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

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原稿发布日期: 9/19/2005
原稿已经深受 Microsoft
删除了,收集过程被发觉多篇图都非净,那是坐原文的希冀都未统,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的地面
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 类原理
  • 对象实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 术槽表(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。
  • 对象布局以及内存细节。
  • 方法发明布局。
  • 办法分派(Method dispatching)。

坐国有语言运行时(CLR)即将成为以Windows上创立应用程序的中流砥柱级基础架构,
多掌握点关于CLR的吃水认识会帮你构建快捷之, 工业级健壮的应用程序.
在马上篇稿子中, 我们见面浏览,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, 和形形色色的数据结构.

咱们见面采用由C#形容成的非常简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语也对象的.
讨论的一些数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0受改变,
但是大部分之概念是匪见面转换的. 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能够理解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)中具有相关落实之好像, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥至它们.

图表1 会帮助而以搜索一些布局的时候到SSCLI中之信息.

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

每当我们开始前,请留意:本文提供的信只有对以X86平台达成运行的.NET Framework
1.1管用(对于Shared Source CLI
1.0乎多数适用,只是当某些交互操作的景况下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会面来变动,所以恳请不要当构建软件时指让这些内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创建的所在

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地域

每当CLR执行托管代码的第一实践代码前,会创造三个应用程序域。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。它们只能出于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,这些地区是系统域(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,默认的域名由而尽映象文件之名字做。其它的地区可以当托管代码中行使AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中以ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的数目创建多个域。

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)

系统域负责创建与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用的带有或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1备受的一个优化特性,它的处理措施显得有点傻,因为CLR没有为程序集时选择这个特性。尽管如此,由于当有着的应用程序域中针对一个一定的号只保留一个相应的字符串,此特性可省内存空间。

系统域还当产生过程范围之接口ID,并因而来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中维系跟踪所有域,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)

具有未属另外特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它见面被电动加载到一起享域中。系统命名空间的中坚项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中给事先加载到本域中。用户代码也可以于加载到这域中,方法是于调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗得以加载代码到齐享域中,方法是使用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个采用基地址作为目录的次集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系之查找表,这些程序集为加载到默认域(DefaultDomain)和其余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)

沉默寡言认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。尽管小应用程序需要在运转时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者进行重要的运行时代码生成工作之应用程序),大部分底应用程序在运转中只创造一个地段。所有在此域运行的代码都是当地面层次上出上下文限制。如果一个应用程序有多单应用程序域,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以使用System.ContextBoundObject派生的门类创建。每个应用程序域有投机的安描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结之加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),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)

加载器堆的企图是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的普生命期内设有的预制构件。这些堆的增进基于可预测块,这样好要碎片最小化。加载器堆不同让垃圾回收堆(或者对如多处理器上的大半个堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在屡次堆上,而于少看的数据结构如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)。

从赛层次了解域后,我们准备看看它在一个简的应用程序的内外文中的物理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后采用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
刺探SOS的加载信息)。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();
    }
}

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个称作吧”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到手拉手享域,不过以它们是基本系统库,所以啊于系统域中列有。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代理堆。系统域和一道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。

出口没有显示加载器堆的保存尺寸以及就交付尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为远非显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(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,开始时交由4KB。我们以见面于延续有研究型布局时讨论IVMap的含义。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和异常目标堆(用于大小相当于还是超越85000字节的对象),它证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堆和大目标堆是用来托管对象实例化的废料回收堆。

图片 7
种类原理

种类原理

品类是.NET编程中之基本单元。在C#被,类型可以以class,struct和interface关键字展开宣示。大多数色由程序员显式创建,但是,在专门之彼此操作(interop)情形和长途对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发生类型,这些有的品类涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们经过一个含有对象引用的库房开始研究.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被显示的代码包含一个粗略的程序,它发出一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的项目实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何在非常目标堆创建对象。尽管就是一模一样段落无聊的代码,但是足以帮忙我们进行讨论。

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 显示了已在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明在或的图景下用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,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在库结构中。引用类型变量如smallObj以稳大小(4许节DWORD)保存在栈中,包含了于形似GC堆中分红的对象的地点。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,它含有了一个对象实例的地点,我们拿以术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的库房结构及积聚

图片 8

诚如GC堆上的smallObj对象实例包含一个叫也 _largeObj
的字节数组(注意,图备受显得的分寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超或等85000字节的目标的拍卖和多少目标不同。大目标在十分目标堆(LOH)上分红,而有点目标在一般GC堆上创造,这样好优化对象的分配与回收。LOH不见面减,而GC堆在GC回收时展开压缩。还有,LOH只会以一齐GC回收时被回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个声明的类有一个方法表,而同等类型的装有目标实例都对同一个方法表。它蕴含了花色的特征信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现之接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现之槽表。

方法表指向一个称作也EEClass的要数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4遭遇,SmallClass的章程表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到内,就直到应用程序域卸载时才见面流失。而且,默认的应用程序域不见面被卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

图片 9
靶实例

靶实例

巧而我们说罢之,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 上创办。图 6
显示了一个榜首的靶子布局。一个对象可以经以下途径为引用:基于栈的有变量,在互相操作还是平台调用情况下的词柄表,寄存器(执行方式时之
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 不是负于目标实例的启位置,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经索引进行连接,所以在需要增加表的高低时, CLR
可以于内存中活动是发明。 SyncTableEntry 维护一个反向的故引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以当没有外强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了要命少要为一个目标的有实例使用的管用之音。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据和应用程序域的目。对于大多数之目标实例,不会见也实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这同样点当履行线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的说话时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
图片 10

以上述代码中, smallObj 会用 0 作为它们的开端的 syncblk 编号。 lock
语词使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并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 语句子并利用 Monitor 类,一个作为同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会使对象的哈希编码增加 syncblk 。
每当 SyncBlock 中有其他的域,它们于 COM 交互操作及封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时使用,不过就和超人的靶子用处无关。
列句柄紧跟在目标实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在验证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟以列句柄后。默认情况下,实例域会盖内存最得力使用的点子排列,这样单待极少的当对共同之填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有部分不比尺寸的实例变量。

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 显示了在 Visual Studio 调试器之内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们以图 7 的 return 语句处设置了断点,然后利用 ECX
寄存器保存之 simpleObj 地址在内存窗口展示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们并未因此其他共同代码应用此实例(也未曾看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存于栈变量的目标实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个交接一个的排列于共。两个
short 类型变量 s1 和 s2 也被列于同步。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。字符串是一个特别的类,因为具备包含同样仿标记的字符串,会于先后集加载到过程时对一个大局字符串表的同样实例。这个过程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的运。我们前面曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可知选是否动此过程,尽管未来本的 CLR
可能会见提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

从而默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情景下,词典顺序必须于保留及外存中,这时可以使
StructLayoutAttribute 特性,它发生一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以呢被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管以 .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)。在互相操作的景下,如果你真的用分外的填充字节和展示的控制域的相继,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起利用。

在押罢脚的内存内容后,我们采用 SOS 看看对象实例。一个中的授命是
DumpHeap
,它可以列出所有的积内容及一个专程类型的有着实例。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点。

!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

目标的终究大小是 36 字节,不管字符串多可怜, SimpleClass 的实例只含一个
DWORD 的靶子引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其它 8
只字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地址后,我们得行使 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

刚巧而之前说罢, C# 编译器对于类似的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织使 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以尽小化填充字节。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)

假设您自目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重( 36
字节),就足以得 str 的大小,即 36 字节。让咱们输出 str
实例来说明这个结果:

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

如你拿字符串实例的轻重(36字节)加上SimpleClass实例的高低(36字节),就可以得到ObjSize命令语的究竟大小72字节。

吁小心ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1蒙,CLR不晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它不见面被这个令语。

对方法发明的门类句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,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,然后拿项目句柄值追加至目标实例中。JIT编译器产生的代码在进展方式分派时使用项目句柄来稳定方法表。CLR于急需史可以由此艺术表反向顾加载类型时用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化之显示CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的平等有些,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
所当的公文夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后装置一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后于 Immediate 窗口中履行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的有命令,关于SOS更多信息,参考这里。

图片 12
方法表

方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会在内存中通过艺术表来表示。这是当目标的第一个实例创建前的切近加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到给语言编译器产生的映照到内存的头数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的信息与外挂的信可透过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的种句柄指向方法发明开始位置的皇处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算在此地针对那个进展座谈。

图 9
显示了道发明底卓绝布局。我们见面证明项目句柄的组成部分重中之重的域,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,因为它们一直涉及及运行时之内存状态。

图 9 方法表布局

图片 13

图片 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由接近加载器计算的靶子的轻重缓急,基于代码中声称的所在。之前早已讨论过,当前GC的兑现需要一个起码12字节的目标实例。如果一个类似没有定义任何的例域,它起码含有额外的4独字节。其它的8个字节被指向象头(可能包含syncblk编号)和类别句柄占用。再说一次于,对象的轻重会中StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3蒙显得的MyClass(有点儿个接口)的点子发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将其跟SOS的出口进行比较。在图9屡遭,对象大小在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

图片 15
方式槽表(Method Slot Table)

方法槽表(Method Slot Table)

在章程发明中含了一个槽表,指向各个艺术的描述(MethodDesc),提供了种的行为能力。方法槽表是基于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。

好像加载器在时好像,父类和接口的首家数据被遍历,然后创建方法表。在排过程中,它替换所有的叫盖的虚方法和让躲的父类方法,创建新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必需的,它可叫每个接口有谈得来之极端小的vtable。但是于复制的槽指向平等的情理实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为富有没有来显式定义构造函数的目标自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10显示了MyClass的艺术发明底布局。布局显示了10单主意,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会展开座谈。图11显示了MyClass的主意发明的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()

任何项目的启4独主意总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是打System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是还指向相同之方式描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别同静态方法及实例方法分以同一组。

图片 17
方式描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)

方描述(MethodDesc)是CLR知道之道实现之一个封装。有几乎栽档次的措施描述,除了用于托管实现,分别用于不同之交互操作实现的调用。在本文中,我们特考察图3代码中之托管方描述。方法描述在近似加载过程被发生,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显示了一个突出的布局,方法发明的扇实际上对代理,而休是事实上的章程描述数据结构。对于实际的法描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8独叠加字节的同有。这5单字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。5字节底舞狮可以从SOS的DumpMT输出从相,因为方法描述总是方法槽表指向的位置后的5单字节。在率先涂鸦调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5单字节会被超越反到JIT编译后的x86代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12方法描述

图片 18

图12的办法表槽指向的代码进行反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是当
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

今日咱们实施这个措施,然后倒汇编相同之地方:

!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

以斯地点,只有开始5独字节是代码,剩余字节包含了Method2的法子描述的数额。“!u”命令不晓得这或多或少,所以生成的凡乱套的代码,你可以忽略5独字节后底兼具东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中方法实现的相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在本要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。让咱打列有底函数中挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法描述的始末:

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

编译后,方法描述的情节如下:

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

办法的斯标志域的编码包含了主意的种,例如静态,实例,接口方法还是COM实现。让咱看方法表另外一个错综复杂的端:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境看就或多或少拘留起大概。然后,我们以证明接口如何进行布局与因接口的不二法门分派的确切工作方法。

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)

以法发明的第12配节偏移处是一个重大之指针,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,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创造。每个接口的实现还在接口虚表中出一个记录。如果MyInterface1被简单个像样实现,在接口虚表表中即来有限只记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的开头位置,如图9所示。这是接口方法分派发生时利用的援。接口虚表是冲方法发明内含的接口图信息创建,接口图在道发明布局过程被冲类的处女数据创建。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术表中的接口信息记录。在这种状况下,对MyClass实现之少个接口中的诸一个还发生些许长记下。第一漫长接口信息记录之始发4个字节指向MyInterface1的种类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个表明占用(0象征从父类派生,1代表出于目前相仿实现)。在表明后的WORD是一个初始槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现之子表。对于MyInterface2,开始槽的价也4(从0开始编号),所以槽5和6指于实现;对于MyInterface2,开始槽的值也6,所以槽7和8凭为实现。类加载器会以用常复制槽来发生这样的意义:每个接口有投机的贯彻,然而物理映射到平等的法子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2同MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

冲接口的法分派通过接口虚表进行,而直接的计分派通过保留在一一槽的艺术描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2独参数在可能的时节一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先独参数总是this指针,所以经ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句子看到这或多或少:

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的实例方法无动偏移。JIT编译器把方描述的地址直接写及代码中。基于接口的分摊通过接口虚表发生,和直分派相比要部分格外的一声令下。一个命令用来获得接口虚表的地方,另一个获方式槽表中之接口实现之启幕槽。而且,把一个对象实例转换为接口就需要拷贝this指针到对象的变量。在祈求2遭受,语句“mi1=mc”使用一个命把mc的靶子引用拷贝到mi1。

图片 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现今我们省虚分派,并且与根据接口的摊派进行比。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一定的槽编号发生,和方式表指针在一定的类似(类型)实现层次无关。在方发明布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对大对象的章程调用被分摊到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8号槽发生,可以于调试器的内存窗口(如图10所出示)和DumpMT的输出看到就一点。

图片 21
静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的要部分。作为艺术发明底如出一辙片段,它们分配在措施发明底槽数组后。所有的固有静态类型是内联的,而于组织及援的类型的静态值对象,通在句柄表中创造的对象引用来针对。方法表中的靶子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对象实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的靶子引用,后者对GC堆上之MyString。

图片 22
EEClass

EEClass

EEClass在措施发明创建前开在,它和方式发明组成起来,是项目声明的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档),只不过因为运用频度的例外而为分别。经常使用的域放在方法表,而非常利用的地带于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的消息(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时需之音(如虚表槽和GC信息)在措施表中。

对每一个品类会加载一个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使用此网络在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重组。在履行托管代码的经过遭到,新的EEClass节点被加入,节点的关联让补充,新的关系被树。在网络被,相邻的EEClass还有一个档次的涉嫌。EEClass有三独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遭遇之MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13

图13仅显示了跟斯议论相关的一些域。因为咱们忽略了布局中的有的域,我们从没以祈求被正好显示偏移。EEClass有一个间接的于措施发明的援。EEClass也针对于默认应用程序域的累累堆分配的办法描述块。在措施发明创建时,对经过堆上分红的地带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,这样操作系统可以还好之开展内存分页管理,因此削减了工作集。

图13 EEClass 布局

图片 23

图13蒙的其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不说话自明。我们本探访用SOS输出的EEClass的的确的大体内存。在mc.Method1代表码行设置断点后,运行图3的主次。首先采取命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的第一只参数时模块名,可以自DumpDomain命令得到。现在我们获取了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的出口看起了一样。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。从彼此邻链指于名也Program的EEClass,可以了解贪图13亮的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以为虚分派的主意)。即使Method1和Method2非是虚方法,它们可以当经过接口进行摊派时吃当是虚函数并在到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面取得总共10单办法。最后列有之凡近似的星星点点个静态域。MyClass没有实例域。其它地方不发话自明。

图片 24
Conclusion结论

结论

咱关于CLR一些极其要害的内在的探赜索隐旅程算终止了。显然,还有众多题目待涉及,而且要在重新老的层系上谈论,但是我们希望就可协助而见到东西如何工作。这里提供的洋洋之音讯可能会见在.NET框架和CLR的新兴版本被改变,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。

就通用语言运行时(CLR)即将成为当Windows®生开应用程序的首选架构,对那个进行深入了解会协助您建行之有效的工业强度的应用程序。在本文中,我们以探索CLR内部,包括对象实例布局,方法发明布局,方法分派,基于接口的分摊和不同之数据结构。

俺们用使用C#编的概括代码示例,以便任何固有的言语语法含义是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受到改,但是根本概念应该维持不移。我们用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查看本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的里边数据结构并出口有因此信息。请参考“Son
of Strike”补充资料,了解哪些将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的进程空间。本文中,我们用叙在一起享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中产生照应实现之接近,你可由msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1用帮您当SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

以我们开前,请留心:本文提供的音信才针对以X86平台上运行的.NET Framework
1.1可行(对于Shared Source CLI
1.0吧多数适用,只是当好几交互操作的动静下必注意例外),对于.NET
Framework
2.0碰头有改观,所以告不要以构建软件时靠让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地区

在CLR执行托管代码的率先履代码前,会创三单应用程序域。其中有数只对托管代码甚至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)。正而图2所示,这些地带是系统域(System
Domain)和一起享域(Shared
Domain),都是运用了单个(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,也是绝无仅有的来命名的处。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讳做。其它的地面可以以托管代码中动用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中使ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的数目创建多个域。

图片 25

2 由CLR启动程序创建的地段

图片 26回页首

系统域(System Domain)

系统域负责创建及初始化共享域和默认应用程序域。它用系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围里边以的含有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,它的拍卖方式显得略微昏头转向,因为CLR没有吃程序集时选择是特性。尽管如此,由于在富有的应用程序域中对一个特定的记号只保留一个应和之字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还担当产生过程范围的接口ID,并因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持跟踪所有域,并促成加载与卸载应用程序域的力量。

图片 27回来页首

共享域(Shared Domain)

享有未属另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有所应用程序域的用户代码都是必不可少的。它见面让机关加载到一同享域中。系统命名空间的基本类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被受先行加载到本域中。用户代码也可叫加载到这个域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时行使由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗堪加载代码到一同享域中,方法是行使System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个使基地址作为目录的顺序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集于加载到默认域(DefaultDomain)和其它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 28回页首

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头运行。尽管稍应用程序需要在运行时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者进行重大的运作时代码生成工作之应用程序),大部分之应用程序在运行中只有创造一个地区。所有在此域运行的代码都是以地域层次上闹上下文限制。如果一个应用程序有多独应用程序域,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利用System.ContextBoundObject派生的门类创建。每个应用程序域有谈得来的安全描述符(SecurityDescriptor),安全及下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨之加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。

图片 29回到页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意图是加载不同之周转时CLR部件和优化在域的布满生命期内存在的构件。这些堆的增进基于可预测块,这样可以假设碎片最小化。加载器堆不同为垃圾回收堆(或者对如多处理器上之大半单堆放),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,分配在勤堆上,而正如少看的数据结构如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)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

自打大层次了解域后,我们准备看看她于一个略的应用程序的左右文中的大体细节,见图3。我们于程序运行时停在mc.Method1(),然后下SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信。(请查看Son
of
Strike
打探SOS的加载信息)。这里是编后的出口:

!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

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个叫也“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到齐享域,不过因它是核心系统库,所以呢于系统域中列有。每个域会分配一个再三堆,低频堆和代办堆。系统域和一块享域使用同样之接近加载器,而默认应用程序使用自己之类似加载器。

输出没有显示加载器堆的保留尺寸和曾交给尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为尚无显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己之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。我们用会见于持续有研究项目布局时讨论IVMap的意义。

图2显默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和怪目标堆(用于大小等还是过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指令以保留至JIT代码堆着。GC堆和老目标堆是用于托管对象实例化的废品回收堆。

图片 30回去页首

花色原理

色是.NET编程中之着力单元。在C#遭遇,类型可以使用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品类由程序员显式创建,但是,在特意的竞相操作(interop)情形与长距离对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的产生类型,这些发生的门类涵盖COM和运行时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们经过一个含有对象引用的库房开始研究.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遭遇显得的代码包含一个略的次,它来一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创建一个SmallClass的花色实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何当非常目标堆创建对象。尽管这是如出一辙段落无聊之代码,但是足以帮忙我们进行讨论。

图5显了艾在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明当可能的图景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顺序入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在库结构面临。引用类型变量如smallObj以定点大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了于一般GC堆中分红的目标的地址。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目标的援。不管怎样,它包含了一个目标实例的地方,我们拿采用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图片 31

图5 SimpleProgram的库房结构及堆放

诚如GC堆上的smallObj对象实例包含一个誉为吧_largeObj的字节数组(注意,图被显得的分寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超或等85000字节的靶子的拍卖和有些目标不同。大目标在十分目标堆(LOH)上分红,而有点目标在相似GC堆上开创,这样可优化对象的分配与回收。LOH不见面减,而GC堆在GC回收时展开压缩。还有,LOH只会以一齐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。每个声明的型有一个方法表,而平档次的兼具目标实例都对同一个方法表。它含了花色的特性信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现之接口数目,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。

计表指向一个叫也EEClass的要紧数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据遭到开创EEClass。图4面临,SmallClass的法子表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在一块儿享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到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见面磨灭。而且,默认的应用程序域不会见被卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

图片 32返页首

对象实例

正巧使我辈说过的,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上创设。图6著了一个名列前茅的靶子布局。一个对象可以经过以下途径为引述:基于栈的一些变量,在彼此操作还是平台调用情况下的词柄表,寄存器(执行方时的this指针和方参数),拥有终结器(finalizer)方法的靶子的终结器队列。OBJECTREF不是据为目标实例的初步位置,而是发一个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始发计数的syncblk编号。因为经过索引进行连续,所以当待增加表的深浅时,CLR可以以内存中倒是发明。SyncTableEntry维护一个反向的去世引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以以没有其他强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了大少用给一个靶的兼具实例使用的有用之音讯。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据与应用程序域的目录。对于绝大多数底靶子实例,不见面吗实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这同一触及当履线程遇到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的语时会发生变化,如下所示:

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

每当上述代码中,smallObj会使用0作为它们的苗子之syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并采取相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩展为try-finally语句并行使Monitor类,一个当同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会采用对象的哈希编码增加syncblk。

在SyncBlock中发出任何的域,它们在COM交互操作与封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时用,不过当下跟典型的目标用处无关。

类句柄紧跟以对象实例中之syncblk编号后。为了维持连续性,我会以认证实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在品种句柄后。默认情况下,实例域会坐内存最灵采取的道排列,这样只待极度少之作为对合的填充充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一些例外尺寸的实例变量。

图8来得了当Visual
Studio调试器的内存窗口中之一个SimpleClass对象实例。我们在图7的return语句处设置了断点,然后运ECX寄存器保存之simpleObj地址在内存窗口展示对象实例。前4只字节是syncblk编号。因为咱们没有用任何共同代码应用这个实例(也从不看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存于栈变量的靶子实例,指为起始位置的4只字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3暨b4被一个连缀一个之排列于联名。两只short类型变量s1和s2也为列于协同。字符串变量str是一个4字节底OBJECTREF,指于GC堆中分红的骨子里的字符串实例。字符串是一个特地的品种,因为有包含同样仿标记的字符串,会以程序集加载到过程时对一个大局字符串表的一模一样实例。这个过程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的应用。我们事先曾经提过,在NET Framework
1.1吃,程序集不可知选是否以这个过程,尽管未来本的CLR可能会见提供这样的能力。

故而默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情形下,词典顺序必须吃保留到外存中,这时可以运用StructLayoutAttribute特性,它发一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以呢给封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管以.NET
Framework 1.1负,它从不影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0恐会见如此做)。在互相操作的动静下,如果你真的用额外的填充字节和展示的控制域的次第,LayoutKind.Explicit可以和域层次之FieldOffset特性一起使用。

关押了脚的内存内容后,我们利用SOS看看对象实例。一个有效的命令是DumpHeap,它好列出所有的积内容跟一个特别类型的保有实例。无需依赖寄存器,DumpHeap可以来得我们创建的绝无仅有一个实例的地方。

!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

靶的毕竟大小是36字节,不管字符串多坏,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的靶子引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8只字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地址后,我们可以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

无独有偶使前说罢,C#编译器对于接近的默认布局使用LayoutType.Auto(对于组织以LayoutType.Sequential);因此类加载器重新排列实例域以无限小化填充字节。我们可以用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)

如若你从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重缓急(36字节),就好获str的分寸,即36字节。让咱们输出str实例来验证这个结果:

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

若是您用字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就得赢得ObjSize命令语的到底大小72字节。

要小心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1遭到,CLR不明白非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它们不会见为这个命令语。

对方法发明底花色句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,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展开艺术分派时行使类句柄来稳定方法表。CLR以用史可以经过措施表反向顾加载类型时使用类句柄。

图片 33归来页首

方法表

每个接近以及实例在加载到应用程序域时,会在内存中经艺术表来表示。这是当对象的率先个实例创建前的接近加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到吃语言编译器产生的映照到内存的正数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音与外挂的音信可以经过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中可由此Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的花色句柄指向方法发明开始位置的晃动处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算在此处针对那个进展座谈。

图9展示了方发明底卓著布局。我们见面证明项目句柄的一部分重中之重的域,但是于截然的列表,请参考此图。让咱打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它们一直涉及及运行时之内存状态。

图片 34返页首

基实例大小

基实例大小是出于类似加载器计算的对象的深浅,基于代码中声称的地面。之前曾讨论过,当前GC的实现用一个最少12字节的靶子实例。如果一个接近没有概念任何的例域,它至少含有额外的4只字节。其它的8独字节被针对象头(可能含有syncblk编号)和路句柄占用。再说一涂鸦,对象的深浅会遭遇StructLayoutAttribute的影响。

看看图3倍受显的MyClass(有些许独接口)的计发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将其与SOS的出口进行较。在图9受到,对象大小在4字节底摇处,值吗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 35回到页首

计槽表(Method Slot Table)

以道发明中涵盖了一个槽表,指向各个艺术的讲述(MethodDesc),提供了品种的行为能力。方法槽表是冲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。

类似加载器在当下仿佛,父类和接口的初数据中遍历,然后创建方法表。在列过程被,它替换所有的被掩的虚方法和叫藏的父类方法,创建新的槽,在用时复制槽。槽复制是少不了的,它可以于每个接口有温馨的极端小之vtable。但是让复制的槽指向同一之物理实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为保有没有产生显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变动一个类似构造函数。图10来得了MyClass的法门发明的布局。布局显示了10个办法,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面开展座谈。图11来得了MyClass的措施发明底SOS的出口。

别类型的起4只法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是还对相同的章程描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法与实例方法分在同样组。

图片 36归来页首

计描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道之法子实现的一个包。有几栽类型的点子描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互动操作实现的调用。在本文中,我们只考察图3代码中的托管方描述。方法描述在类似加载过程中产生,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形了一个典型的布局,方法发明的扇实际上对代理,而非是实际上的艺术描述数据结构。对于实际的方式描述,这是-5字节的撼动,是每个方法的8独叠加字节的平等组成部分。这5单字节包含了调用预编译代理程序的指令。5字节的偏移可以打SOS的DumpMT输出从相,因为方法描述总是方法槽表指向的职务后的5个字节。在第一不好调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5单字节会被超过反至JIT编译后的x86代码的白跳转指令覆盖。

图片 37

图12 方法描述

针对图12的章程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。以下是当Method2让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

现咱们执行之方,然后倒汇编相同之地点:

!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

当此地点,只有开始5独字节是代码,剩余字节包含了Method2的法门描述的数。“!u”命令不晓这一点,所以生成的是乱的代码,你可忽略5独字节后的具备东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在仍要求编译后,CLR以编译后底代码地址更新此域。让我们于列有之函数中选取一个,然后据此DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的不二法门描述的内容:

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

编译后,方法描述的情如下:

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

道的此标志域的编码包含了智的门类,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繁杂的上面:接口实现。它包裹了布局过程具有的扑朔迷离,让托管环境看这或多或少关押起简单。然后,我们用说明接口如何开展布局及基于接口的点子分派的适当工作措施。

图片 38回去页首

接口虚表图和接口图

于法发明底先后12字节偏移处是一个主要之指针,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,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次于加载时创造。每个接口的落实都以接口虚表中生出一个笔录。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少单记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的开始位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常以的援。接口虚表是依据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于点子发明布局过程中因类的初次数据创建。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方式表中的接口信息记录。在这种情形下,对MyClass实现的少数独接口中之每一个都起个别条记下。第一久接口信息记录的上马4个字节指向MyInterface1的路句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0意味着于父类派生,1意味是因为时接近实现)。在表明后底WORD是一个上马槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的值吗4(从0开始编号),所以槽5和6凭借为实现;对于MyInterface2,开始槽的价值吗6,所以槽7和8靠于实现。类加载器会当待经常复制槽来闹这么的法力:每个接口有友好之兑现,然而物理映射到平的法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2及MyInterface2.Method2会指向相同之兑现。

据悉接口的方法分派通过接口虚表进行,而一直的办法分派通过保留在依次槽的点子描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2只参数在可能的下一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先单参数总是this指针,所以经ECX寄存器传送,可以当“mov
ecx,esi”语句看到就一点:

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

这些倒汇编显示了直接调用MyClass的实例方法无动偏移。JIT编译器把法描述的地方直接写到代码中。基于接口的摊通过接口虚表发生,和直分派相比要有的额外的吩咐。一个令用来博接口虚表的地点,另一个取得方式槽表中之接口实现的启槽。而且,把一个对象实例转换为接口就待拷贝this指针到目标的变量。在祈求2被,语句“mi1=mc”使用一个下令把mc的对象引用拷贝到mi1。

图片 39回来页首

虚分派(Virtual Dispatch)

而今咱们看虚分派,并且和基于接口的分担进行较。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,和方表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在措施发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的落实。结果,对爸爸对象的不二法门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,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

图片 40返回页首

静态变量

静态变量是方法表数据结构的机要片段。作为艺术发明底同等局部,它们分配在点子发明底槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对于组织和援的档次的静态值对象,通在句柄表中创造的目标引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句子柄表的目标引用,它引用了堆积上创办的对象实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的靶子引用,后者对GC堆上之MyString。

图片 41回去页首

EEClass

EEClass在章程发明创建前开生活,它与章程发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和道表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只不过因为使用频度的不等而让分别。经常以的域放在方法表,而未常下的地段于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的消息(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时用之音(如虚表槽和GC信息)在章程表中。

本着各国一个种会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个为执行引擎跟踪的树之节点。CLR使用这个网络以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做。在推行托管代码的历程被,新的EEClass节点被投入,节点的关联为补,新的涉被立。在网被,相邻的EEClass还有一个品位的涉及。EEClass有三单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遭之MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13。

图13仅仅显示了同夫讨论有关的一些域。因为我们忽视了布局中之一对地域,我们没有于图备受得当显示偏移。EEClass有一个间接的对艺术发明的援。EEClass也针对于默认应用程序域的往往堆分配的法描述块。在点子发明创建时,对经过堆上分红的地区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之进展内存分页管理,因此减少了劳作集。

图片 42

图13 EEClass 布局

希冀13丁的其它域在MyClass(图3)的上下文的义不称自明。我们现看用SOS输出的EEClass的实在的物理内存。在mc.Method1替代码行设置断点后,运行图3的次第。首先利用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地点。

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

Name2EE的第一个参数时模块名,可以自DumpDomain命令得到。现在我们获得了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及DumpClass的出口看起了一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了于模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相互邻链指于名也Program的EEClass,可以掌握贪图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8单虚表槽(可以给虚分派的道)。即使Method1和Method2免是虚方法,它们可以通过接口进行分摊时叫看是虚函数并在到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你会获取总共10独艺术。最后列有之是近乎的星星点点单静态域。MyClass没有实例域。其它地区不曰自明。

图片 43回页首

Conclusion结论

咱关于CLR一些最好根本的内在的追旅程算终止了。显然,还有为数不少题材亟待涉及,而且要以再度可怜的层次上谈论,但是咱想就可帮您看看东西如何行事。这里提供的洋洋之音讯或会见于.NET框架和CLR的新兴版本中改,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)的等同誉为架构师。他当微软本底角色是帮扶客户基于.NET框架建立可扩大的零件框架。可以通过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
凡微软开支支持高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他以北卡罗来州底夏洛特,可以经过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司的软件工程师,习惯以C++和C#支出应用程序。闲暇时他喜好音乐,旅游及怀旧游戏,并且愿意帮MSDN翻译更多之篇章和其他开发者共享。可以经ecaijw@msn.com联系他。

相关文章

admin

网站地图xml地图