深切探索.NET框架内了解CLR如何创造运行时对象。深入探索.NET框架中了解CLR如何创造运行时对象。

原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发布日期: 9/19/2005
原文已经于 Microsoft
删除了,收集过程被发现许多文章图都无备,那是为原文的图都不都,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的地区
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 项目原理
  • 目标实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 道槽表(Method Slot
    Table)
  • 道描述(MethodDesc)
  • 接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface
    Map)
  • 虚分派(Virtual
    Dispatch)
  • 静态变量(Static
    Variables)
  • EEClass
  • 结论

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 靶布局和舅存细节。
  • 方式发明布局。
  • 方式分派(Method dispatching)。

因国有语言运行时(CLR)即将成为以Windows上创造应用程序的顶梁柱级基础架构,
多掌握点关于CLR的深浅认识会帮助您构建便捷之, 工业级健壮的应用程序.
在就首文章被, 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, 基于接口的摊派, 和各种各样的数据结构.

我们会以由C#描绘成的非常简单的代码示例,
所以任何针对编程语言的隐式引用都是盖C#言语也目标的.
讨论的部分数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0遭改,
但是大部分的定义是不见面变的. 我们会动Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够知情CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此底信息. 通篇,
我们会讨论在Shared Source CLI(SSCLI)中负有相关兑现的类, 你可从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥及它们.

图表1 会帮助您以寻觅一些布局的时光到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

每当咱们初步前,请留意:本文提供的音讯但对以X86平台上运行的.NET Framework
1.1中(对于Shared Source CLI
1.0乎多数适用,只是以某些交互操作的动静下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会晤时有发生反,所以恳请不要在构建软件时因让这些内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创建的地域

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地区

以CLR执行托管代码的第一实施代码前,会创三个应用程序域。其中有数单对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能由CLR启动进程创造,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)。正使 图2
所示,这些地带是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是以了么(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的起命名的地方。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实施映象文件的名做。其它的地面可以以托管代码中动用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者当非托管的代码中以ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会根据应用程序的数创建多个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创建和初始化共享域和默认应用程序域。它以系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围之中以的涵盖或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1蒙的一个优化特性,它的处理办法显得略微傻,因为CLR没有受程序集时选择这特性。尽管如此,由于在具备的应用程序域中对一个一定的号子只保留一个对应之字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还背负产生过程范围之接口ID,并为此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中保障跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的效力。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

持有未属另外特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是必备的。它见面给机关加载到联合享域中。系统命名空间的着力项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被叫事先加载到本域中。用户代码也可给加载到者域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也足以加载代码到一块儿享域中,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个用到基地址作为目录的先后集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系之查找表,这些程序集让加载到默认域(DefaultDomain)和其它在托管代码中创造的应用程序域。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)

沉默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。尽管小应用程序需要以运转时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点之周转时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运行中就创造一个地域。所有在此域运行的代码都是以地域层次上生上下文限制。如果一个应用程序有多只应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可用System.ContextBoundObject派生的类型创建。每个应用程序域有好的平安描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

图片 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的打算是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的合生命期内设有的预制构件。这些堆的滋长基于可预测块,这样好要碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对如多处理器上的大都只堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番五次堆上,而比少看的数据结构如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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

自从赛层次了解域后,我们准备看看她以一个简练的应用程序的左右文中的情理细节,见
图3。我们当程序运行时停在mc.Method1(),然后运SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
摸底SOS的加载信息)。这里是编制后底出口:

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();
    }
}

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个叫做也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一头享域,不过以她是基本系统库,所以啊当系统域中列有。每个域会分配一个频堆,低频堆和代办堆。系统域和合享域使用同样之近乎加载器,而默认应用程序使用好的接近加载器。

输出没有显示加载器堆的保留尺寸及曾经提交尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为绝非亮接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称也IVMap),由友好的加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始经常提交4KB。我们将会晤以连续有研究项目布局时讨论IVMap的意义。

图2
显示默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目标堆(用于大小等或过85000字节的靶子),它说明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留及JIT代码堆中。GC堆和非常目标堆是用于托管对象实例化的污物回收堆。

图片 7
品种原理

花色原理

色是.NET编程中的中心单元。在C#饱受,类型可以下class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类由程序员显式创建,但是,在特意之竞相操作(interop)情形与长途对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发生类型,这些有的路涵盖COM和运转时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱由此一个含对象引用的仓库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开始生命期的地方)。
图4吃展示的代码包含一个简约的次第,它产生一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的类实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何在老目标堆创建对象。尽管就是均等段子无聊之代码,但是可帮助我们进行讨论。

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 显示了艾以Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明以恐的情下以函数参数通过寄存器传递,而其余参数按照从右到左的相继入栈,然后由叫调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含有在库结构中。引用类型变量如smallObj以固定大小(4字节DWORD)保存于栈中,包含了在相似GC堆中分红的目标的地址。对于风俗习惯C++,这是目标的指针;在托管世界被,它是目标的援。不管怎样,它富含了一个靶实例的地方,我们拿动用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的仓库结构与堆

图片 8

貌似GC堆上的smallObj对象实例包含一个誉为也 _largeObj
的字节数组(注意,图中显得的分寸也85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超或当85000字节的目标的处理以及不怎么目标不同。大目标在雅目标堆(LOH)上分红,而聊目标在形似GC堆上缔造,这样可优化对象的分配和回收。LOH不见面减少,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只见面当一齐GC回收时为回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个声明的花色有一个方法表,而同型的备目标实例都指向同一个方法表。它涵盖了种的特色信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代理),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

办法表指向一个叫吧EEClass的显要数据结构。在术发明创建前,CLR类加载器从元数据遭到开创EEClass。
图4备受,SmallClass的点子表指向它的EEClass。这些组织指向她的模块和顺序集。方法表和EEClass一般分配在联合享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦让加载到内,就直到应用程序域卸载时才见面消亡。而且,默认的应用程序域不会见受卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

图片 9
对象实例

对象实例

恰使我辈说过的,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。所有的援类型在 GC 堆或者 LOH 上创造。图 6
显示了一个独立的靶子布局。一个对象可以通过以下途径为引用:基于栈的有的变量,在竞相操作还是平台调用情况下的句子柄表,寄存器(执行措施时之
this 指针和法参数),拥有终结器( finalizer )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是凭借于目标实例的开始位置,而是来一个 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(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经索引进行连接,所以当得增加表的大大小小时, CLR
可以以内存中移动是发明。 SyncTableEntry 维护一个反向的身故引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以以未曾其它强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了怪少得被一个靶的兼具实例使用的有用的音信。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据及应用程序域的目。对于绝大多数的对象实例,不见面为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这无异于沾在履线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的口舌时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
图片 10

于以上代码中, smallObj 会动 0 作为它们的起始的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并利用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句子并动用 Monitor 类,一个当作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会以对象的哈希编码增加 syncblk 。
以 SyncBlock 中来另的域,它们以 COM 交互操作以及封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时行使,不过就同突出的目标用处无关。
花色句柄紧跟以对象实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会以印证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在路句柄后。默认情况下,实例域会盖内存最管用使用的艺术排列,这样单待极度少之作为对合的填充充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有一些例外大小的实例变量。

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 显示了以 Visual Studio 调试器的内存窗口被的一个 SimpleClass
对象实例。我们于图 7 的 return 语句处设置了断点,然后使 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址以内存窗口亮对象实例。前 4 单字节是 syncblk
编号。因为我们并未就此外共同代码用这实例(也无看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存于栈变量的靶子实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个通一个底排于齐。两个
short 类型变量 s1 和 s2 也吃排在同。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。字符串是一个专门的型,因为有着包含同样仿标记的字符串,会于次集加载到过程时对一个大局字符串表的同实例。这个历程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的采用。我们前面已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不能够选择是否动是进程,尽管未来本的 CLR
可能会见供这么的力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

据此默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的情下,词典顺序必须让保留及内存中,这时可以采用
StructLayoutAttribute 特性,它起一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为叫封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见如此做)。在彼此操作的动静下,如果你实在要格外的填写充字节和出示的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起利用。

扣押了脚的内存内容后,我们运用 SOS 看看对象实例。一个得力的吩咐是
DumpHeap
,它可以列出所有的积聚内容以及一个专程类型的富有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显得我们创建的唯一一个实例的地址。

!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

靶的究竟大小是 36 字节,不管字符串多百般, SimpleClass 的实例只含一个
DWORD 的目标引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其它 8
独字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地方后,我们得使 DumpObj 命令输出它的情,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

赶巧使前说罢, C# 编译器对于接近的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织采取 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以极端小化填充字节。我们得以行使 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的上空,如下所示:

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

假若您自目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重( 36
字节),就得获取 str 的高低,即 36 字节。让咱输出 str
实例来证实这个结果:

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

要是您将字符串实例的分寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可落ObjSize命令语的毕竟大小72字节。

请小心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1遭受,CLR不了解非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此其不见面让这个令语。

针对方法发明底路句柄在syncblk编号后分配。在靶实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则开展加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后拿路句柄值追加至对象实例中。JIT编译器产生的代码在展开方式分派时行使类句柄来定位方法表。CLR以急需史可以通过艺术表反向顾加载类型时采取项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的显示CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的平局部,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程之前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所于的文件夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后装置一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中执行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一对发令,关于SOS更多信息,参考这里。

图片 12
方法表

方法表

每个接近和实例在加载到应用程序域时,会于内存中经过艺术表来表示。这是当靶的首先个实例创建前之类似加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到于语言编译器产生的照耀到内存的第一数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的信及外挂的信可经System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中好透过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的路句柄指向方法发明开始位置的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算于此对那进展座谈。

图 9
显示了点子发明底卓绝布局。我们会证明项目句柄的局部关键的域,但是对截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为她一直关联及运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

图片 13

图片 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是出于接近加载器计算的对象的大小,基于代码中声称的处。之前就讨论了,当前GC的实现需要一个至少12字节的目标实例。如果一个近乎没有定义任何的例域,它至少含有额外的4个字节。其它的8单字节被针对象头(可能含syncblk编号)和类句柄占用。再说一糟糕,对象的轻重缓急会中StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3备受显得的MyClass(有些许独接口)的方发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将它和SOS的出口进行比较。在图9遭受,对象大小在4字节的撼动处,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

图片 15
方槽表(Method Slot Table)

方槽表(Method Slot Table)

于术发明中带有了一个槽表,指向各个艺术的叙说(MethodDesc),提供了色的行为能力。方法槽表是依据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。

类似加载器在当下仿佛,父类和接口的排头数据遭到遍历,然后创建方法表。在排列过程被,它替换所有的让掩盖的虚方法和为隐形的父类方法,创建新的扇,在待时复制槽。槽复制是必需的,它好叫每个接口有温馨的最为小之vtable。但是让复制的槽指向同一的物理实现。MyClass包含接口方法,一个近乎构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有产生显式定义构造函数的对象自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转一个像样构造函数。图10显示了MyClass的法子发明底布局。布局显示了10独办法,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面进行座谈。图11亮了MyClass的章程发明的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
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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()

另项目的启4独方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是由System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是还对准相同之不二法门描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别与静态方法以及实例方法分以相同组。

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术描述(MethodDesc)

道描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)是CLR知道的章程实现之一个卷入。有几乎种类型的方描述,除了用于托管实现,分别用于不同的相操作实现之调用。在本文中,我们仅考察图3代码中的托管方描述。方法描述在看似加载过程遭到出,初始化为指向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来得了一个一流的布局,方法发明的扇实际上对代理,而休是事实上的计描述数据结构。对于实际的计描述,这是-5字节的摆,是每个方法的8独叠加字节的均等有。这5单字节包含了调用预编译代理程序的命。5字节的晃动可以起SOS的DumpMT输出从张,因为方法描述总是方法槽表指向的职后的5单字节。在首先不好调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12方式描述

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图12的措施表槽指向的代码进行反汇编,显示了针对预编译代理的调用。以下是以
Method2 被JIT编译前的倒汇编的简化显示。

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

而今咱们履行这办法,然后倒汇编相同的地方:

!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

每当是地点,只有开始5单字节是代码,剩余字节包含了Method2的章程描述的数目。“!u”命令不晓就一点,所以生成的是乱的代码,你得忽略5独字节后底兼具东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在以要求编译后,CLR以编译后的代码地址更新此域。让咱于列有之函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的方描述的情:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

方式的斯标志域的编码包含了办法的类型,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让咱看方法表另外一个繁杂的点:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境看就一点扣起大概。然后,我们将说明接口如何进行布局和依据接口的方分派的恰当工作章程。

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接口虚表图和接口图

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

于方式发明底第12字节偏移处是一个至关重要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一不善加载时创造。每个接口的贯彻还以接口虚表中发生一个笔录。如果MyInterface1被简单只类似实现,在接口虚表表中尽管闹有限独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的发端位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常采取的援。接口虚表是依据方法发明内含的接口图信息创建,接口图在法发明布局过程被冲类的状元数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在点子表中的接口信息记录。在这种状况下,对MyClass实现之蝇头个接口中之各级一个还生少修记下。第一条接口信息记录之起4独字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征于父类派生,1代表是因为时接近实现)。在表明后的WORD是一个发端槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的价值吗4(从0开始编号),所以槽5和6凭借于实现;对于MyInterface2,开始槽的价值为6,所以槽7和8依为实现。类加载器会当急需时复制槽来发这样的效用:每个接口有自己之兑现,然而物理映射到同一的法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2跟MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

基于接口的方式分派通过接口虚表进行,而直接的法子分派通过保留在一一槽的办法描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2只参数在恐的时候一般通过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,可以于“mov
ecx,esi”语句子看到就一点:

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

这些反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有动用偏移。JIT编译器把方描述的地址直接写及代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和直接分派相比要一些外加的下令。一个下令用来博取接口虚表的地方,另一个到手方式槽表中的接口实现之开头槽。而且,把一个靶实例转换为接口就需要拷贝this指针到目标的变量。在觊觎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)

兹咱们省虚分派,并且与因接口的摊派进行较。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固定的槽编号发生,和方式表指针在一定的类似(类型)实现层次无关。在章程发明布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对大人对象的计调用被分派到子对象的贯彻。反汇编显示了分派通过8如泣如诉槽发生,可以以调试器的内存窗口(如图10所显示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的第一部分。作为艺术发明的一律有些,它们分配在艺术发明的槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对此组织和援的门类的静态值对象,通于句柄表中创造的对象引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的语句柄表的靶子引用,它引用了堆积如山上创造的对象实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会使堆上之对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的对象引用,后者对GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在措施发明创建前开生活,它与艺术发明组成起来,是路声明的CLR版本。实际上,EEClass和方法表逻辑上是一个数据结构(它们并表示一个列),只不过因为用频度的差而为分别。经常采取的域放在方法表,而未经常使用的地段于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音信(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时用的消息(如虚表槽和GC信息)在点子表中。

针对各级一个列会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个被执行引擎跟踪的扶植之节点。CLR使用这个网络在EEClass结构被浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次和类加载顺序的组合。在推行托管代码的过程遭到,新的EEClass节点被加入,节点的涉让补,新的干让确立。在网络中,相邻之EEClass还有一个品位的涉及。EEClass有三个域用于管理于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惨遭的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13单独展示了和这议论相关的一些域。因为咱们忽略了布局中的一些处,我们尚无以觊觎中合适显示偏移。EEClass有一个间接的于措施发明底援。EEClass也针对于默认应用程序域的往往堆分配的措施描述块。在方发明创建时,对过程堆上分红的地域描述列表的一个援提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以重新好的拓展内存分页管理,因此削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

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图13备受的其它域在MyClass(图3)的上下文的义不曰自明。我们本省用SOS输出的EEClass的的确的大体内存。在mc.Method1替码行设置断点后,运行图3的次序。首先应用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,可以起DumpDomain命令得到。现在咱们得到了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与DumpClass的出口看起了一致。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了以模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指于名也Program的EEClass,可以知道贪图13形的是加载Program时之结果。

MyClass有8个虚表槽(可以于虚分派的方式)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们可以于通过接口进行分摊时让看是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面得到总共10只方式。最后列有底凡类似的星星个静态域。MyClass没有实例域。其它地区不讲话自明。

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Conclusion结论

结论

我们关于CLR一些无限要的内在的追究旅程算终止了。显然,还有为数不少题目亟待涉及,而且亟需以重复怪的层次上讨论,但是我们盼望就足以协助您看来事物如何行事。这里提供的成千上万的信息或者会见在.NET框架和CLR的新生本中改,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该维持无变换。

趁通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®产支付应用程序的首选架构,对那个进展深入理解会拉扯您建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,方法发明布局,方法分派,基于接口的分担和不同的数据结构。

咱俩将使用C#编辑的大概代码示例,以便任何固有之言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见于Microsoft®
.NET Framework 2.0吃改变,但是根本概念应该保持无换。我们下Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的中数据结构并出口有因此信息。请参见“Son
of Strike”补充材料,了解哪些将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的进程空间。本文中,我们用叙在并享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中出对应实现的接近,你可以打msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1以帮扶您于SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的组织。

在咱们开前,请小心:本文提供的音只有对以X86平台及运行的.NET Framework
1.1管用(对于Shared Source CLI
1.0呢多数适用,只是于一些交互操作的图景下得小心例外),对于.NET
Framework
2.0会生转移,所以要不要当构建软件时指让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的所在

以CLR执行托管代码的率先尽代码前,会创三个应用程序域。其中有数单对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能由CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的凡shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正使图2所示,这些地带是系统域(System
Domain)和同步享域(Shared
Domain),都是下了单个(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的产生命名的地带。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实施映象文件之讳做。其它的地方可以于托管代码中应用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者当非托管的代码中利用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会根据应用程序的多少创建多个域。

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2 由CLR启动程序创建的所在

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系统域(System Domain)

系统域负责创建同初始化共享域和默认应用程序域。它以系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围之中使用的蕴藏或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1惨遭之一个优化特性,它的拍卖措施显得略微昏头转向,因为CLR没有为程序集时选择这特性。尽管如此,由于当颇具的应用程序域中针对一个特定的记只保留一个遥相呼应之字符串,此特性可节省内存空间。

系统域还负责产生过程范围之接口ID,并为此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程面临保障跟踪所有域,并促成加载与卸载应用程序域的效果。

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共享域(Shared Domain)

具不属其他特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于持有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它见面吃自动加载到一同享域中。系统命名空间的基本类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程遭到被优先加载到本域中。用户代码也得于加载到之域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时采取由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序为足以加载代码到手拉手享域中,方法是使System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个应用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之查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其余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。

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默认域(Default Domain)

沉默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。尽管小应用程序需要以运转时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点之周转时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运行中就创造一个地域。所有在此域运行的代码都是以所在层次上生上下文限制。如果一个应用程序有多只应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可用System.ContextBoundObject派生的类型创建。每个应用程序域有好的安全描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有自己之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的企图是加载不同之运行时CLR部件和优化在域的全方位生命期内是的构件。这些堆的增长基于可预测块,这样可假设碎片最小化。加载器堆不同让垃圾回收堆(或者对如多处理器上的多独堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,而比少看的数据结构如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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

由大层次了解域后,我们准备看看她以一个简易的应用程序的上下文中的物理细节,见图3。我们当程序运行时停在mc.Method1(),然后下SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的消息。(请查看Son
of
Strike
打探SOS的加载信息)。这里是编制后的输出:

!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

咱的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名也“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到同享域,不过盖她是中心系统库,所以呢当系统域中列有。每个域会分配一个往往堆,低频堆和代办堆。系统域和旅享域使用相同之类似加载器,而默认应用程序使用好之好像加载器。

出口没有出示加载器堆的保留尺寸及曾提交尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为从没展示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好之加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始时交由4KB。我们以见面在持续有研究型布局时讨论IVMap的义。

图2亮默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和雅目标堆(用于大小相当于或过85000字节的靶子),它说明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留及JIT代码堆中。GC堆和非常目标堆是用来托管对象实例化的废料回收堆。

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类型原理

项目是.NET编程中的着力单元。在C#蒙,类型可以以class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类由程序员显式创建,但是,在特别的互操作(interop)情形与长距离对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的来类型,这些有的种涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱经过一个富含对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例开始生命期的地方)。图4受显的代码包含一个简单易行的主次,它发一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创建一个SmallClass的色实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何当大目标堆创建对象。尽管这是千篇一律段无聊之代码,但是可以帮我们进行座谈。

图5来得了停以Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明当可能的状况下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数按照从右到左的顺序入栈,然后由为调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在仓库结构面临。引用类型变量如smallObj以稳住大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了以一般GC堆着分配的对象的地点。对于人情C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它蕴含了一个目标实例的地址,我们以下术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

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图5 SimpleProgram的堆栈结构以及堆放

相似GC堆上的smallObj对象实例包含一个叫也_largeObj的字节数组(注意,图备受显的大大小小也85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超过或顶85000字节的靶子的处理同多少目标不同。大目标在异常目标堆(LOH)上分红,而微目标在一般GC堆上创造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不见面回落,而GC堆在GC回收时进行压缩。还有,LOH只见面于了GC回收时叫回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个声明的项目有一个方法表,而平品种的富有目标实例都对准同一个方法表。它蕴含了项目的特点信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代理),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

道表指向一个称作吧EEClass的显要数据结构。在方发明创建前,CLR类加载器从元数据被开创EEClass。图4饱受,SmallClass的主意表指向其的EEClass。这些组织指向她的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在并享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦受加载到里面,就直到应用程序域卸载时才见面磨灭。而且,默认的应用程序域不会见于卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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目标实例

恰恰使我辈说了的,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。所有的援类型在GC堆或者LOH上开创。图6显示了一个杰出的目标布局。一个目标足以经过以下途径为引用:基于栈的一对变量,在彼此操作还是平台调用情况下的语句柄表,寄存器(执行方时之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不是依赖于目标实例的初始位置,而是发生一个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开端计数的syncblk编号。因为通过索引进行连接,所以于待增加表的大小时,CLR可以当内存中走是发明。SyncTableEntry维护一个反向的辞世引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以于没任何强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了酷少得被一个靶的有着实例使用的可行之信。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据以及应用程序域的目录。对于多数的对象实例,不会见呢实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这同一沾在执行线程遇到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的讲话时会发生变化,如下所示:

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

在以上代码中,smallObj会要用0作为它们的开始的syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并行使相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩展为try-finally语句子并下Monitor类,一个当同步的Monitor对象在syncblk上创办。堆GetHashCode的调用会采取对象的哈希编码增加syncblk。

于SyncBlock中生出其他的域,它们当COM交互操作以及封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时采取,不过这和超人的对象用处无关。

种类句柄紧跟以目标实例中之syncblk编号后。为了保持连续性,我会在征实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在路句柄后。默认情况下,实例域会盖内存最实用使用的道排列,这样单待极度少之当对同步的填充充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一对不一大小的实例变量。

图8显示了于Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。我们当图7的return语句处设置了断点,然后下ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口展示对象实例。前4只字节是syncblk编号。因为我们从没就此任何共同代码用是实例(也没看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指于起始位置的4独字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3以及b4吃一个连着一个底排列在联合。两只short类型变量s1和s2也受排在并。字符串变量str是一个4字节底OBJECTREF,指为GC堆中分红的其实的字符串实例。字符串是一个特地的品种,因为兼具包含同样仿标记的字符串,会在次集加载到过程时对一个大局字符串表的平等实例。这个历程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的动。我们前就提过,在NET Framework
1.1蒙,程序集不能够选择是否采取此进程,尽管未来本的CLR可能会见供这么的力。

于是默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的状下,词典顺序必须为保留到外存中,这时可以下StructLayoutAttribute特性,它来一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以啊吃封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管当.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0或会见这么做)。在竞相操作的气象下,如果你真的需要分外的填写充字节和展示的控制域的逐一,LayoutKind.Explicit可以和域层次之FieldOffset特性一起以。

关押了脚的内存内容后,我们采用SOS看看对象实例。一个行的授命是DumpHeap,它好列出所有的堆内容与一个特地类型的享有实例。无需因寄存器,DumpHeap可以显示我们创建的绝无仅有一个实例的地址。

!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

目标的总大小是36字节,不管字符串多异常,SimpleClass的实例只含一个DWORD的目标引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8独字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地方后,我们可以以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

赶巧而之前说了,C#编译器对于类似的默认布局使用LayoutType.Auto(对于组织下LayoutType.Sequential);因此类加载器重新排列实例域以极端小化填充字节。我们好运用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)

一经您自目标图的全局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重(36字节),就可以收获str的高低,即36字节。让咱输出str实例来证实这个结果:

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

设若您以字符串实例的分寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就得落ObjSize命令语的到底大小72字节。

央留意ObjSize不含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1被,CLR不知道非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此其不见面让此令语。

针对方法发明底路句柄在syncblk编号后分配。在靶实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则开展加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后拿路句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在开展艺术分派时用类句柄来稳定方法表。CLR于急需史可以通过艺术表反向顾加载类型时利用项目句柄。

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方法表

每个接近与实例在加载到应用程序域时,会当内存中经艺术表来表示。这是以对象的率先单实例创建前之好像加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到叫语言编译器产生的投射到内存的状元数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音以及外挂的音可以由此System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的类别句柄指向方法发明开位置的摇处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算当这边对该展开座谈。

图9著了艺术发明的天下第一布局。我们会证明项目句柄的有些重要的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让咱们打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它们一直关乎及运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类似加载器计算的靶子的分寸,基于代码中声称的地域。之前都讨论过,当前GC的兑现用一个起码12字节的靶子实例。如果一个像样没有概念任何的例域,它至少含有额外的4单字节。其它的8只字节被指向象头(可能带有syncblk编号)和品种句柄占用。再说一软,对象的高低会蒙StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3受显的MyClass(有个别个接口)的方法发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将她同SOS的输出进行较。在图9着,对象大小在4字节之皇处,值也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

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方式槽表(Method Slot Table)

以方发明中涵盖了一个槽表,指向各个艺术的讲述(MethodDesc),提供了项目的行为能力。方法槽表是因方法实现之线性链表,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。

好像加载器在现阶段类似,父类和接口的冠数据遭到遍历,然后创建方法表。在排列过程中,它替换所有的给遮住的虚方法和受隐形的父类方法,创建新的扇,在急需时复制槽。槽复制是必需的,它可吃每个接口有投机之尽小之vtable。但是于复制的槽指向同一的大体实现。MyClass包含接口方法,一个看似构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为保有没有来显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变卦一个类似构造函数。图10来得了MyClass的法发明的布局。布局显示了10个方式,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会进展座谈。图11显示了MyClass的艺术发明底SOS的出口。

另外类型的上马4独道总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是起System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是都对准相同之法门描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别跟静态方法以及实例方法分在同等组。

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办法描述(MethodDesc)

法描述(MethodDesc)是CLR知道的艺术实现之一个包。有几乎种类型的不二法门描述,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,我们就考察图3代码中之托管方描述。方法描述在近似加载过程中产生,初始化为指向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展示了一个超人的布局,方法发明的扇实际上对代理,而不是事实上的法子描述数据结构。对于实际的法子描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8独附加字节的同组成部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命令。5字节的皇可以起SOS的DumpMT输出从观望,因为方法描述总是方法槽表指向的岗位后的5单字节。在首先次等调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的义诊跳转指令覆盖。

图片 37

图12 方法描述

对图12底办法表槽指向的代码进行反汇编,显示了针对预编译代理的调用。以下是以Method2深受JIT编译前底倒汇编的简化显示。

!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

今昔咱们履行此办法,然后倒汇编相同的地方:

!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

每当是地点,只有开始5单字节是代码,剩余字节包含了Method2的措施描述的多寡。“!u”命令不知晓就一点,所以生成的是乱的代码,你可以忽略5独字节后之有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中智实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在遵照要求编译后,CLR以编译后的代码地址更新此域。让咱于列有之函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的艺术描述的情:

!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

术的斯标志域的编码包含了法的门类,例如静态,实例,接口方法要COM实现。让我们看方法表另外一个复杂的方面:接口实现。它包裹了布局过程有的纷繁,让托管环境看这或多或少拘留起简单。然后,我们拿证明接口如何开展布局以及依据接口的艺术分派的贴切工作方法。

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接口虚表图和接口图

每当方发明的次序12许节偏移处是一个重要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次于加载时创造。每个接口的实现还在接口虚表中生一个笔录。如果MyInterface1被简单独八九不离十实现,在接口虚表表中不怕生出三三两两个记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的开端位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常以的援。接口虚表是冲方法发明内含的接口图信息创建,接口图于道发明布局过程被因类的头版数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在法表中的接口信息记录。在这种状态下,对MyClass实现之少单接口中的诸一个且来零星长达记下。第一长达接口信息记录的起来4独字节指向MyInterface1的项目句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0意味着从父类派生,1意味出于时看似实现)。在表明后的WORD是一个开端槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的值也4(从0开始编号),所以槽5和6依靠于实现;对于MyInterface2,开始槽的值也6,所以槽7和8依于实现。类加载器会以待时复制槽来出这么的功能:每个接口有友好之贯彻,然而物理映射到同的方描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2暨MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

根据接口的不二法门分派通过接口虚表进行,而直白的方式分派通过保留于各个槽的法子描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2独参数在或的下一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一单参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以于“mov
ecx,esi”语词看到就或多或少:

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

这些倒汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法无用偏移。JIT编译器把艺术描述的地点直接写到代码中。基于接口的摊通过接口虚表发生,和直分派相比要有附加的吩咐。一个命用来获取接口虚表的地方,另一个到手方式槽表中的接口实现之始发槽。而且,把一个靶实例转换为接口就待拷贝this指针到目标的变量。在觊觎2遭受,语句“mi1=mc”使用一个命把mc的对象引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

现咱们看看虚分派,并且和冲接口的分担进行比。以下是图3中MyClass.Method3的心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固定的槽编号发生,和方法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在方发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对父亲对象的计调用被分摊到子对象的实现。反汇编显示了分派通过8哀号槽发生,可以当调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到就或多或少。

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静态变量

静态变量是方法表数据结构的重点部分。作为艺术发明的一样有的,它们分配在方发明底槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而于组织及援的种的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句子柄表的目标引用,它引用了堆积上创办的靶子实例。一旦创立后,句柄表内的目标引用会要堆上的靶子实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的靶子引用,后者对GC堆上之MyString。

图片 41归来页首

EEClass

EEClass在道发明创建前开在,它同措施发明组成起来,是种声明的CLR版本。实际上,EEClass和方式表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品种),只不过因为运用频度的不等而受分手。经常以的域放在方法表,而休常下的地方于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音(如名字,域和摇头)在EEClass中,但是运行时要之音讯(如虚表槽和GC信息)在方式表中。

本着各个一个项目会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个深受实践引擎跟踪的培养的节点。CLR使用此网络以EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次以及类加载顺序的三结合。在实施托管代码的过程被,新的EEClass节点被投入,节点的关联为补充,新的关系为树。在网络中,相邻之EEClass还有一个品位的干。EEClass有三只域用于管理于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遭到的MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13。

图13独显示了与之议论有关的一些域。因为咱们忽略了布局中的部分地段,我们并未于图备受适量显示偏移。EEClass有一个间接的对艺术发明底援。EEClass也本着于默认应用程序域的数堆分配的章程描述块。在章程发明创建时,对过程堆上分红的地面描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以再次好的展开内存分页管理,因此削减了办事集。

图片 42

图13 EEClass 布局

祈求13负之其它域在MyClass(图3)的上下文的含义不说话自明。我们现在探访用SOS输出的EEClass的真的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先采取命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地址。

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

Name2EE的第一独参数时模块名,可以打DumpDomain命令得到。现在我们获取了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的输出看起了一致。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了当模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相互邻链指为名吧Program的EEClass,可以解贪图13出示的凡加载Program时的结果。

MyClass有8独虚表槽(可以为虚分派的计)。即使Method1和Method2未是虚方法,它们可在经接口进行摊派时于认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面取得总共10单方法。最后列有之是接近的鲜独静态域。MyClass没有实例域。其它地方不开腔自明。

图片 43回页首

Conclusion结论

咱们关于CLR一些极端关键的内在的探讨旅程算终止了。显然,还有很多题目亟需涉及,而且需要在还不行的层系上谈论,但是我们愿意马上得扶持您看来东西如何做事。这里提供的博底消息可能会见以.NET框架和CLR的新兴本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保持不更换。

Hanu Kommalapati举凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的同等称呼架构师。他于微软本的角色是拉客户基于.NET框架建立可扩大的零部件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
凡是微软支付支持高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他以北卡罗来州的夏洛特,可以透过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司之软件工程师,习惯使用C++和C#付出应用程序。闲暇时他欣赏音乐,旅游及怀旧游戏,并且愿意协助MSDN翻译更多之稿子与其余开发者共享。可以经过ecaijw@msn.com联系他。

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