NET框架之中精晓CLR咋样创立运行时对象,NET框架之中通晓CLR咋样创造运行时对象

by admin on 2019年1月15日

亚洲必赢手机,原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发布日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发现许多篇章图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目的布局和内存细节。
  • 艺术表布局。
  • 方法分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创造应用程序的主角级基础架构,
多理解点关于CLR的纵深认识会援救你构建便捷的, 工业级健壮的应用程序.
在这篇随笔中, 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, 和丰硕多彩的数据结构.

俺们会利用由C#写成的相当简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为对象的.
研究的一对数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
然则多数的定义是不会变的. 我们会利用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数目结构.
SOS可以理解CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
我们会研商在Shared Source CLI(SSCLI)中所有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会扶助你在寻觅一些布局的时候到SSCLI中的音讯.

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

在我们起先前,请留心:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的意况下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,所以请不要在构建软件时看重于这个内部结构的不变性。

亚洲必赢手机 1
CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

CLR启动程序(Bootstrap)创建的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创制六个使用程序域。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启动进程创建,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 图2
所示,这么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是行使了单件(Singleton)模式。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,默认的域名由可进行映象文件的名字组成。其余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接纳ICORRuntimeHost接口成立。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数码创造七个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

亚洲必赢手机 2

亚洲必赢手机 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创立和最先化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且爱护过程范围之中接纳的带有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,它的处理格局显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采取此特性。即使如此,由于在装有的运用程序域中对一个一定的记号只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还担当爆发过程范围的接口ID,并用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,并落实加载和卸载应用程序域的功力。

亚洲必赢手机 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

所有不属于其余特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的主导类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被先行加载到本域中。用户代码也得以被加载到这么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采纳由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个用到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看重关系的查找表,这多少个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和任何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。

亚洲必赢手机 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

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其间运行。尽管有些应用程序需要在运作时成立额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办重大的运作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。假诺一个应用程序有四个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息方可拔取System.ContextBoundObject派生的门类创制。每个应用程序域有自己的晋城描述符(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,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。

亚洲必赢手机 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的法力是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的满贯生命期内设有的构件。这个堆的滋长基于可预测块,这样能够使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的六个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。日常访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在屡次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了然域后,大家准备看看它们在一个简单易行的应用程序的前后文中的情理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
叩问SOS的加载音讯)。这里是编写后的输出:

图3 Sample1.exe

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

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

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

using System;

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

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

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

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

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

我们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为”Sample1.exe”的利用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然而因为它是着力系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个再三堆,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。

出口没有出示加载器堆的保存尺寸和已提交尺寸。高频堆的起首化大小是32KB,每一遍提交4KB。SOS的输出也绝非体现接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域先河化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,着手时交由4KB。我们将会在后续部分探讨项目布局时商讨IVMap的意义。

图2
呈现默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目的堆(用于大小相等依然超越85000字节的目的),它表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堆和大目的堆是用以托管对象实例化的废品回收堆。

亚洲必赢手机 7
品种原理

花色原理

体系是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以动用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数序列由程序员显式成立,可是,在特意的相互操作(interop)情状和长途对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些暴发的品种涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩因而一个带有对象引用的栈起首研商.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例先导生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个简易的程序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创设一个SmallClass的体系实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆创设对象。固然这是一段无聊的代码,然则能够帮助我们举行座谈。

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 呈现了结束在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它声明在可能的情状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一一入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以一定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的对象的地方。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么着,它含有了一个对象实例的地方,咱们将利用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

亚洲必赢手机 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,图中突显的分寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对抢先或等于85000字节的靶子的拍卖和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上创立,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会回落,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个讲明的品类有一个方法表,而同等档次的具有目的实例都对准同一个方法表。它涵盖了档次的特性信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

艺术表指向一个名为EEClass的要害数据结构。在章程表成立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的方法表指向它的EEClass。那多少个社团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。加载器堆和选择程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到里头,就直到应用程序域卸载时才会化为乌有。而且,默认的利用程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是截止CLR关闭截至。

亚洲必赢手机 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 上开创。图 6
显示了一个超人的目的布局。一个指标可以通过以下途径被引用:基于栈的有些变量,在互相操作如故平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行格局时的
this 指针和格局参数),拥有终结器( finalizer )方法的对象的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目的实例的始发地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开首计数的 syncblk
编号。因为经过索引举办连续,所以在需要增添表的深浅时, CLR
可以在内存中活动这一个表。 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
可以在尚未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对象的拥有实例使用的管用的消息。这个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和接纳程序域的目录。对于绝大多数的目的实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这一点在实践线程碰到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的言语时会暴发变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
亚洲必赢手机 10

在上述代码中, smallObj 会动用 0 作为它的开局的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 成立一个 syncblk 入口并接纳相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句并采取 Monitor 类,一个作为同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创办。堆 GetHashCode
的调用会利用对象的哈希编码扩大 syncblk 。
在 SyncBlock 中有其他的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时利用,然而这和特出的靶子用处无关。
连串句柄紧跟在目标实例中的 syncblk
编号后。为了保障连续性,我会在验证实例变量后啄磨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认情状下,实例域会以内存最有效行使的法子排列,那样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有一对见仁见智大小的实例变量。

图 7 SimpleClass with Instance Variables

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

    //Total instance variable size = 28 bytes 

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

图 8 呈现了在 Visual Studio 调试器的内存窗口中的一个 SimpleClass
对象实例。我们在图 7 的 return 语句处设置了断点,然后使用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口体现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家一贯不用别样共同代码应用此实例(也不曾访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目的实例,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块。三个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在联名。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的实在的字符串实例。字符串是一个特此外项目,因为具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一律实例。这一个历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的利用。我们事先曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以选用是否使用这一个过程,虽然未来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
亚洲必赢手机 11

所以默认处境下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的事态下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以应用
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,它没有影响托管的布局(不过 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在交互操作的动静下,如若您真的需要万分的填充字节和呈现的控制域的依次,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们拔取 SOS 看看对象实例。一个行之有效的一声令下是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的所有实例。无需看重寄存器,
DumpHeap 能够体现大家创制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,我们得以采纳 DumpObj 命令输出它的情节,如下所示:

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

正如在此之前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于协会选取 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以使用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空间,如下所示:

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

即使您从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就足以拿走 str 的大大小小,即 36 字节。让我们输出 str
实例来申明这么些结果:

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

只要您将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大小(36字节),就足以获取ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不亮堂非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这一个命令报告。

针对方法表的连串句柄在syncblk编号后分配。在目的实例成立前,CLR查看加载类型,假使没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,创造对象实例,然后把项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器发生的代码在进展情势分派时拔取项目句柄来定位方法表。CLR在急需史可以经过艺术表反向访问加载类型时接纳项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩大程序用于本文化的显示CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一局部,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
所在的公文夹到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 窗口中进行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的有些限令,关于SOS更多音信,参考这里

亚洲必赢手机 12
方法表

方法表

每个类和实例在加载到应用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目标的第一个实例创制前的类加载活动的结果。对象实例表示的是状态,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发生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音信方可经过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以透过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的门类句柄指向方法表起始地点的撼动处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC音讯。大家不打算在这里对其开展钻探。

图 9
显示了法子表的独立布局。我们会注明项目句柄的片段生死攸关的域,然而对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)先河,因为它一贯关乎到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

亚洲必赢手机 13

亚洲必赢手机 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总括的目的的尺寸,基于代码中阐明的域。从前已经研讨过,当前GC的贯彻内需一个足足12字节的目的实例。如若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(可能带有syncblk编号)和花色句柄占用。再说几次,对象的大大小小会遭遇StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中展现的MyClass(有两个接口)的模式表的内存快照(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

亚洲必赢手机 15
方法槽表(Method Slot Table)

办法槽表(Method Slot Table)

在章程表中包含了一个槽表,指向各类艺术的叙述(MethodDesc),提供了类其余行为能力。方法槽表是基于方法实现的线性链表,依照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当下类,父类和接口的元数据中遍历,然后创制方法表。在排列过程中,它替换所有的被掩盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创建新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各种接口有自己的小小的vtable。不过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#编译器为有着没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并起头化了一个静态变量,编译器会生成一个类构造函数。图10显示了MyClass的章程表的布局。布局彰显了10个措施,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下面大家会展开座谈。图11彰显了MyClass的方法表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
亚洲必赢手机 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()

另外项目标始发4个章程总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,不过都对准相同的措施描述。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。

亚洲必赢手机 17
模式描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)是CLR知道的主意实现的一个装进。有二种档次的法门描述,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,咱们只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中暴发,起先化为指向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体现了一个一级的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的法子描述数据结构。对于实际的法子描述,这是-5字节的撼动,是各类方法的8个叠加字节的一有些。这5个字节包含了调用预编译代理程序的通令。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的地点前边的5个字节。在首先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的义务跳转指令覆盖。

图 12形式描述

亚洲必赢手机 18

图12的主意表槽指向的代码举办反汇编,突显了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化呈现。

Method2:

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

今昔大家执行此办法,然后反汇编相同的地方:

!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

在此地方,只有起头5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法子描述的数量。“!u”命令不明白那一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的所有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的相持虚地址(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挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法门描述的情节:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

办法的这一个标志域的编码包含了点子的档次,例如静态,实例,接口方法仍然COM实现。让我们看方法表另外一个繁杂的上边:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂,让托管环境觉得这点看起来大概。然后,我们将表明接口咋样开展布局和基于接口的艺术分派的方便工作办法。

亚洲必赢手机 19
接口虚表图和接口图

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

在章程表的第12字节偏移处是一个重要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个用到程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创立。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个记下。假若MyInterface1被多少个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的起首地点,如图9所示。这是接口方法分派发生时采取的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图信息创制,接口图在情势表布局过程中基于类的元数据创制。一旦类型加载成功,唯有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在点子表中的接口消息记录。在这种场馆下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的先河4个字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个声明占用(0象征从父类派生,1代表由近日类实现)。在注明后的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先河编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起头槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来暴发这么的效力:每个接口有和好的兑现,可是物理映射到平等的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

依据接口的法子分派通过接口虚表举办,而平素的办法分派通过保留在各类槽的点子描述地址进行。如往日提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起头2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到这点:

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

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

这个反汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法没有采纳偏移。JIT编译器把办法描述的地址直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表暴发,和一向分派相相比需要有些卓殊的下令。一个命令用来取得接口虚表的地址,另一个赢得形式槽表中的接口实现的起始槽。而且,把一个目的实例转换为接口只需要拷贝this指针到目标的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

亚洲必赢手机 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

今昔我们看看虚分派,并且和根据接口的分摊举行相比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个定位的槽编号暴发,和艺术表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在情势表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的法门调用被分摊到子对象的贯彻。反汇编彰显了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

亚洲必赢手机 21
静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的紧要组成部分。作为艺术表的一局部,它们分配在格局表的槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对于协会和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创制的对象引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上创设的靶子实例。一旦成立后,句柄表内的对象引用会使堆上的对象实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

亚洲必赢手机 22
EEClass

EEClass

EEClass在章程表创造前先导生活,它和措施表组成起来,是类别注脚的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),只不过因为使用频度的不同而被分开。平日应用的域放在方法表,而不通常利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的新闻(如名字,域和摇头)在EEClass中,不过运行时需要的音讯(如虚表槽和GC新闻)在点子表中。

对每一个品种会加载一个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使用这一个网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的组成。在执行托管代码的经过中,新的EEClass节点被参加,节点的涉嫌被补充,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的关联。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,请参见图13

图13只显示了和这一个议论相关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,大家没有在图中至极突显偏移。EEClass有一个直接的对于艺术表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的累累堆分配的办法描述块。在章程表创立时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音信。EEClass在选拔程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的举行内存分页管理,因而削减了办事集。

图13 EEClass 布局

亚洲必赢手机 23

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。我们现在看望使用SOS输出的EEClass的真的的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先采纳命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的第一个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在我们拿到了EEClass的地址,咱们输出EEClass:

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

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

图13和DumpClass的出口看起来完全一样。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,可以清楚图13彰显的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(能够被虚分派的主意)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们可以在经过接口举行摊派时被认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor参加到列表中,你会拿走总共10个艺术。最终列出的是类的三个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

亚洲必赢手机 24
Conclusion结论

结论

俺们关于CLR一些最关键的内在的探讨旅程终于终止了。彰着,还有不少题目亟需涉及,而且亟需在更深的层系上钻探,但是我们希望这可以帮忙您看看东西咋办事。这里提供的成百上千的音信或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,可是即便本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保持不变。

随着通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下开发应用程序的首选架构,对其进行深入精通会襄助您建立有效的工业强度的应用程序。在本文中,我们将探索CLR内部,包括对象实例布局,方法表布局,方法分派,基于接口的分担和见仁见智的数据结构。

我们将使用C#编辑的简要代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处研究的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,但是最紧要概念应该保障不变。我们采用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩大Son of Strike
(SOS)来查阅本文商讨的数据结构。SOS领会CLR的内部数据结构并出口有用音讯。请参见“Son
of Strike”补充资料,精通什么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的历程空间。本文中,大家将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有照应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将扶持你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的布局。

在我们初叶前,请小心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1得力(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的情景下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改动,所以请不要在构建软件时倚重于这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会成立多个应用程序域。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。它们只能由CLR启动进程创设,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如图2所示,那一个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是应用了单件(Singleton)情势。第六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。其它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接口创立。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数额创设五个域。

亚洲必赢手机 25

2 由CLR启动程序成立的域

亚洲必赢手机 26回去页首

系统域(System Domain)

系统域负责创设和最先化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且怜惜过程范围里边使用的隐含或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的处理措施显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采取此特性。固然如此,由于在装有的施用程序域中对一个特定的号子只保留一个应和的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还负责发生过程范围的接口ID,并用来创建每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保持跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的效能。

亚洲必赢手机 27归来页首

共享域(Shared Domain)

负有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是必要的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的主导项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被先行加载到本域中。用户代码也得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。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是采纳System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个选取基地址作为目录的程序集映射图,此映射图作为管理共享程序集看重关系的查找表,这一个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其余在托管代码中成立的采取程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

亚洲必赢手机 28重返页首

默认域(Default Domain)

默认域是运用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。尽管有些应用程序需要在运作时创制额外的使用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展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作期间只成立一个域。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两个利用程序域,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选取System.ContextBoundObject派生的门类创制。每个应用程序域有友好的平凉描述符(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。

亚洲必赢手机 29回去页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效益是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的全部生命期内存在的构件。那多少个堆的加强基于可预测块,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)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次驾驭域后,我们准备看看它们在一个粗略的应用程序的内外文中的情理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看Son
of
Strike
打探SOS的加载消息)。这里是编辑后的输出:

!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

俺们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为“山姆(Sam)ple1.exe”的使用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是主导系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡屡堆,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。

出口没有显得加载器堆的保存尺寸和已交给尺寸。高频堆的起初化大小是32KB,每趟提交4KB。SOS的输出也未曾彰显接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域先河化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,起始时交由4KB。我们将会在连续部分探讨项目布局时商讨IVMap的含义。

图2来得默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于仍旧领先85000字节的对象),它表明了这多少个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器暴发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目标堆是用于托管对象实例化的废料回收堆。

亚洲必赢手机 30回来页首

类别原理

品类是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以运用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数项目由程序员显式创设,但是,在专门的交互操作(interop)情况和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这多少个爆发的项目涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家经过一个带有对象引用的栈开始研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例开端生命期的地点)。图4中突显的代码包含一个简单的先后,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的序列实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目的堆创造对象。尽管这是一段无聊的代码,可是可以扶持我们开展座谈。

图5来得了停止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的情况下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数依照从右到左的逐一入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以定点大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分配的靶子的地点。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么着,它蕴含了一个对象实例的地点,我们将运用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

亚洲必赢手机 31

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

相似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为_largeObj的字节数组(注意,图中显示的大大小小为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的目的的拍卖和小目的不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目标在相似GC堆上创设,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会缩短,而GC堆在GC回收时举办削减。还有,LOH只会在一齐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。每个讲明的品类有一个方法表,而平等类型的具备指标实例都针对同一个方法表。它含有了类其余风味音信(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。

办法表指向一个名为EEClass的严重性数据结构。在艺术表创设前,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。这一个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。加载器堆和行使程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到个中,就直到应用程序域卸载时才会不复存在。而且,默认的使用程序域不会被卸载,所以那么些代码的生存期是结束CLR关闭停止。

亚洲必赢手机 32归来页首

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上创办。图6来得了一个顶级的目的布局。一个对象可以通过以下途径被引述:基于栈的一部分变量,在相互操作仍旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行情势时的this指针和模式参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的起首地点,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起初计数的syncblk编号。因为通过索引举行连接,所以在急需扩张表的大刻钟,CLR可以在内存中移动这个表。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对象的兼具实例使用的有效性的信息。这一个新闻包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和行使程序域的目录。对于大部分的靶子实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这一点在执行线程遭受如lock(obj)或者obj.GetHashCode的语句时会发生变化,如下所示:

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

在上述代码中,smallObj会使用0作为它的起首的syncblk编号。lock语句使得CLR创设一个syncblk入口并接纳相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩充为try-finally语句并拔取Monitor类,一个看成同步的Monitor对象在syncblk上制造。堆GetHashCode的调用会使用对象的哈希编码扩张syncblk。

在SyncBlock中有其他的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时使用,不过这和出色的目标用处无关。

类型句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了保障连续性,我会在印证实例变量后研讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认情形下,实例域会以内存最管用使用的措施排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码展现了SimpleClass包含有一对不同大小的实例变量。

图8展现了在Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。大家在图7的return语句处设置了断点,然后拔取ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口体现对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为大家从不用别样共同代码应用此实例(也没有访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的对象实例,指向起初地点的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块。两个short类型变量s1和s2也被排列在联名。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分红的实际的字符串实例。字符串是一个特地的品种,因为有着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相同实例。这么些过程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的应用。大家事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不能采取是否选拔这多少个进程,虽然未来版本的CLR可能会提供这么的力量。

从而默认状况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的景观下,词典顺序必须被保留到内存中,这时能够采纳StructLayoutAttribute特性,它有一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以为被封送(marshaled)数据保持词典顺序,即使在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(可是.NET Framework
2.0可能会这么做)。在交互操作的事态下,假设你实在需要十分的填充字节和显示的控制域的各种,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,我们采取SOS看看对象实例。一个卓有效用的吩咐是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个专程类型的具备实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以体现大家创立的绝无仅有一个实例的地点。

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

对象的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的目标引用。SimpleClass的实例变量只占用28字节,其余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,我们得以应用DumpObj命令输出它的始末,如下所示:

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

正如往日说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会采纳LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家得以应用ObjSize来输出包含被str实例占用的半空中,如下所示:

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

假若您从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重缓急(36字节),就足以拿走str的大大小小,即36字节。让大家输出str实例来注明那些结果:

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

倘诺您将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的高低(36字节),就足以获取ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不精晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这些命令报告。

本着方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创立前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则开展加载,得到方法表地址,创立对象实例,然后把品种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行使项目句柄来稳定方法表。CLR在急需史可以通过措施表反向访问加载类型时使用项目句柄。

亚洲必赢手机 33归来页首

方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目标的率先个实例创立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情景,而艺术表表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器发生的炫耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯和外挂的新闻可以通过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中能够透过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的连串句柄指向方法表初叶地点的撼动处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC新闻。咱们不打算在这里对其进展研商。

图9来得了艺术表的超人布局。大家会注明项目句柄的局部关键的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)开头,因为它直接关系到运行时的内存状态。

亚洲必赢手机 34归来页首

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的靶子的高低,基于代码中声称的域。以前已经研讨过,当前GC的兑现内需一个最少12字节的靶子实例。假若一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和品种句柄占用。再说四遍,对象的轻重缓急会碰到StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有六个接口)的办法表的内存快照(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字节的偏移处,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

亚洲必赢手机 35归来页首

方法槽表(Method Slot Table)

在格局表中蕴含了一个槽表,指向各种艺术的叙说(MethodDesc),提供了序列的行为能力。方法槽表是依据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。

类加载器在现阶段类,父类和接口的元数据中遍历,然后创制方法表。在排列过程中,它替换所有的被掩盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创立新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必备的,它可以让各样接口有协调的微小的vtable。可是被复制的槽指向平等的物理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为所有没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为我们定义并初叶化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10显示了MyClass的章程表的布局。布局展现了10个措施,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会开展研究。图11来得了MyClass的方法表的SOS的出口。

其他类型的开头4个章程总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这几个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,然而都对准相同的措施描述。代码突显定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

亚洲必赢手机 36归来页首

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的点子实现的一个包装。有几体系型的法门描述,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,大家只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中生出,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呈现了一个头名的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的不二法门描述数据结构。对于实际的格局描述,那是-5字节的晃动,是每个方法的8个附加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的指令。5字节的撼动可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的地方前面的5个字节。在首先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

亚洲必赢手机 37

图12 方法描述

对图12的办法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展现。

!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

前天我们履行此措施,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,唯有开首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的情势描述的数量。“!u”命令不通晓这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的具有东西。

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。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让大家从列出的函数中选拔一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的点子描述的情节:

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

编译后,方法描述的情节如下:

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

主意的这几个标志域的编码包含了点子的品种,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让我们看方法表此外一个复杂的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂,让托管环境觉得这或多或少看起来简单。然后,大家将评释接口如何举行布局和按照接口的章程分派的卓殊工作方法。

亚洲必赢手机 38回来页首

接口虚表图和接口图

在模式表的第12字节偏移处是一个关键的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个行使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制造。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个记录。假诺MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的上马地点,如图9所示。这是接口方法分派暴发时利用的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图新闻创设,接口图在措施表布局过程中基于类的元数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在艺术表中的接口音信记录。在这种场地下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的起始4个字节指向MyInterface1的体系句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0意味着从父类派生,1意味由近日类实现)。在声明后的WORD是一个起来槽(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,起首槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来发出如此的法力:每个接口有协调的落实,可是物理映射到同样的方法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的兑现。

基于接口的章程分派通过接口虚表举行,而直白的措施分派通过保留在逐一槽的艺术描述地址举办。如以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,最先2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到那或多或少:

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

这么些反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有运用偏移。JIT编译器把办法描述的地方直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表暴发,和直接分派相比较需要有的极度的通令。一个命令用来赢得接口虚表的地址,另一个取得格局槽表中的接口实现的起首槽。而且,把一个目的实例转换为接口只需要拷贝this指针到对象的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个下令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

亚洲必赢手机 39回去页首

虚分派(Virtual Dispatch)

当今大家看看虚分派,并且和按照接口的分摊举行比较。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暴发,和办法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在艺术表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的不二法门调用被分摊到子对象的落实。反汇编呈现了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这一点。

亚洲必赢手机 40重返页首

静态变量

静态变量是办法表数据结构的首要组成部分。作为艺术表的一有的,它们分配在艺术表的槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对于社团和引用的类别的静态值对象,通在句柄表中创立的目的引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句柄表的对象引用,它引用了堆上创建的目的实例。一旦创造后,句柄表内的目的引用会使堆上的靶子实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的对象引用,后者指向GC堆上的MyString。

亚洲必赢手机 41再次来到页首

EEClass

EEClass在点子表创设前最先生活,它和形式表组成起来,是体系阐明的CLR版本。实际上,EEClass和方法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只然则因为使用频度的例外而被分别。平时应用的域放在方法表,而不平常利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和摇头)在EEClass中,然而运行时需要的音讯(如虚表槽和GC消息)在模式表中。

对每一个序列会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个被实践引擎跟踪的树的节点。CLR使用这一个网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的结缘。在实施托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的关联被补充,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个程度的涉嫌。EEClass有多少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只呈现了和这些议论相关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们没有在图中异常显示偏移。EEClass有一个间接的对于艺术表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的累累堆分配的主意描述块。在艺术表创立时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在行使程序域的低频堆分配,这样操作系统能够更好的进展内存分页管理,因而裁减了工作集。

亚洲必赢手机 42

图13 EEClass 布局

图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。大家现在看望使用SOS输出的EEClass的的确的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次序。首先使用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:\Working\test\ClrInternals\Sample1.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。现在大家获取了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,可以领悟图13展现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(能够被虚分派的点子)。虽然Method1和Method2不是虚方法,它们可以在经过接口举行摊派时被认为是虚函数并参预到列表中。把.cctor和.ctor参与到列表中,你会获取总共10个点子。最终列出的是类的两个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

亚洲必赢手机 43重临页首

Conclusion结论

我们关于CLR一些最根本的内在的探讨旅程终于截至了。彰着,还有好多题目亟需涉及,而且亟需在更深的层次上商量,可是我们期望这足以扶持您看到东西如何做事。这里提供的好多的音讯或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,可是虽然本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该维持不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软明天的角色是帮助客户基于.NET框架建立可增添的组件框架。可以因此hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软支付匡助高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩大(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛特(Charlotte),可以由此tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者卢克(Luke)是微软公司的软件工程师,习惯使用C++和C#支付应用程序。闲暇时光他喜爱音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的篇章和其余开发者共享。能够由此ecaijw@msn.com联系她。

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