NET框架之中领悟CLR如何创造运行时对象,NET框架之中掌握CLR如何创造运行时对象

by admin on 2018年12月24日

初稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发表日期: 9/19/2005
原稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中窥见许多著作图都不全,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。
  • 对象布局和内存细节。
  • 办法表布局。
  • 主意分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创办应用程序的主角级基础架构,
多通晓点关于CLR的纵深认识会襄助您构建快速的, 工业级健壮的施用程序.
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, 基于接口的分担, 和各式各种的数目结构.

俺们会拔取由C#写成的分外简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为对象的.
研讨的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过绝大多数的定义是不会变的. 大家会选取Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些多少结构.
SOS可以知道CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的新闻. 通篇,
我们会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中装有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会襄助您在寻觅一些构造的时候到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

在我们起初前,请小心:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1灵光(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的场馆下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时看重于这么些内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会成立几个使用程序域。其中五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启动进程创立,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,这个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是接纳了单件(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,默认的域名由可实施映象文件的名字组成。其余的域可以在托管代码中应用AppDomain.CreateDomain方法成立,或者在非托管的代码中利用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立三个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责制造和起首化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且尊敬过程范围里边使用的涵盖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没有给程序集机会拔取此特性。尽管如此,由于在享有的施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。

系统域还背负暴发过程范围的接口ID,并用来创制每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保障跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的效率。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

具有不属于此外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是必需的。它会被活动加载到共享域中。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一个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时使用由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,方法是行使System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个采取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的查找表,那些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其余在托管代码中开创的采纳程序域。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)

默认域是行使程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其中运行。即便有些应用程序需要在运转时创建额外的接纳程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举行第一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行期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。如若一个应用程序有七个使用程序域,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讯可以动用System.ContextBoundObject派生的档次创造。每个应用程序域有投机的安全描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨的加载器堆(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)

加载器堆的意义是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的一切生命期内存在的部件。这多少个堆的增进基于可预测块,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四个堆),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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了然域后,我们准备看看它们在一个概括的应用程序的上下文中的情理细节,见
图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
询问SOS的加载音信)。这里是编辑后的出口:

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();
    }
}

咱俩的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”山姆(Sam)ple1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是基本系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个往往堆,低频堆和代办堆。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。

输出没有出示加载器堆的保留尺寸和已提交尺寸。高频堆的开首化大小是32KB,每一回提交4KB。SOS的出口也远非显得接口虚表堆(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最先化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,开端时交由4KB。大家将会在持续部分研商项目布局时啄磨IVMap的意义。

图2
显示默认的经过堆,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超越85000字节的目的),它申明了那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堆和大目标堆是用来托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

图片 7
品种原理

花色原理

系列是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以采用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数体系由程序员显式创制,不过,在特此外相互操作(interop)意况和长途对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这么些暴发的类型涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们通过一个涵盖对象引用的栈初始研商.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例起头生命期的地方)。
图4中体现的代码包含一个简易的顺序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1开立一个SmallClass的档次实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目的堆创立对象。尽管这是一段无聊的代码,不过足以帮衬我们举行商量。

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 彰显了停止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它讲明在可能的情景下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数遵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以稳住大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分配的靶子的地点。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么样,它含有了一个目的实例的地方,我们将应用术语对象实例(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,图中呈现的尺寸为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的处理和小目的不同。大目标在大目标堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上制造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会优惠扣,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在完全GC回收时被回收。

smallObj的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目标方法表。每个评释的连串有一个方法表,而相同连串的有所目的实例都针对同一个方法表。它蕴含了花色的特色信息(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,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

措施表指向一个名为EEClass的紧要性数据结构。在点子表成立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的措施表指向它的EEClass。这么些构造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。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到里面,就直到应用程序域卸载时才会破灭。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这些代码的生存期是截止CLR关闭截至。

图片 9
目的实例

对象实例

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 上创造。图 6
展现了一个第一名的靶子布局。一个目的足以经过以下途径被引用:基于栈的一对变量,在相互操作依旧平台调用处境下的句柄表,寄存器(执行模式时的
this 指针和措施参数),拥有终结器( finalizer )方法的目的的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目标实例的先河地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对准 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起初计数的 syncblk
编号。因为通过索引举行连接,所以在急需扩展表的大大小时辰, CLR
可以在内存中移动这一个表。 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
可以在没有此外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的有着实例使用的卓有效能的音讯。这一个消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和使用程序域的目录。对于多数的目的实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这一点在履行线程遭遇如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的说话时会暴发变化,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 会利用 0 作为它的初叶的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创设一个 syncblk 入口并运用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩充为 try-finally 语句并使用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创立。堆 GetHashCode
的调用会拔取对象的哈希编码扩大 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时拔取,可是这和优良的对象用处无关。
品种句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在认证实例变量后啄磨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情形下,实例域会以内存最实用利用的办法排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码展现了 SimpleClass 包含有一部分两样大小的实例变量。

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 地址在内存窗口显示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们从不用任何共同代码应用此实例(也远非访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,指向最先地点的 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道。多个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一起。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个特地的类型,因为拥有包含同样文字标记的字符串,会在先后集加载到过程时指向一个大局字符串表的同一实例。这么些过程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的使用。我们在此以前早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以选取是否选取这多少个进程,虽然将来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

因此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的图景下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以选用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,固然在 .NET Framework 1.1
中,它从未影响托管的布局(不过 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在互相操作的状态下,如若你确实需要相当的填充字节和体现的控制域的各种,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)(Field)Offset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,大家利用 SOS 看看对象实例。一个立竿见影的命令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特意类型的兼具实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以呈现我们创造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

目标的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只含有一个
DWORD 的目标引用。 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
实例的地址后,我们得以接纳 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

正如以前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团采纳 LayoutType.Sequential
);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以采纳 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)

假定你从目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的尺寸( 36
字节),就可以得到 str 的深浅,即 36 字节。让大家输出 str
实例来表明这一个结果:

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

一旦你将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就可以取得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,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;因而它们不会被这个命令报告。

本着方法表的类型句柄在syncblk编号后分配。在对象实例成立前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,成立对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器发生的代码在开展艺术分派时选拔项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史可以因而措施表反向访问加载类型时采纳项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩张程序用于本文化的展现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加载到过程在此以前,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限令,关于SOS更多音信,参考这里

图片 12
方法表

方法表

各类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。这是在对象的率先个实例创设前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情状,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发生的映射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的消息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因而Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的品种句柄指向方法表先导地方的晃动处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC音讯。我们不打算在此处对其展开座谈。

图 9
显示了措施表的一枝独秀布局。我们会声明项目句柄的一部分重中之重的域,可是对于截然的列表,请参见此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)起先,因为它直接涉及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结的对象的尺寸,基于代码中宣示的域。此前曾经钻探过,当前GC的落实内需一个足足12字节的靶子实例。假诺一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和项目句柄占用。再说一次,对象的分寸相会临StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中显得的MyClass(有四个接口)的章程表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口进行相比较。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
措施槽表(Method Slot Table)

艺术槽表(Method Slot Table)

在艺术表中富含了一个槽表,指向各样艺术的描述(MethodDesc),提供了花色的行为能力。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。

类加载器在眼前类,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,它替换所有的被遮盖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。槽复制是必不可少的,它能够让各样接口有谈得来的蝇头的vtable。可是被复制的槽指向平等的情理实现。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#编译器为富有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为大家定义并发轫化了一个静态变量,编译器会转变一个类构造函数。图10呈现了MyClass的模式表的布局。布局突显了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会举行研商。图11体现了MyClass的主意表的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()

其它类型的起来4个点子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举行了复制,可是都指向相同的方法描述。代码彰显定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

图片 17
方法描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的艺术实现的一个装进。有几体系型的不二法门描述,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代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中发生,起初化为指向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显示了一个非凡的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的点子描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8个附加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的指令。5字节的舞狮可以从SOS的DumpMT输出从观望,因为方法描述总是方法槽表指向的职位后边的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代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12措施描述

图片 18

图12的法门表槽指向的代码举行反汇编,显示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突显。

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

现今我们实践此方法,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,唯有最先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的办法描述的数据。“!u”命令不亮堂这一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的拥有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的争持虚地址(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甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的章程描述的始末:

!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

情势的那么些标志域的编码包含了法子的类型,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让我们看方法表其余一个犬牙交错的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得这点看起来简单。然后,我们将表明接口如何开展布局和遵照接口的不二法门分派的贴切工作措施。

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)

在艺术表的第12字节偏移处是一个重中之重的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个选拔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建。每个接口的贯彻都在接口虚表中有一个记录。假如MyInterface1被两个类实现,在接口虚表表中就有六个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的开头地方,如图9所示。这是接口方法分派暴发时选择的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图信息创设,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据创造。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措施表中的接口消息记录。在这种景观下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的起初4个字节指向MyInterface1的花色句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个申明占用(0代表从父类派生,1意味着由近年来类实现)。在注解后的WORD是一个方始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,先导槽的值为4(从0初步编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起首槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来爆发这么的效果:每个接口有协调的贯彻,但是物理映射到均等的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

遵照接口的方法分派通过接口虚表举行,而一贯的法子分派通过保留在逐一槽的办法描述地址举办。如从前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,先导2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,能够在“mov
ecx,esi”语句看到这或多或少:

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

这多少个反汇编呈现了直白调用MyClass的实例方法没有使用偏移。JIT编译器把办法描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表暴发,和直接分派相比较需要一些额外的授命。一个发令用来博取接口虚表的地址,另一个收获模式槽表中的接口实现的始发槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到目的的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个指令把mc的对象引用拷贝到mi1。

图片 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现今我们看看虚分派,并且和按照接口的分担举办相比。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永恒的槽编号爆发,和章程表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在点子表布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的落实。结果,对父对象的法门调用被分摊到子对象的实现。反汇编突显了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

图片 21
静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是情势表数据结构的机要组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在点子表的槽数组后。所有的原有静态类型是内联的,而对于协会和引用的品类的静态值对象,通在句柄表中成立的目的引用来针对。方法表中的目的引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上创立的对象实例。一旦创制后,句柄表内的目标引用会使堆上的目标实例保持生存,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在措施表创设前先河生活,它和方法表组成起来,是项目阐明的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个连串),只可是因为运用频度的不比而被分开。日常利用的域放在方法表,而不平常采用的域在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,但是运行时需要的音讯(如虚表槽和GC音讯)在措施表中。

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整合。在举行托管代码的经过中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被填补,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有五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只突显了和这一个议论有关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,我们尚无在图中正好呈现偏移。EEClass有一个间接的对于艺术表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的往往堆分配的办法描述块。在措施表创设时,对过程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在运用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的举办内存分页管理,由此缩小了工作集。

图13 EEClass 布局

图片 23

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的程序。首先利用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在我们拿到了EEClass的地点,大家输出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,可以精晓图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的法子)。即便Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口举行分摊时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会赢得总共10个艺术。最终列出的是类的六个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

图片 24
Conclusion结论

结论

咱俩关于CLR一些最重点的内在的探赜索隐旅程终于停止了。显然,还有很多题材需要涉及,而且需要在更深的层次上谈论,可是大家目的在于这足以协助你见到事物怎么样工作。这里提供的广大的信息可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,但是尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该维持不变。

随着通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其展开深刻掌握会帮助你建立有效的工业强度的应用程序。在本文中,大家将探索CLR内部,包括对象实例布局,方法表布局,方法分派,基于接口的分摊和见仁见智的数据结构。

我们将使用C#编纂的概括代码示例,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,可是根本概念应该维持不变。我们应用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器增添Son of Strike
(SOS)来查阅本文啄磨的数据结构。SOS通晓CLR的内部数据结构并出口有用信息。请参见“Son
of Strike”补充材料,了然什么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,我们将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有对应实现的类,你可以从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。

在大家初阶前,请留心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1灵光(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的情事下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,所以请不要在构建软件时依赖于那多少个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创制多少个利用程序域。其中多个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只好由CLR启动进程成立,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),都是拔取了单件(Singleton)形式。第五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利用AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中采纳ICORRuntimeHost接口创制。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会依照应用程序的多寡成立多少个域。

图片 25

2 由CLR启动程序创造的域

图片 26回去页首

系统域(System Domain)

系统域负责成立和起首化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保养过程范围之中接纳的涵盖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没有给程序集机会采纳此特性。尽管如此,由于在享有的运用程序域中对一个一定的符号只保留一个对应的字符串,此特性能够省去内存空间。

系统域还承担爆发过程范围的接口ID,并用来创设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,并贯彻加载和卸载应用程序域的效能。

图片 27归来页首

共享域(Shared Domain)

抱有不属于其他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不可或缺的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的基本类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也可以被加载到这么些域中,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共享域中,方法是选用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的次第集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其它在托管代码中开创的施用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 28归来页首

默认域(Default Domain)

默认域是使用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在中间运行。尽管有些应用程序需要在运作时创立额外的应用程序域(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。假使一个应用程序有六个利用程序域,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使用System.ContextBoundObject派生的体系创制。每个应用程序域有和好的嘉峪关描述符(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回到页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的机能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构件。这一个堆的增长基于可预测块,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。平日访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番一回堆上,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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次精通域后,我们准备看看它们在一个简短的应用程序的左右文中的情理细节,见图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩大命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看Son
of
Strike
刺探SOS的加载信息)。这里是编写后的出口:

!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

我们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为“山姆(Sam)ple1.exe”的利用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是主旨系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用同样的类加载器,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。高频堆的开首化大小是32KB,每一遍提交4KB。SOS的出口也向来不出示接口虚表堆(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初叶化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,起始时交由4KB。大家将会在持续部分切磋项目布局时研讨IVMap的意义。

图2体现默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于如故超越85000字节的靶子),它阐明了这多少个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器爆发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目标堆是用以托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

图片 30重临页首

类型原理

品种是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以使用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数序列由程序员显式创立,不过,在特其余相互操作(interop)境况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这些暴发的门类涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家经过一个包含对象引用的栈起先研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例起始生命期的地方)。图4中体现的代码包含一个简练的次序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1开立一个SmallClass的档次实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆成立对象。虽然那是一段无聊的代码,可是足以帮助我们开展座谈。

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,它表达在可能的情况下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数依照从右到左的依次入栈,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以固定大小(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++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它含有了一个目的实例的地方,我们将接纳术语对象实例(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

貌似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为_largeObj的字节数组(注意,图中映现的高低为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的目的的拍卖和小目的不同。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配和回收。LOH不会减小,而GC堆在GC回收时进行压缩。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),指向对应档次的方法表。每个注解的品类有一个方法表,而平等档次的具有目的实例都对准同一个方法表。它包含了花色的风味音讯(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。

情势表指向一个名为EEClass的机要数据结构。在艺术表制造前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4中,SmallClass的办法表指向它的EEClass。这多少个构造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。加载器堆和运用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到里面,就直到应用程序域卸载时才会流失。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是截止CLR关闭停止。

图片 32回来页首

对象实例

正如咱们说过的,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上开创。图6来得了一个卓绝的靶子布局。一个目标足以经过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在相互操作仍然平台调用情状下的句柄表,寄存器(执行模式时的this指针和措施参数),拥有终结器(finalizer)方法的靶子的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的先河地点,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起首计数的syncblk编号。因为通过索引举办连续,所以在急需扩展表的深浅时,CLR可以在内存中活动那一个表。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可以在没有其他强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个目标的兼具实例使用的有用的音信。那些音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和使用程序域的目录。对于大部分的靶子实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。那点在履行线程遭受如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言辞时会暴发变化,如下所示:

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

在以上代码中,smallObj会使用0作为它的初始的syncblk编号。lock语句使得CLR成立一个syncblk入口并利用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩充为try-finally语句并应用Monitor类,一个当做同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会采纳对象的哈希编码扩大syncblk。

在SyncBlock中有此外的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时使用,然而这和超人的靶子用处无关。

项目句柄紧跟在目的实例中的syncblk编号后。为了保全连续性,我会在认证实例变量后商讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在类型句柄后。默认意况下,实例域会以内存最得力应用的不二法门排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一些不等尺寸的实例变量。

图8展示了在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地址在内存窗口显示对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们一贯不用别样共同代码应用此实例(也从未访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指向先导地方的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齐。几个short类型变量s1和s2也被排列在一块儿。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。字符串是一个特此外连串,因为拥有包含同样文字标记的字符串,会在先后集加载到过程时指向一个大局字符串表的平等实例。这些历程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的行使。大家事先曾经提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以采取是否使用这多少个过程,即便未来版本的CLR可能会提供这么的力量。

于是默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互动操作的情事下,词典顺序必须被保留到内存中,这时可以运用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,虽然在.NET
Framework 1.1中,它并未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0也许会这么做)。在竞相操作的场馆下,如若您真正需要分外的填充字节和显示的控制域的相继,LayoutKind.Explicit可以和域层次的菲尔德(Field)Offset特性一起行使。

看完底层的内存内容后,我们应用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地类型的具有实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以显示大家创立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

目标的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的靶子引用。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实例的地点后,我们可以接纳DumpObj命令输出它的内容,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

正如在此之前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会选取LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以采用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)

比方您从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的高低(36字节),就足以获取str的大小,即36字节。让我们输出str实例来验证这个结果:

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

如若您将字符串实例的深浅(36字节)加上SimpleClass实例的深浅(36字节),就足以博得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不清楚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。

本着方法表的品种句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创造前,CLR查看加载类型,假如没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,创造对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在举办模式分派时利用项目句柄来定位方法表。CLR在需要史可以透过措施表反向访问加载类型时行使项目句柄。

图片 33重回页首

方法表

每个类和实例在加载到应用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。那是在目标的首先个实例创设前的类加载活动的结果。对象实例表示的是境况,而艺术表表示了表现。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)。方法表包含的音信和外挂的消息方可由此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以经过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的门类句柄指向方法表最先地方的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC音信。我们不打算在此处对其举办研讨。

图9显示了艺术表的典型布局。大家会注明项目句柄的有的紧要的域,但是对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)开端,因为它一贯关联到运行时的内存状态。

图片 34重回页首

基实例大小

基实例大小是由类加载器总计的目的的轻重,基于代码中声称的域。从前早已商讨过,当前GC的实现需要一个至少12字节的目的实例。如若一个类没有定义任何实例域,它至少含有额外的4个字节。其它的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和品种句柄占用。再说三次,对象的大小会遭到StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中体现的MyClass(有四个接口)的措施表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行相比。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

图片 35重回页首

情势槽表(Method Slot Table)

在艺术表中蕴藏了一个槽表,指向各种艺术的叙述(MethodDesc),提供了档次的行为能力。方法槽表是基于方法实现的线性链表,依据如下顺序排列: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,它替换所有的被掩盖的虚方法和被隐形的父类方法,成立新的槽,在需要时复制槽。槽复制是不可或缺的,它可以让每个接口有协调的微小的vtable。不过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)和对象构造函数(.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对象自动生成。因为大家定义并开端化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10来得了MyClass的法子表的布局。布局展现了10个点子,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会进展座谈。图11显示了MyClass的法门表的SOS的输出。

任何项目的始发4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。那个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,不过都针对相同的法子描述。代码彰显定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

图片 36再次来到页首

主意描述(MethodDesc)

形式描述(MethodDesc)是CLR知道的艺术实现的一个包裹。有几类别型的格局描述,除了用于托管实现,分别用于不同的竞相操作实现的调用。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,最先化为指向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出示了一个独立的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的点子描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的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命令。5字节的舞狮可以从SOS的DumpMT输出从观看,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代码的义诊跳转指令覆盖。

图片 37

图12 方法描述

对图12的章程表槽指向的代码举办反汇编,显示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呈现。

!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

近日我们实践此办法,然后反汇编相同的地点:

!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

在此地方,只有起首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的主意描述的数量。“!u”命令不知晓这点,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的所有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现的相持虚地址(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

方法的那多少个标志域的编码包含了办法的体系,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犬牙交错的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得这点看起来简单。然后,我们将表达接口怎么着进展布局和遵照接口的方法分派的熨帖工作措施。

图片 38再次回到页首

接口虚表图和接口图

在措施表的第12字节偏移处是一个首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用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建。每个接口的实现都在接口虚表中有一个笔录。假使MyInterface1被两个类实现,在接口虚表表中就有四个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的先导地方,如图9所示。这是接口方法分派爆发时采纳的引用。接口虚表是依据方法表内含的接口图音信成立,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据创造。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在措施表中的接口音讯记录。在这种情景下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的起先4个字节指向MyInterface1的项目句柄(见图9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意味着由近来类实现)。在讲明后的WORD是一个初始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起首槽的值为4(从0先河编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,开始槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来发出如此的效用:每个接口有友好的落实,然则物理映射到同样的章程描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的兑现。

基于接口的办法分派通过接口虚表举办,而间接的点子分派通过保留在一一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,起先2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到这一点:

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

这几个反汇编展现了直接调用MyClass的实例方法没有行使偏移。JIT编译器把措施描述的地方直接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表发生,和一贯分派相比较需要部分额外的吩咐。一个发令用来收获接口虚表的地点,另一个得到模式槽表中的接口实现的起来槽。而且,把一个目标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”使用一个指令把mc的目的引用拷贝到mi1。

图片 39重回页首

虚分派(Virtual Dispatch)

最近大家看看虚分派,并且和基于接口的摊派进行相比较。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固定的槽编号发生,和措施表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在章程表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的实现。结果,对父对象的措施调用被分派到子对象的兑现。反汇编突显了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

图片 40回去页首

静态变量

静态变量是情势表数据结构的重中之重组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在章程表的槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对此协会和引用的类另外静态值对象,通在句柄表中创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对象引用,它引用了堆上创设的目的实例。一旦创造后,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指向句柄表的目的引用,后者指向GC堆上的MyString。

图片 41回到页首

EEClass

EEClass在情势表创造前起始生活,它和措施表组成起来,是项目注脚的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),只可是因为使用频度的不等而被分别。平常应用的域放在方法表,而不通常应用的域在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,可是运行时需要的音信(如虚表槽和GC音讯)在艺术表中。

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是一个被执行引擎跟踪的树的节点。CLR使用那么些网络在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咬合。在履行托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的关系被填补,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水准的涉及。EEClass有五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只彰显了和这些琢磨有关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,大家从没在图中得当展现偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的反复堆分配的主意描述块。在艺术表创设时,对过程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在利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,由此收缩了劳作集。

图片 42

图13 EEClass 布局

图13中的其它域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。我们前几天探视使用SOS输出的EEClass的确实的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先应用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地方。

!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,可以从DumpDomain命令拿到。现在我们赢得了EEClass的地址,大家输出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,可以了解图13体现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的点子)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们能够在通过接口进行摊派时被认为是虚函数并参与到列表中。把.cctor和.ctor参加到列表中,你会博得总共10个措施。最终列出的是类的六个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

图片 43归来页首

Conclusion结论

俺们关于CLR一些最重大的内在的探索旅程终于为止了。分明,还有许多题材亟需涉及,而且亟需在更深的层次上探究,可是大家期望这足以协理您看看东西如何做事。这里提供的不在少数的信息或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,然而尽管本文提到的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(Hughes顿)的一名架构师。他在微软前几日的角色是匡助客户基于.NET框架建立可扩展的机件框架。可以经过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软支付匡助高级工程师,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蒂(Charlotte),可以透过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#开发应用程序。闲暇时光他喜欢音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意协助MSDN翻译更多的篇章和其余开发者共享。可以透过ecaijw@msn.com联系她。

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图