个域。

图片 25

2 由CLR启动程序成立的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创设和初叶化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍重过程范围之中拔取的包含或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的拍卖措施显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会接纳此特性。尽管如此,由于在拥有的使用程序域中对一个一定的号子只保留一个应和的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还担负爆发过程范围的接口ID,并用来成立每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保持跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的功用。

图片 27回来页首

共享域(Shared Domain)

装有不属于另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它会被机关加载到共享域中。系统命名空间的骨干项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被事先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这多少个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时行使由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个拔取基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其它在托管代码中创立的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 28回去页首

默认域(Default Domain)

默认域是选用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。固然有些应用程序需要在运行时成立额外的选取程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办首要的运行时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运作期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。虽然一个应用程序有三个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音讯可以动用System.ContextBoundObject派生的连串创设。每个应用程序域有协调的荆门描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结的加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。

图片 29回来页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意义是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的成套生命期内设有的预制构件。那一个堆的提升基于可预测块,这样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的两个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平时访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次通晓域后,我们准备看看它们在一个简约的应用程序的上下文中的物理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后接纳SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看Son
of
Strike
刺探SOS的加载信息)。这里是编制后的出口:

!DumpDomain
System Domain: 793e9d58, LowFrequencyHeap: 793e9dbc,
HighFrequencyHeap: 793e9e14, StubHeap: 793e9e6c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40
Shared Domain: 793eb278, LowFrequencyHeap: 793eb2dc,
HighFrequencyHeap: 793eb334, StubHeap: 793eb38c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40
Domain 1: 149100, LowFrequencyHeap: 00149164,
HighFrequencyHeap: 001491bc, StubHeap: 00149214,
Name: Sample1.exe, Assembly: 00164938 [Sample1],
ClassLoader: 00164a78

大家的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为“Sample1.exe”的利用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然则因为它是骨干系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个往往堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用相同的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有显得加载器堆的保留尺寸和已交付尺寸。高频堆的初阶化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的出口也绝非出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己的加载器堆在域初步化阶段创立。IVMap保留大小是4KB,开端时交由4KB。我们将会在持续部分探讨项目布局时研商IVMap的意义。

图2来得默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于仍旧抢先85000字节的目的),它注脚了那个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器发生x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用来托管对象实例化的废品回收堆。

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花色原理

类别是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型能够应用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品类由程序员显式创制,不过,在特另外相互操作(interop)情况和长途对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,那个爆发的品种涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家经过一个带有对象引用的栈起先研商.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例起初生命期的地点)。图4中显得的代码包含一个简练的顺序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创设一个SmallClass的品类实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目的堆创造对象。尽管这是一段无聊的代码,可是可以协理我们开展座谈。

图5展现了截至在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表达在可能的气象下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数依据从右到左的逐一入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以一定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分红的靶子的地方。对于传统C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管如何,它包含了一个对象实例的地方,大家将采纳术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

图片 31

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

一般GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为_largeObj的字节数组(注意,图中突显的尺寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对抢先或等于85000字节的靶子的处理和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上创造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个讲明的档次有一个方法表,而同等档次的具有指标实例都对准同一个方法表。它涵盖了花色的特征消息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

艺术表指向一个名为EEClass的重要性数据结构。在章程表成立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4中,SmallClass的情势表指向它的EEClass。这多少个协会指向它们的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和接纳程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到里头,就直到应用程序域卸载时才会化为乌有。而且,默认的应用程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是为止CLR关闭截止。

图片 32回到页首

目的实例

正如我辈说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在GC堆上。所有的引用类型在GC堆或者LOH上创建。图6来得了一个突出的目的布局。一个目的足以经过以下途径被引用:基于栈的一对变量,在相互操作如故平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行格局时的this指针和章程参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的上马地方,而是有一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目录(从1起头计数的syncblk编号。因为经过索引举行连续,所以在需要扩大表的轻重缓急时,CLR能够在内存中活动那个表。SyncTableEntry维护一个反向的弱引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以在并未其它强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个目的的持有实例使用的行之有效的信息。这个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和行使程序域的目录。对于大多数的目的实例,不会为实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。那一点在进行线程境遇如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言语时会发生变化,如下所示:

SmallClass obj = new SmallClass()
// Do some work here
lock(obj) { /* Do some synchronized work here */ }
obj.GetHashCode();

在上述代码中,smallObj会使用0作为它的苗子的syncblk编号。lock语句使得CLR创立一个syncblk入口并使用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩大为try-finally语句并运用Monitor类,一个当做同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会动用对象的哈希编码扩张syncblk。

在SyncBlock中有其他的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,然而这和突出的对象用处无关。

品种句柄紧跟在目的实例中的syncblk编号后。为了保障连续性,我会在注明实例变量后研讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认情形下,实例域会以内存最实用利用的主意排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有部分不一大小的实例变量。

图8显示了在Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。我们在图7的return语句处设置了断点,然后利用ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口展示对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为大家从未用别样共同代码应用此实例(也未尝访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指向起初位置的4个字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3和b4被一个接一个的排列在共同。六个short类型变量s1和s2也被排列在协同。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分红的骨子里的字符串实例。字符串是一个专门的品类,因为兼具包含同样文字标记的字符串,会在程序集加载到过程时指向一个大局字符串表的同等实例。这多少个历程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的应用。我们从前曾经提过,在NET Framework
1.1中,程序集无法采取是否采用这些历程,即使以后版本的CLR可能会提供这样的力量。

因此默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在彼此操作的状态下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以选拔StructLayoutAttribute特性,它有一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以为被封送(marshaled)数据保持词典顺序,即便在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(然则.NET Framework
2.0也许会这么做)。在互动操作的景观下,如若您确实需要额外的填充字节和显示的控制域的各种,LayoutKind.Explicit可以和域层次的FieldOffset特性一起利用。

看完底层的内存内容后,大家应用SOS看看对象实例。一个行之有效的命令是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特别类型的具有实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以显示我们成立的绝无仅有一个实例的位置。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322\mscorwks.dll"
Address       MT     Size
00a8197c 00955124       36
Last good object: 00a819a0
total 1 objects
Statistics:
MT    Count TotalSize Class Name
955124        1        36 SimpleClass

对象的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的对象引用。SimpleClass的实例变量只占用28字节,另外8个字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地方后,我们得以采取DumpObj命令输出它的情节,如下所示:

!DumpObj 0x00a8197c
Name: SimpleClass
MethodTable 0x00955124
EEClass 0x02ca33b0
Size 36(0x24) bytes
FieldDesc*: 00955064
MT    Field   Offset                 Type       Attr    Value Name
00955124  400000a        4         System.Int64   instance      31 l1
00955124  400000b        c                CLASS   instance 00a819a0 str
<< some fields omitted from the display for brevity >>
00955124  4000003       1e          System.Byte   instance        3 b3
00955124  4000004       1f          System.Byte   instance        4 b4

正如在此以前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会拔取LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以运用ObjSize来输出包含被str实例占用的半空中,如下所示:

!ObjSize 0x00a8197c
sizeof(00a8197c) =       72 (    0x48) bytes (SimpleClass)

设若你从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的深浅(36字节),就可以拿到str的深浅,即36字节。让我们输出str实例来表明那么些结果:

!DumpObj 0x00a819a0
Name: System.String
MethodTable 0x009742d8
EEClass 0x02c4c6c4
Size 36(0x24) bytes

即便你将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的分寸(36字节),就可以取得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不晓得非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因而它们不会被这多少个命令报告。

本着方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创制前,CLR查看加载类型,假使没有找到,则开展加载,得到方法表地址,创造对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器暴发的代码在拓展格局分派时采用项目句柄来定位方法表。CLR在需要史可以经过艺术表反向访问加载类型时利用项目句柄。

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方法表

各个类和实例在加载到使用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。这是在对象的第一个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是气象,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器暴发的照射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音信和外挂的信息可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以通过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的连串句柄指向方法表最先地点的晃动处,偏移量默认境况下是12字节,包含了GC新闻。我们不打算在此间对其展开座谈。

图9显示了艺术表的超人布局。我们会讲明项目句柄的有些根本的域,不过对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起始,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的对象的深浅,基于代码中扬言的域。在此之前早已研商过,当前GC的落实内需一个足足12字节的目标实例。即使一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和品种句柄占用。再说三遍,对象的高低会碰着StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有六个接口)的主意表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举行相比较。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

!DumpHeap -type MyClass
Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

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措施槽表(Method Slot Table)

在艺术表中蕴含了一个槽表,指向各种艺术的叙说(MethodDesc),提供了品种的行为能力。方法槽表是依照方法实现的线性链表,按照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在如今类,父类和接口的元数据中遍历,然后创立方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮住的虚方法和被埋伏的父类方法,创设新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必备的,它可以让各种接口有温馨的纤维的vtable。可是被复制的槽指向同一的情理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为持有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并先河化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10来得了MyClass的点子表的布局。布局突显了10个章程,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会开展商讨。图11展现了MyClass的艺术表的SOS的出口。

任何类型的起来4个主意总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这多少个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,可是都针对相同的主意描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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艺术描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的方法实现的一个打包。有三种档次的法子描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互相操作实现的调用。在本文中,大家只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中发出,初阶化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12体现了一个典型的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的法门描述数据结构。对于实际的章程描述,这是-5字节的撼动,是各种方法的8个附加字节的一局部。这5个字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节的舞狮能够从SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的职位前面的5个字节。在率先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的办法表槽指向的代码举行反汇编,彰显了对预编译代理的调用。以下是在Method2被JIT编译前的反汇编的简化显示。

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 call        003C3538        ;call to the jitted Method2()
00955268 add         eax,68040000h   ;ignore this and the rest
;as !u thinks it as code

当今我们履行此办法,然后反汇编相同的地址:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
;as !u thinks it as code

在此地方,只有着手5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法门描述的数码。“!u”命令不了解这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的拥有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的周旋虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让大家从列出的函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的形式描述的内容:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
IL RVA : 00002068

编译后,方法描述的始末如下:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
Method VA : 02c633e8

方法的那几个标志域的编码包含了法子的项目,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让大家看方法表其它一个错综复杂的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的纷繁,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,我们将注明接口咋样开展布局和依照接口的法子分派的恰到好处工作方法。

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接口虚表图和接口图

在措施表的第12字节偏移处是一个根本的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个用到程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创制。每个接口的贯彻都在接口虚表中有一个记下。假若MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的起来地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时接纳的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图音讯创设,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据创立。一旦类型加载成功,唯有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在章程表中的接口音信记录。在这种景观下,对MyClass实现的五个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口消息记录的先河4个字节指向MyInterface1的序列句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个声明占用(0表示从父类派生,1象征由近来类实现)。在注脚后的WORD是一个始发槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起头槽的值为4(从0发轫编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起初槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来暴发这么的功力:每个接口有温馨的实现,可是物理映射到同一的法子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

遵照接口的法子分派通过接口虚表举办,而一向的点子分派通过保留在依次槽的主意描述地址举行。如此前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,先河2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到那或多或少:

mi1.Method1();
mov    ecx,edi                 ;move "this" pointer into ecx
mov    eax,dword ptr [ecx]     ;move "TypeHandle" into eax
mov    eax,dword ptr [eax+0Ch] ;move IVMap address into eax at offset 12
mov    eax,dword ptr [eax+30h] ;move the ifc impl start slot into eax
call   dword ptr [eax]         ;call Method1
mc.Method1();
mov    ecx,esi                 ;move "this" pointer into ecx
cmp    dword ptr [ecx],ecx     ;compare and set flags
call   dword ptr ds:[009552D8h];directly call Method1

这些反汇编呈现了直接调用MyClass的实例方法没有行使偏移。JIT编译器把措施描述的地点间接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表暴发,和一直分派相相比需要有的附加的一声令下。一个发令用来取得接口虚表的地方,另一个收获情势槽表中的接口实现的上马槽。而且,把一个目的实例转换为接口只需要拷贝this指针到对象的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个限令把mc的对象引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

如今大家看看虚分派,并且和基于接口的摊派举行相比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

mc.Method3();
Mov    ecx,esi               ;move "this" pointer into ecx
Mov    eax,dword ptr [ecx]   ;acquire the MethodTable address
Call   dword ptr [eax+44h]   ;dispatch to the method at offset 0x44

虚分派总是通过一个稳定的槽编号暴发,和章程表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在艺术表布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对父对象的法门调用被分摊到子对象的兑现。反汇编呈现了分派通过8号槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那或多或少。

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静态变量

静态变量是方法表数据结构的重大组成部分。作为艺术表的一有些,它们分配在措施表的槽数组后。所有的原来静态类型是内联的,而对于协会和引用的类其余静态值对象,通在句柄表中成立的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上创造的靶子实例。一旦创建后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的目标引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在点子表创制前起首生活,它和方法表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个项目),只然而因为使用频度的例外而被分开。经常使用的域放在方法表,而不日常利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的消息(如名字,域和摇头)在EEClass中,可是运行时索要的音讯(如虚表槽和GC消息)在章程表中。

对每一个档次会加载一个EEClass到利用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这些网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的结合。在举行托管代码的经过中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被补充,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的关联。EEClass有两个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13。

图13只展示了和这些议论相关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,大家从未在图中正好显示偏移。EEClass有一个间接的对于措施表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的再三堆分配的措施描述块。在措施表创制时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音讯。EEClass在运用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的进展内存分页管理,因而减弱了工作集。

图片 42

图13 EEClass 布局

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。大家现在看望使用SOS输出的EEClass的着实的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的先后。首先使用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:\Working\test\ClrInternals\Sample1.exe MyClass
MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的率先个参数时模块名,能够从DumpDomain命令得到。现在大家赢得了EEClass的地点,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224
MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui 

图13和DumpClass的出口看起来完全相同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以精通图13出示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的艺术)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举办摊派时被认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor参与到列表中,你会拿走总共10个主意。最终列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

咱俩关于CLR一些最着重的内在的追究旅程终于停止了。分明,还有好多题目亟需涉及,而且亟需在更深的层次上研商,可是我们期待这足以襄助您看看东西咋做事。这里提供的成千上万的音讯或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,然而即使本文提到的CLR数据结构可能改动,概念应该维持不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软前几日的角色是支援客户基于.NET框架建立可扩张的零件框架。能够经过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发帮助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩充(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛特(Charlotte),可以由此tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者卢克是微软公司的软件工程师,习惯使用C++和C#支付应用程序。闲暇时间她喜欢音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的稿子和其他开发者共享。可以因而ecaijw@msn.com联系她。

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