深刻探索.NET框架中了解CLR如何创造运行时对象。深入探索.NET框架内了解CLR如何创建运行时对象。

by admin on 2018年10月5日

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发布日期: 9/19/2005
原文已经深受 Microsoft
删除了,收集过程被发觉多篇章图都非净,那是因原文的图都未统,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的处
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 色原理
  • 目标实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 道槽表(Method Slot
    Table)
  • 计描述(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。
  • 对象布局和内存细节。
  • 方法发明布局。
  • 办法分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为当Windows上创办应用程序的支柱级基础架构,
多掌握点关于CLR的纵深认识会帮您构建高效的, 工业级健壮的应用程序.
在马上篇稿子被, 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, 基于接口的分摊, 和五光十色的数据结构.

俺们见面下由C#写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#语言为对象的.
讨论的局部数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0挨改变,
但是大部分底概念是免见面更换的. 我们会利用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出有因此之信息. 通篇,
我们会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中负有相关兑现之近乎, 你得从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥及它们.

图表1 会帮助您在查找一些结构的时节到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

在咱们开始前,请小心:本文提供的音只有对以X86平台及运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0啊多数适用,只是当好几交互操作的景况下必小心例外),对于.NET
Framework
2.0会面来改变,所以要不要以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)创建的地段

CLR启动程序(Bootstrap)创建的处

于CLR执行托管代码的第一履行代码前,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。它们只能由CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正使 图2
所示,这些地带是系统域(System Domain)和齐享域(Shared
Domain),都是用了么(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,也是绝无仅有的产生命名的地段。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实施映象文件的名做。其它的所在可以以托管代码中运用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者当非托管的代码中行使ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会冲应用程序的多少创建多个域。

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)

系统域负责创建同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,并且保护过程范围之中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遭受的一个优化特性,它的处理办法显得略微傻,因为CLR没有让程序集时选择这特性。尽管如此,由于在享有的应用程序域中对一个一定的记只保留一个对应的字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还承担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。系统域在经过中保障跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的功效。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

装有非属其他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不可或缺的。它会叫电动加载到一起享域中。系统命名空间的核心项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程遭到吃优先加载到本域中。用户代码也堪叫加载到之域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时采用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗得以加载代码到一同享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个应用基地址作为目录的次第集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集于加载到默认域(DefaultDomain)和外在托管代码中开创的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

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其中运行。尽管稍应用程序需要以运行时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一的运作时代码生成工作的应用程序),大部分底应用程序在运作中只有创造一个处。所有在此域运行的代码都是于地区层次上发上下文限制。如果一个应用程序有差不多个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息方可行使System.ContextBoundObject派生的型创建。每个应用程序域有温馨之安康描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次集缓存。

图片 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的作用是加载不同之周转时CLR部件和优化在域的漫天生命期内设有的预制构件。这些堆的滋长基于可预测块,这样好要碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对如多处理器上的大半只堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在数堆上,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)。

于大层次了解域后,我们准备看看它于一个简约的应用程序的光景文中的大体细节,见
图3。我们以程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音。(请查看
Son of
Strike
询问SOS的加载信息)。这里是编后底输出:

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();
    }
}

俺们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个曰吧”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到齐享域,不过为其是骨干系统库,所以呢以系统域中列有。每个域会分配一个勤堆,低频堆和代理堆。系统域和同步享域使用相同的切近加载器,而默认应用程序使用自己之近乎加载器。

出口没有显得加载器堆的保存尺寸和已经交付尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为并未出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(简称也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,开始时交由4KB。我们以见面在此起彼伏有研究型布局时讨论IVMap的义。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和生目标堆(用于大小相等还是超过85000字节的目标),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指令以保留至JIT代码堆着。GC堆和酷目标堆是用以托管对象实例化的排泄物回收堆。

图片 7
路原理

路原理

型是.NET编程中之中心单元。在C#着,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建,但是,在特意的互动操作(interop)情形与长途对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发类型,这些发生的类别涵盖COM和运行时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们通过一个带有对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个靶实例开始生命期的地方)。
图4遭逢显的代码包含一个大概的次,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的档次实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何以特别目标堆创建对象。尽管当时是同样截无聊之代码,但是可以助我们进行讨论。

图4 Large Objects and Small Objects

using System;

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

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

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

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

图5 显示了止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明当恐的气象下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数按照从右到左的次第入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内富含在库房结构被。引用类型变量如smallObj以一贯大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了于一般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;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它富含了一个目标实例的地址,我们将下术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的库结构及积聚

图片 8

诚如GC堆上之smallObj对象实例包含一个叫吧 _largeObj
的字节数组(注意,图被展示的大小也85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对过或等85000字节的对象的拍卖和有些目标不同。大目标在那个目标堆(LOH)上分红,而稍目标在相似GC堆上创造,这样好优化对象的分红和回收。LOH不会见打折扣,而GC堆在GC回收时进行压缩。还有,LOH只会以全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,而同等档的有着目标实例都针对同一个方法表。它富含了路的性状信息(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,方法发明的扇(slot)数目,指向相应实现之槽表。

主意表指向一个称作也EEClass的主要数据结构。在法发明创建前,CLR类加载器从元数据中创造EEClass。
图4蒙,SmallClass的方式表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在一道享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦为加载到里头,就直到应用程序域卸载时才会磨灭。而且,默认的应用程序域不见面吃卸载,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

刚刚而我们说罢之,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
显示了一个名列前茅的目标布局。一个目标好经过以下途径为引用:基于栈的局部变量,在互动操作还是平台调用情况下之词柄表,寄存器(执行方式时之
this 指针和方参数),拥有终结器( finalizer )方法的目标的终结器队列。
OBJECTREF 不是依为目标实例的开头位置,而是发一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对准 SyncTableEntry 表的目(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为通过索引进行连续,所以于得增加表的高低时, CLR
可以在内存中活动是表。 SyncTableEntry 维护一个反向的去世引用,以便 CLR
可以跟 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以在并未其他强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个对
SyncBlock
的指针,包含了酷少要被一个目标的保有实例使用的得力之音。这些信包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据以及应用程序域的目。对于绝大多数之靶子实例,不见面吧实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这无异点于履行线程遇到如
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

于以上代码中, smallObj 会动 0 作为它们的原初的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并采用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句子并以 Monitor 类,一个作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创设。堆 GetHashCode
的调用会使对象的哈希编码增加 syncblk 。
以 SyncBlock 中起另外的域,它们以 COM 交互操作以及封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时以,不过这同独立的靶子用处无关。
列句柄紧跟以对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会以征实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟以项目句柄后。默认情况下,实例域会为内存最得力利用的章程排列,这样就待极少的作为对一起的填充充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有有不等大小的实例变量。

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 显示了于 Visual Studio 调试器底内存窗口被的一个 SimpleClass
对象实例。我们以图 7 的 return 语句处设置了断点,然后使用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址以内存窗口亮对象实例。前 4 独字节是 syncblk
编号。因为我们没有就此别样共同代码用是实例(也从没看它的哈希编码),
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 被一个接入一个底排于一道。两只
short 类型变量 s1 和 s2 也被排于一齐。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的实际上的字符串实例。字符串是一个特别的型,因为有着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同实例。这个进程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的采用。我们事先曾提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可知选是否动此过程,尽管未来版本的 CLR
可能会见供这么的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

为此默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在彼此操作的场面下,词典顺序必须让封存及外存中,这时可以行使
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以啊为封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管以 .NET Framework 1.1
中,它从不影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见如此做)。在竞相操作的情事下,如果你真需要格外的填写充字节和展示的控制域的顺序,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次之 FieldOffset 特性一起用。

圈罢脚的内存内容后,我们应用 SOS 看看对象实例。一个实惠的下令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容及一个专门类型的富有实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以展示我们创建的唯一一个实例的地址。

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

目标的总大小是 36 字节,不管字符串多颇, SimpleClass 的实例只包含一个
DWORD 的目标引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其它 8
单字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地址后,我们得以采取 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

刚巧使前说了, C# 编译器对于接近的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织使 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以无限小化填充字节。我们好用 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)

倘若你于目标图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的高低( 36
字节),就可以获取 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

倘您用字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的深浅(36字节),就足以博ObjSize命令语的究竟大小72字节。

求小心ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1备受,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;因此其不会见为这个令语。

对方法发明底种句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创建前,CLR查看加载类型,如果没有找到,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拓展方式分派时采用项目句柄来恒定方法表。CLR在用史可以经措施表反向顾加载类型时以类句柄。

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 安装程序的同等片,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
所当的文书夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后于 Immediate 窗口被执 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的片段令,关于SOS更多信息,参考这里。

图片 12
方法表

方法表

每个接近与实例在加载到应用程序域时,会当内存中通过艺术表来表示。这是在目标的率先单实例创建前之好像加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到吃语言编译器产生的炫耀到内存的首批数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音以及外挂的音方可由此System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中可以经过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的路句柄指向方法发明开位置的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算当这里针对该展开座谈。

图 9
显示了办法发明的卓越布局。我们会证明项目句柄的有要害的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让咱们打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它们一直关乎及运行时的内存状态。

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大大小小,基于代码中扬言的地方。之前就讨论了,当前GC的贯彻内需一个起码12字节的靶子实例。如果一个类似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只字节被针对象头(可能带有syncblk编号)和花色句柄占用。再说一不好,对象的分寸会蒙StructLayoutAttribute的影响。

看看图3被形的MyClass(有有限个接口)的方法发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将其与SOS的输出进行较。在图9饱受,对象大小在4字节之撼动处,值也12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

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

图片 15
办法槽表(Method Slot Table)

办法槽表(Method Slot Table)

以点子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。方法槽表是因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。

仿佛加载器在目前接近,父类和接口的老大数据被遍历,然后创建方法表。在排过程遭到,它替换所有的吃埋的虚方法和吃埋伏的父类方法,创建新的槽,在用时复制槽。槽复制是少不了的,它可以叫每个接口有协调的极度小的vtable。但是给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)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具有没有产生显式定义构造函数的靶子自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变一个近乎构造函数。图10显了MyClass的道发明底布局。布局显示了10单方法,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的方式发明的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
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图11 SOS Dump of MyClass Method Table

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

其余项目的启4单艺术总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是由System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是都指向相同之章程描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别同静态方法与实例方法分在同样组。

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法描述(MethodDesc)

术描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)是CLR知道的方式实现之一个卷入。有几乎种植类型的方法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的并行操作实现的调用。在本文中,我们才考察图3代码中之托管方描述。方法描述在相近加载过程中生,初始化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12展示了一个名列前茅的布局,方法发明的扇实际上对代理,而非是实际的办法描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的摆,是每个方法的8单附加字节的如出一辙片。这5只字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。5字节底晃动可以于SOS的DumpMT输出从张,因为方法描述总是方法槽表指向的职位后的5只字节。在第一浅调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5只字节会被超反至JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

图 12措施描述

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图12的点子表槽指向的代码进行反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的相反汇编的简化显示。

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

今我们执行是方,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

在这地点,只有开始5只字节是代码,剩余字节包含了Method2的艺术描述的数码。“!u”命令不了解这或多或少,所以生成的凡烂的代码,你得忽略5个字节后底有着东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。让咱们从列有底函数中选择一个,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,方法描述的内容如下:

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

措施的是标志域的编码包含了措施的品类,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面:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境看就一点关押起大概。然后,我们将证明接口如何进行布局和因接口的不二法门分派的当工作章程。

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接口虚表图和接口图

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

当方发明底第12字节偏移处是一个重点的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一糟加载时创造。每个接口的贯彻还当接口虚表中发出一个记录。如果MyInterface1被简单单近乎实现,在接口虚表表中即使起少只记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的初始位置,如图9所示。这是接口方法分派发生时采用的援。接口虚表是根据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于术发明布局过程中因类的首家数据创建。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章程表中的接口信息记录。在这种情况下,对MyClass实现之有限只接口中的各国一个都起些许久记下。第一久接口信息记录的发端4单字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0表示从今父类派生,1表示是因为时类似实现)。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的子表。对于MyInterface2,开始槽的价为4(从0开始编号),所以槽5和6依为实现;对于MyInterface2,开始槽的价值吗6,所以槽7和8乘为实现。类加载器会于需要常复制槽来来这样的法力:每个接口有谈得来之落实,然而物理映射到同一的法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2与MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

依据接口的方式分派通过接口虚表进行,而直接的方法分派通过保留在逐一槽的法子描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2个参数在可能的时段一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先只参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以当“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

这些反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法无使用偏移。JIT编译器把办法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,和直接分派相比要有外加的指令。一个限令用来博取接口虚表的地方,另一个到手方式槽表中的接口实现之初步槽。而且,把一个目标实例转换为接口就需要拷贝this指针到目标的变量。在祈求2遭受,语句“mi1=mc”使用一个限令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现在咱们省虚分派,并且与冲接口的分摊进行较。以下是图3中MyClass.Method3的心虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个固定的槽编号发生,和措施表指针在一定的类似(类型)实现层次无关。在艺术发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对父亲对象的计调用被分摊到子对象的实现。反汇编显示了分派通过8哀号槽发生,可以当调试器的内存窗口(如图10所出示)和DumpMT的出口看到就一点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的根本部分。作为艺术发明底一模一样有,它们分配在道发明的槽数组后。所有的原静态类型是内联的,而于组织及援的类别的静态值对象,通于句柄表中开创的对象引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的词柄表的靶子引用,它引用了堆积如山上创造的目标实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会如堆上之目标实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的对象引用,后者对GC堆上之MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在点子发明创建前开在,它跟办法发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和方表逻辑上是一个数据结构(它们并表示一个项目),只不过因为以频度的差而被分别。经常采取的域放在方法表,而无经常使用的地区于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信(如名字,域和摇头)在EEClass中,但是运行时欲的音信(如虚表槽和GC信息)在术表中。

对各级一个项目会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个吃实施引擎跟踪的养之节点。CLR使用此网络以EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次与类加载顺序的构成。在履行托管代码的历程被,新的EEClass节点被投入,节点的干让填补,新的涉嫌被起。在网中,相邻之EEClass还有一个程度的关系。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被之MyClass上下文中的EEClass的语义,请参见图13

图13只是展示了跟这个议论相关的一些域。因为咱们忽略了布局中之一对所在,我们从来不当觊觎备受当显示偏移。EEClass有一个间接的对于措施发明的援。EEClass也对于默认应用程序域的多次堆分配的措施描述块。在法发明创建时,对过程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,这样操作系统可以另行好的开展内存分页管理,因此削减了办事集。

图13 EEClass 布局

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图13中之其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不谈自明。我们本看望用SOS输出的EEClass的确实的物理内存。在mc.Method1代表码行设置断点后,运行图3的次。首先以命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的率先只参数时模块名,可以由DumpDomain命令得到。现在咱们赢得了EEClass的地址,我们输出EEClass:

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

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

图13和DumpClass的出口看起了一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了当模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从互动邻链指为名吧Program的EEClass,可以解贪图13显得的是加载Program时的结果。

MyClass有8独虚表槽(可以吃虚分派的方)。即使Method1和Method2未是虚方法,它们可在经接口进行摊派时于认为是虚函数并参加到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面取得总共10单办法。最后列有之是相仿的有限独静态域。MyClass没有实例域。其它地方不摆自明。

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Conclusion结论

结论

俺们关于CLR一些绝着重之内在的探讨旅程算结束了。显然,还有不少题材亟需涉及,而且用在更要命的层系上谈论,但是咱愿意马上可扶持你看到东西如何做事。这里提供的洋洋底消息可能会见当.NET框架和CLR的新兴版本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保障不更换。

趁着通用语言运行时(CLR)即将成为以Windows®生开应用程序的首选架构,对该进行深刻了解会帮助你建中之工业强度的应用程序。在本文中,我们拿探索CLR内部,包括对象实例布局,方法发明布局,方法分派,基于接口的分担和见仁见智之数据结构。

咱拿使用C#编排的概括代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见以Microsoft®
.NET Framework 2.0挨改,但是要概念应该维持无转换。我们用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查阅本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的里数据结构并出口有因此信息。请参考“Son
of Strike”补充材料,了解什么拿SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的历程空间。本文中,我们将叙在共同享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有相应实现之近乎,你得自msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1拿扶持你以SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

当咱们初步前,请留心:本文提供的信息但对以X86平台上运行的.NET Framework
1.1卓有成效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的景下要小心例外),对于.NET
Framework
2.0见面时有发生改动,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)创建的地域

在CLR执行托管代码的首先推行代码前,会创造三独应用程序域。其中有数独对托管代码甚至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,这些地区是系统域(System
Domain)和同步享域(Shared
Domain),都是下了单个(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的发命名的处。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而尽映象文件之讳做。其它的地区可以当托管代码中采用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中运用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数据创建多个域。

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2 由CLR启动程序创建的地域

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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,并且保护过程范围之中采用的盈盈或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1面临的一个优化特性,它的处理方式显得略微傻,因为CLR没有吃程序集时选择这特性。尽管如此,由于在具有的应用程序域中对一个一定的号只保留一个相应的字符串,此特性可节约内存空间。

系统域还背负产生过程范围的接口ID,并就此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过遭到保障跟踪所有域,并实现加载与卸载应用程序域的法力。

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共享域(Shared Domain)

有未属另外特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于有应用程序域的用户代码都是必备的。它见面吃自动加载到一起享域中。系统命名空间的主导型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被受事先加载到本域中。用户代码也可被加载到者域中,方法是当调用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同享域中,方法是运用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的主次集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,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。

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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运行。尽管小应用程序需要在运作时创造额外的应用程序域(比如小使用插件,plug-in,架构或者进行第一之运行时代码生成工作之应用程序),大部分的应用程序在运转中就创造一个地段。所有以此域运行的代码都是于地区层次上有上下文限制。如果一个应用程序有多个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可应用System.ContextBoundObject派生的路创建。每个应用程序域有投机之安康描述符(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,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的来意是加载不同之运作时CLR部件和优化在域的上上下下生命期内是的构件。这些堆的提高基于可预测块,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的几近单堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在数堆上,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)。

从今大层次了解域后,我们准备看看它于一个简约的应用程序的左右文中的大体细节,见图3。我们以程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音。(请查看Son
of
Strike
询问SOS的加载信息)。这里是编后底输出:

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

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个叫作吧“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一同享域,不过为其是核心系统库,所以呢以系统域中列有。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代理堆。系统域和齐享域使用相同的切近加载器,而默认应用程序使用自己之近乎加载器。

出口没有出示加载器堆的保存尺寸和已经交付尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为未尝亮接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(简称也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,开始时提交4KB。我们以见面在连续有研究型布局时讨论IVMap的意思。

图2来得默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和非常目标堆(用于大小等或超过85000字节的目标),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堆和老目标堆是用以托管对象实例化的废料回收堆。

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路原理

型是.NET编程中的核心单元。在C#吃,类型可以运用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数档次由程序员显式创建,但是,在特意的互相操作(interop)情形与长途对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些有的项目涵盖COM和运作时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱通过一个富含对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个靶实例开始生命期的地方)。图4遭受展示的代码包含一个大概的次第,它产生一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的类型实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何以非常目标堆创建对象。尽管当时是一致截无聊之代码,但是可助我们开展讨论。

图5来得了止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明当可能的场面下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数按照从右到左的依次入栈,然后由叫调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含有在仓房结构被。引用类型变量如smallObj以固定大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了于一般GC堆着分红的对象的地点。对于风俗习惯C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它蕴含了一个目标实例的地址,我们将运术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

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图5 SimpleProgram的库结构与积聚

一般GC堆上之smallObj对象实例包含一个名叫吧_largeObj的字节数组(注意,图被显得的大小也85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对过或等85000字节的靶子的拍卖以及不怎么目标不同。大目标在充分目标堆(LOH)上分红,而稍目标在相似GC堆上创造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会见打折扣,而GC堆在GC回收时进行压缩。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。每个声明的种类有一个方法表,而相同品种的拥有目标实例都指向同一个方法表。它富含了种类的特色信息(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,方法发明的扇(slot)数目,指向相应实现之槽表。

计表指向一个名也EEClass的重中之重数据结构。在措施发明创建前,CLR类加载器从元数据中创造EEClass。图4被,SmallClass的法表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在同享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦为加载到里头,就直到应用程序域卸载时才会消退。而且,默认的应用程序域不见面吃卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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靶实例

赶巧而我们说罢之,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显示了一个天下无双的目标布局。一个目标足以由此以下途径为引用:基于栈的一些变量,在彼此操作还是平台调用情况下的语句柄表,寄存器(执行方式时之this指针和措施参数),拥有终结器(finalizer)方法的目标的终结器队列。OBJECTREF不是指为目标实例的始位置,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(从1上马计数的syncblk编号。因为通过索引进行连接,所以于用增加表的轻重时,CLR可以在内存中移动是发明。SyncTableEntry维护一个反向的已故引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以以没有任何强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了好少得吃一个靶的享有实例使用的实惠的信。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据及应用程序域的目录。对于大多数之目标实例,不会见呢实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这等同碰在推行线程遇到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言辞时会发生变化,如下所示:

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

以上述代码中,smallObj会要用0作为其的开头的syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并以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,一个看作同步的Monitor对象在syncblk上创造。堆GetHashCode的调用会动对象的哈希编码增加syncblk。

在SyncBlock中有其他的域,它们于COM交互操作与封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时使用,不过当下跟超绝的对象用处无关。

种句柄紧跟以目标实例中的syncblk编号后。为了保连续性,我会以证明实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟以档次句柄后。默认情况下,实例域会因为内存最有效应用的不二法门排列,这样光需要极少的当对联合之填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一些异大小的实例变量。

图8来得了以Visual
Studio调试器的内存窗口被的一个SimpleClass对象实例。我们于图7的return语句处设置了断点,然后使ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口亮对象实例。前4单字节是syncblk编号。因为我们从不因此外共同代码用这实例(也无看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存于栈变量的靶子实例,指为起始位置的4只字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3同b4深受一个连通一个的排于齐。两个short类型变量s1和s2也叫排在同。字符串变量str是一个4字节底OBJECTREF,指为GC堆中分红的实在的字符串实例。字符串是一个专程的种类,因为有包含同样仿标记的字符串,会当次集加载到过程时对一个大局字符串表的同一实例。这个过程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的行使。我们事先都提过,在NET Framework
1.1着,程序集不能够挑是否利用这个进程,尽管未来版的CLR可能会见供这么的能力。

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。在相互操作的状况下,词典顺序必须吃保存到外存中,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可以吗叫封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管当.NET
Framework 1.1被,它并未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0或会见这样做)。在彼此操作的图景下,如果你实在用额外的填充充字节和显示的控制域的依次,LayoutKind.Explicit可以和域层次之FieldOffset特性一起利用。

关押罢脚的内存内容后,我们利用SOS看看对象实例。一个可行的吩咐是DumpHeap,它好列出所有的积聚内容和一个特意类型的备实例。无需靠寄存器,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

靶的终究大小是36字节,不管字符串多要命,SimpleClass的实例只含一个DWORD的靶子引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8独字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地方后,我们好使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

恰使前说过,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比小化填充字节。我们得动用ObjSize来输出包含被str实例占用的长空,如下所示:

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

只要您打目标图的全局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重(36字节),就好取str的高低,即36字节。让咱输出str实例来验证这个结果:

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

假设你以字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可取得ObjSize命令语的毕竟大小72字节。

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

对方法发明底档次句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创建前,CLR查看加载类型,如果没有找到,则展开加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后把项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在拓展艺术分派时采取项目句柄来恒定方法表。CLR在需要史可以经过措施表反向顾加载类型时采用类句柄。

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方法表

每个接近以及实例在加载到应用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。这是当靶的第一独实例创建前之类似加载活动之结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到为语言编译器产生的照射到内存的正负数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的信及外挂的信方可通过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中得经Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的品类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。我们无打算于此针对其开展讨论。

图9显了章程发明底天下第一布局。我们见面证明项目句柄的片段重中之重的域,但是于截然的列表,请参见此图。让咱由基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为其直接关乎及运行时之内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由于接近加载器计算的目标的大大小小,基于代码中宣称的地方。之前都讨论了,当前GC的实现需要一个最少12字节的目标实例。如果一个看似没有定义任何的例域,它起码含有额外的4单字节。其它的8单字节被指向象头(可能含syncblk编号)和花色句柄占用。再说一不良,对象的轻重会中StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3丁显示的MyClass(有三三两两独接口)的措施发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它同SOS的出口进行比较。在图9面临,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

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术槽表(Method Slot Table)

在方式发明中含了一个槽表,指向各个艺术的讲述(MethodDesc),提供了花色的行为能力。方法槽表是根据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。

看似加载器在当前相近,父类和接口的首位数据被遍历,然后创建方法表。在排过程中,它替换所有的受挂的虚方法和被埋伏的父类方法,创建新的槽,在得时复制槽。槽复制是少不了的,它可以被每个接口有和好的绝小的vtable。但是让复制的槽指向平等之情理实现。MyClass包含接口方法,一个像样构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有发生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,编译器会扭转一个类构造函数。图10展示了MyClass的章程发明底布局。布局显示了10单办法,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面开展讨论。图11来得了MyClass的计发明的SOS的输出。

其余项目的始发4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是自System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是还指向相同之点子描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法与实例方法分以平等组。

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艺术描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道之措施实现之一个打包。有几乎种植类型的艺术描述,除了用于托管实现,分别用于不同的并行操作实现之调用。在本文中,我们特考察图3代码中之托管方描述。方法描述在看似加载过程被发生,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亮了一个天下无双的布局,方法发明的槽实际上对代理,而不是实际上的方法描述数据结构。对于实际的法子描述,这是-5字节的摆,是每个方法的8只叠加字节的一致有的。这5独字节包含了调用预编译代理程序的授命。5字节的晃动可以自SOS的DumpMT输出从张,因为方法描述总是方法槽表指向的职务后的5个字节。在率先不好调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

图片 37

图12 方法描述

本着图12的点子表槽指向的代码进行反汇编,显示了针对性预编译代理的调用。以下是以Method2被JIT编译前之相反汇编的简化显示。

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

今咱们实行之方法,然后倒汇编相同之地址:

!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

于这地点,只有开始5只字节是代码,剩余字节包含了Method2的不二法门描述的数码。“!u”命令不理解这或多或少,所以生成的凡烂的代码,你可以忽略5个字节后之备东西。

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。在比如要求编译后,CLR以编译后的代码地址更新此域。让咱由列有之函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法子描述的内容:

!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

计的是标志域的编码包含了道的档次,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让咱看方法表另外一个错综复杂的地方:接口实现。它包裹了布局过程具有的扑朔迷离,让托管环境看就或多或少扣押起大概。然后,我们拿证明接口如何进行布局以及依据接口的法子分派的适合工作章程。

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接口虚表图和接口图

每当艺术发明的顺序12字节偏移处是一个要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次等加载时创造。每个接口的兑现都于接口虚表中发生一个笔录。如果MyInterface1被简单个像样实现,在接口虚表表中即发生少单记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的初始位置,如图9所示。这是接口方法分派发生时采用的援。接口虚表是根据方法发明内含的接口图信息创建,接口图在法发明布局过程被冲类的首批数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在点子表中的接口信息记录。在这种情景下,对MyClass实现之一定量只接口中的各个一个还生星星点点条记下。第一条接口信息记录的发端4单字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从今父类派生,1象征是因为目前好像实现)。在表明后底WORD是一个始发槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现之子表。对于MyInterface2,开始槽的价为4(从0开始编号),所以槽5和6据于实现;对于MyInterface2,开始槽的价为6,所以槽7和8依赖为实现。类加载器会当得经常复制槽来来这样的成效:每个接口有自己之兑现,然而物理映射到同的方法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2暨MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

根据接口的章程分派通过接口虚表进行,而一直的法分派通过保留在逐个槽的道描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2只参数在或的时刻一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一单参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以于“mov
ecx,esi”语词看到就或多或少:

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

这些倒汇编显示了直调用MyClass的实例方法无以偏移。JIT编译器把艺术描述的地点直接写及代码中。基于接口的分摊通过接口虚表发生,和直接分派相比要有的额外的指令。一个命用来博接口虚表的地方,另一个取得方式槽表中的接口实现之始发槽。而且,把一个靶实例转换为接口就待拷贝this指针到目标的变量。在觊觎2受,语句“mi1=mc”使用一个命把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

今天咱们看看虚分派,并且和因接口的分担进行比。以下是图3中MyClass.Method3的心虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个稳的槽编号发生,和方法表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在方发明布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的落实。结果,对父亲对象的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,可以以调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到就一点。

图片 40回去页首

静态变量

静态变量是方法表数据结构的要组成部分。作为艺术发明底同一片,它们分配在章程发明的槽数组后。所有的本来面目静态类型是内联的,而对于组织和援的花色的静态值对象,通在句柄表中开创的对象引用来对。方法表中的目标引用指向应用程序域的语句柄表的靶子引用,它引用了堆积上创立的对象实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会使堆上之对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的目标引用,后者对GC堆上的MyString。

图片 41回到页首

EEClass

EEClass在术发明创建前开始生活,它和措施发明组成起来,是项目声明的CLR版本。实际上,EEClass和方式表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个种类),只不过因为运用频度的不等而让分手。经常以的域放在方法表,而未常下的地面于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音(如名字,域和摇头)在EEClass中,但是运行时要之音讯(如虚表槽和GC信息)在方式表中。

针对各个一个种类会加载一个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使用这个网络在EEClass结构面临浏览,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-子关系因接口层次与类加载顺序的组合。在履行托管代码的进程遭到,新的EEClass节点被加入,节点的干让补,新的干为立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的关联。EEClass有三个域用于管理为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唯有展示了同这议论相关的一些域。因为咱们忽略了布局中之部分域,我们从没在祈求被适量显示偏移。EEClass有一个间接的对措施发明底援。EEClass也本着于默认应用程序域的一再堆分配的主意描述块。在术发明创建时,对过程堆上分红的地面描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以再好之进展内存分页管理,因此削减了劳作集。

图片 42

图13 EEClass 布局

希冀13惨遭之其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不谈自明。我们本看望用SOS输出的EEClass的审的大体内存。在mc.Method1替码行设置断点后,运行图3的顺序。首先以命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地点。

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

Name2EE的率先单参数时模块名,可以由DumpDomain命令得到。现在咱们收获了EEClass的地址,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)表示了以模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指为名吧Program的EEClass,可以知晓贪图13出示的是加载Program时的结果。

MyClass有8单虚表槽(可以让虚分派的计)。即使Method1和Method2休是虚方法,它们可当经接口进行摊派时受认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面收获总共10个法子。最后列有之凡接近的星星点点单静态域。MyClass没有实例域。其它地区不摆自明。

图片 43返回页首

Conclusion结论

咱俩关于CLR一些无比紧要的内在的探赜索隐旅程算终止了。显然,还有为数不少题材亟待涉及,而且得以又特别的层次上谈论,但是咱盼望马上可以辅助您看来事物如何做事。这里提供的过多底音或者会见在.NET框架和CLR的新兴本中改,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改,概念应该保持无换。

Hanu Kommalapati大凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的一样称作架构师。他当微软今之角色是扶客户基于.NET框架建立可扩大的机件框架。可以经hanuk@microsoft.com联系他。

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

翻译者Luke是微软公司之软件工程师,习惯用C++和C#支付应用程序。闲暇时间他喜欢音乐,旅游与怀旧游戏,并且愿意助MSDN翻译更多之章和任何开发者共享。可以经过ecaijw@msn.com联系他。

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