NET框架之中了然CLR如何创建运行时对象,深切探索

初稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原稿发表日期: 9/19/2005
原稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中窥见众多稿子图都不全,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。
  • 艺术表布局。
  • 模式分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创建应用程序的主角级基础架构,
多理解点关于CLR的深度认识会帮助你构建便捷的, 工业级健壮的应用程序.
在那篇小说中, 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, 和形形色色的多寡结构.

咱俩会动用由C#写成的卓殊简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为目的的.
琢磨的一些数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过多数的概念是不会变的. 大家会动用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数目结构.
SOS可以知情CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
我们会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中持有相关落实的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会援助你在摸索一些协会的时候到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

在大家起初前,请小心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1使得(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在一些交互操作的状态下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,所以请不要在构建软件时倚重于那一个内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创立两个应用程序域。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,这一个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)格局。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,默认的域名由可举行映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中行使AppDomain.CreateDomain方法创制,或者在非托管的代码中动用ICORRuntimeHost接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的数额创造三个域。

图 2 由CLR启动程序创立的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创立和开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,并且爱戴过程范围之中拔取的蕴藏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,它的处理情势显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采取此特性。虽然如此,由于在享有的利用程序域中对一个特定的标记只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还肩负发生过程范围的接口ID,并用来创立每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中维系跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的效益。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

享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。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的为主类型,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。用户代码也得以被加载到那么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时选取由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,方法是运用System.LoaderOptimizationAttribute特性注脚Main方法。共享域还管理一个运用基地址作为目录的顺序集映射图,此映射图作为管理共享程序集倚重关系的查找表,这一个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和任何在托管代码中开创的利用程序域。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)

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内部运行。虽然有些应用程序需要在运转时创制额外的选用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举行紧要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。假设一个应用程序有四个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音讯可以拔取System.ContextBoundObject派生的类型制造。每个应用程序域有和好的平安描述符(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)

加载器堆的功用是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的成套生命期内设有的构件。这么些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两个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平日访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在多次堆上,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)。

从高层次掌握域后,大家准备看看它们在一个粗略的应用程序的内外文中的大体细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后接纳SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
打听SOS的加载消息)。那里是编制后的出口:

图3 Sample1.exe

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

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

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

using System;

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

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

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

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

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

我们的控制台程序,萨姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”山姆ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然则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。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸和已交给尺寸。高频堆的开头化大小是32KB,每一趟提交4KB。SOS的出口也并未显示接口虚表堆(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成立。IVMap保留大小是4KB,开端时交由4KB。我们将会在此起彼伏部分商讨项目布局时商量IVMap的意义。

图2
突显默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于依旧超越85000字节的目标),它注明了这一个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堆和大目的堆是用来托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

图片 7
项目原理

品种原理

体系是.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,然则,在特意的竞相操作(interop)情况和长途对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这个发生的类型涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们经过一个暗含对象引用的栈起初钻探.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例初步生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个简短的程序,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的花色实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎么样在大目标堆创制对象。虽然这是一段无聊的代码,可是足以扶助我们开展座谈。

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,它表明在可能的情状下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数遵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以一向大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分红的目的的地方。对于传统C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它包含了一个目的实例的地点,我们将应用术语对象实例(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

图片 8

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,图中显得的深浅为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的拍卖和小目的不同。大目的在大目标堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上成立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会减小,而GC堆在GC回收时开展压缩。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。每个表明的类型有一个方法表,而平等类别的保有目的实例都对准同一个方法表。它含有了项目标特色信息(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。

主意表指向一个名为EEClass的基本点数据结构。在艺术表创造前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的不二法门表指向它的EEClass。这多少个社团指向它们的模块和程序集。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其中,就直到应用程序域卸载时才会收敛。而且,默认的施用程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是停止CLR关闭截止。

图片 9
目标实例

对象实例

正如我辈说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的引用类型在 GC 堆或者 LOH 上创立。图 6
呈现了一个名列前茅的靶子布局。一个目的足以透过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在相互操作依旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行方式时的
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 不是指向目的实例的初始地点,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
起首计数的 syncblk
编号。因为通过索引举办连接,所以在急需扩展表的轻重时, CLR
可以在内存中移动这些表。 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
可以在并未此外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个针对性
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率的音讯。那一个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和运用程序域的目录。对于多数的对象实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在履行线程遭逢如
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();

图 6 对象实例布局
图片 10

在上述代码中, smallObj 会拔取 0 作为它的最先的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创制一个 syncblk 入口并采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 语句并运用 Monitor 类,一个看作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创建。堆 GetHashCode
的调用会拔取对象的哈希编码增添 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采用,可是这和超绝的对象用处无关。
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。默认情状下,实例域会以内存最实用利用的不二法门排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有局部不同大小的实例变量。

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,然后采取 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口映现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家从不用其他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 。保存在栈变量的对象实例,指向初阶地方的 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协同。几个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一道。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的其实的字符串实例。字符串是一个特意的花色,因为所有包含同样文字标记的字符串,会在程序集加载到过程时指向一个大局字符串表的一样实例。这么些进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的运用。大家在此之前已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可能选取是否选拔这么些历程,尽管未来版本的 CLR
可能会提供这么的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

为此默认情形下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的状态下,词典顺序必须被封存到内存中,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(不过 .NET Framework 2.0
可能会这样做)。在相互操作的图景下,如若您真正需要额外的填充字节和出示的控制域的相继,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,我们选用 SOS 看看对象实例。一个有效的命令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专程类型的兼具实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以展现咱们创制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: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

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 的靶子引用。 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
实例的地方后,我们得以拔取 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

正如往日说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于协会采用 LayoutType.Sequential
);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以使用 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)

假若您从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就足以拿走 str 的分寸,即 36 字节。让大家输出 str
实例来证实这多少个结果:

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

如若你将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大小(36字节),就可以收获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;因而它们不会被这些命令报告。

本着方法表的档次句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创立前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则展开加载,得到方法表地址,创制对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器爆发的代码在展开形式分派时行使项目句柄来恒定方法表。CLR在需要史可以透过艺术表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩充程序用于本文化的展现CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程以前,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 窗口中履行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的局部指令,关于SOS更多音讯,参考这里

图片 12
方法表

方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中通过艺术表来表示。这是在目标的首先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是场地,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暴发的投射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的音信方可由此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的品种句柄指向方法表先河地方的舞狮处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC音信。大家不打算在此地对其举办座谈。

图 9
显示了点子表的天下第一布局。我们会评释项目句柄的一对着重的域,不过对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)开首,因为它一贯关联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统计的靶子的深浅,基于代码中宣称的域。从前已经研商过,当前GC的实现需要一个至少12字节的靶子实例。倘若一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和系列句柄占用。再说五遍,对象的尺寸会惨遭StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显示的MyClass(有多个接口)的措施表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办比较。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 15
主意槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在章程表中包含了一个槽表,指向各样艺术的叙说(MethodDesc),提供了品种的行为能力。方法槽表是按照方法实现的线性链表,按照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在时下类,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,它替换所有的被遮住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。槽复制是必备的,它可以让每个接口有谈得来的微小的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)和对象构造函数(.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。因为大家定义并开头化了一个静态变量,编译器会变动一个类构造函数。图10来得了MyClass的办法表的布局。布局显示了10个章程,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,上面我们会展开座谈。图11展现了MyClass的措施表的SOS的出口。

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()

其它类型的先导4个主意总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,不过都针对相同的办法描述。代码展现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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方法描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的情势实现的一个装进。有几序列型的方法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的交互操作实现的调用。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发出,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来得了一个超人的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的主意描述数据结构。对于实际的主意描述,这是-5字节的撼动,是各类方法的8个叠加字节的一有的。这5个字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。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职位后边的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代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12办法描述

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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

目前我们履行此方法,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

在此位置,只有起头5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的点子描述的数码。“!u”命令不明了这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的富有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中方法实现的绝对虚地址(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编译前后的措施描述的情节:

!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

艺术的这么些标志域的编码包含了章程的品类,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让我们看方法表另外一个繁杂的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得这或多或少看起来简单。然后,我们将表明接口怎样开展布局和基于接口的模式分派的适合工作办法。

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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)

在章程表的第12字节偏移处是一个着重的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个利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立。每个接口的实现都在接口虚表中有一个记录。倘若MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有多少个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的开端地点,如图9所示。这是接口方法分派暴发时行使的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图音信成立,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据成立。一旦类型加载成功,唯有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在章程表中的接口音信记录。在这种情状下,对MyClass实现的两个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的始发4个字节指向MyInterface1的花色句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0意味着从父类派生,1意味着由方今类实现)。在表明后的WORD是一个最先槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开端槽的值为4(从0起头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,先河槽的值为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样的功用:每个接口有协调的贯彻,可是物理映射到均等的不二法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

依照接口的法门分派通过接口虚表举办,而一贯的章程分派通过保留在逐一槽的措施描述地址举办。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开首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

这些反汇编呈现了直白调用MyClass的实例方法没有采纳偏移。JIT编译器把艺术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爆发,和直接分派相相比需要有的额外的授命。一个发令用来获取接口虚表的地方,另一个取得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。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

目前我们看看虚分派,并且和依照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一定的槽编号暴发,和艺术表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在措施表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的落实。结果,对父对象的格局调用被分派到子对象的兑现。反汇编突显了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到那一点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的关键组成部分。作为艺术表的一片段,它们分配在格局表的槽数组后。所有的本来面目静态类型是内联的,而对此社团和引用的花色的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来针对。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,它引用了堆上创造的对象实例。一旦创制后,句柄表内的目标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指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在点子表创造前起初生活,它和章程表组成起来,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(它们一起表示一个类型),只可是因为运用频度的例外而被分别。平常使用的域放在方法表,而不通常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时需要的音信(如虚表槽和GC音信)在形式表中。

对每一个序列会加载一个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咬合。在执行托管代码的过程中,新的EEClass节点被插足,节点的关系被填补,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个档次的涉及。EEClass有两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只体现了和这么些研讨有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,我们尚无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也本着在默认使用程序域的往往堆分配的办法描述块。在点子表创造时,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讯。EEClass在接纳程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的展开内存分页管理,由此削减了工作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。大家今日看看使用SOS输出的EEClass的的确的物理内存。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得到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,能够从DumpDomain命令拿到。现在我们获取了EEClass的地方,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的出口看起来完全等同。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,可以知晓图13显得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的点子)。即便Method1和Method2不是虚方法,它们可以在经过接口举办摊派时被认为是虚函数并插手到列表中。把.cctor和.ctor参与到列表中,你会拿到总共10个法子。最后列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

咱俩关于CLR一些最重点的内在的追究旅程终于终止了。分明,还有许多题材需要涉及,而且需要在更深的层系上谈论,不过我们期望这可以辅助您看到东西如何工作。这里提供的过多的音讯或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,可是固然本文提到的CLR数据结构可能变动,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,对其进展深远通晓会支援你建立行之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,基于接口的分担和见仁见智的数据结构。

咱俩将使用C#编写的概括代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处商讨的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,然而重要概念应该保持不变。我们应用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩大Son of Strike
(SOS)来查阅本文研讨的数据结构。SOS精晓CLR的内部数据结构并出口有用信息。请参见“Son
of Strike”补充资料,了然什么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的历程空间。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,你能够从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。

在大家最先前,请留心:本文提供的消息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1实惠(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的境况下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时倚重于这个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创制两个使用程序域。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,这多少个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是采用了单件(Singleton)格局。第五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动用AppDomain.CreateDomain方法创制,或者在非托管的代码中使用ICORRuntimeHost接口成立。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量成立两个域。

图片 25

2 由CLR启动程序创制的域

图片 26回来页首

系统域(System Domain)

系统域负责创立和初步化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且敬重过程范围里边使用的含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,它的拍卖方法显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采用此特性。固然如此,由于在富有的利用程序域中对一个一定的记号只保留一个相应的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还肩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。系统域在过程中保持跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的成效。

图片 27再次回到页首

共享域(Shared Domain)

享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要的。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的为主类型,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。用户代码也得以被加载到这些域中,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,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性申明Main方法。共享域还管理一个运用基地址作为目录的顺序集映射图,此映射图作为管理共享程序集倚重关系的查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他在托管代码中开创的利用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 28回到页首

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。虽然有些应用程序需要在运行时成立额外的接纳程序域(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创制一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。倘若一个应用程序有多少个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音信方可选用System.ContextBoundObject派生的类型创立。每个应用程序域有友好的平安描述符(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,接口虚表管理器和程序集缓存。

图片 29回到页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意义是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的一切生命期内存在的构件。这个堆的提升基于可预测块,那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三个堆),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)。

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

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

咱俩的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为“山姆ple1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过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,低频堆和代理堆。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。

输出没有展示加载器堆的保留尺寸和已交由尺寸。高频堆的最先化大小是32KB,每一次提交4KB。SOS的出口也未曾显得接口虚表堆(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初步化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,起始时提交4KB。大家将会在延续部分钻探项目布局时研究IVMap的含义。

图2来得默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相等仍然超越85000字节的对象),它表明了这些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堆和大目的堆是用于托管对象实例化的废料回收堆。

图片 30回去页首

项目原理

花色是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数档次由程序员显式创制,不过,在专门的互动操作(interop)意况和远程对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,那一个爆发的项目涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们透过一个包含对象引用的栈起初研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例起头生命期的地点)。图4中展现的代码包含一个简约的次第,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创办一个SmallClass的序列实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆成立对象。即便这是一段无聊的代码,不过足以扶助我们举办探讨。

图5体现了停止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表达在可能的情形下将函数参数通过寄存器传递,而此外参数遵照从右到左的各类入栈,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以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分红的目的的地址。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。不管咋样,它包含了一个目的实例的地点,大家将使用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

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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,图中显示的轻重为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对领先或等于85000字节的目的的拍卖和小目的不同。大目标在大指标堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上创设,那样可以优化对象的分红和回收。LOH不会促销扣,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的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个注脚的品种有一个方法表,而相同档次的持有目标实例都指向同一个方法表。它含有了项目标特色信息(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的关键数据结构。在形式表创立前,CLR类加载器从元数据中创建EEClass。图4中,SmallClass的主意表指向它的EEClass。这多少个构造指向它们的模块和程序集。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中间,就直到应用程序域卸载时才会消退。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这个代码的生存期是截止CLR关闭截止。

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对象实例

正如大家说过的,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上成立。图6来得了一个独立的目的布局。一个目的足以由此以下途径被引用:基于栈的片段变量,在相互操作依旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行格局时的this指针和章程参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的伊始地点,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初阶计数的syncblk编号。因为通过索引进行连接,所以在急需扩大表的大刻钟,CLR可以在内存中移动这多少个表。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可以在并未此外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的的具有实例使用的管事的消息。这多少个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和行使程序域的目录。对于大多数的对象实例,不会为实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这一点在履行线程碰到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言语时会发生变化,如下所示:

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

在上述代码中,smallObj会使用0作为它的起先的syncblk编号。lock语句使得CLR成立一个syncblk入口并应用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩张为try-finally语句并行使Monitor类,一个看作同步的Monitor对象在syncblk上制造。堆GetHashCode的调用会利用对象的哈希编码扩展syncblk。

在SyncBlock中有其余的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时利用,可是这和超人的目的用处无关。

类型句柄紧跟在目的实例中的syncblk编号后。为了保全连续性,我会在表明实例变量后研讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在类型句柄后。默认境况下,实例域会以内存最得力应用的点子排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。图7的代码展现了SimpleClass包含有一些见仁见智尺寸的实例变量。

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。因为我们从没用别样共同代码应用此实例(也绝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,指向起头地点的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共同。三个short类型变量s1和s2也被排列在协同。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分红的莫过于的字符串实例。字符串是一个专门的档次,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。那一个历程称为字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的运用。我们事先曾经提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以采用是否使用这多少个过程,即使将来版本的CLR可能会提供这么的力量。

故此默认处境下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的气象下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以动用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,即使在.NET
Framework 1.1中,它从不影响托管的布局(然而.NET Framework
2.0恐怕会这么做)。在交互操作的处境下,假诺您确实需要分外的填充字节和显示的控制域的各个,LayoutKind.Explicit可以和域层次的Field(Field)Offset特性一起使用。

看完底层的内存内容后,大家应用SOS看看对象实例。一个有效的吩咐是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的拥有实例。无需倚重寄存器,DumpHeap可以来得大家创造的绝无仅有一个实例的地址。

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

目的的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只包含一个DWORD的靶子引用。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实例的地点后,大家可以利用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。大家得以接纳ObjSize来输出包含被str实例占用的空中,如下所示:

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

假若您从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的分寸(36字节),就足以得到str的尺寸,即36字节。让我们输出str实例来验证这些结果:

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

倘若您将字符串实例的大小(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就可以收获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;因而它们不会被这么些命令报告。

针对方法表的花色句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创立前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则开展加载,拿到方法表地址,成立对象实例,然后把项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器爆发的代码在开展形式分派时选取项目句柄来稳定方法表。CLR在需要史可以经过艺术表反向访问加载类型时采用项目句柄。

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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。这是在目的的首先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,而艺术表表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的投射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯和外挂的消息方可经过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。对象实例包含的项目句柄指向方法表起首地点的撼动处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC音讯。我们不打算在这里对其开展啄磨。

图9显示了点子表的卓著布局。我们会注解项目句柄的片段要害的域,不过对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)开头,因为它直接关系到运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类加载器总计的目的的高低,基于代码中阐明的域。以前早已钻探过,当前GC的兑现内需一个最少12字节的目的实例。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。其余的8个字节被对象头(可能包含syncblk编号)和体系句柄占用。再说三次,对象的轻重缓急会遭逢StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中展示的MyClass(有六个接口)的模式表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行比较。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

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办法槽表(Method Slot Table)

在措施表中蕴藏了一个槽表,指向各类艺术的叙述(MethodDesc),提供了类其余行为能力。方法槽表是依照方法实现的线性链表,按照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在现阶段类,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。槽复制是必需的,它可以让各类接口有和好的矮小的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)和对象构造函数(.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靶子自动生成。因为大家定义并起始化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10显示了MyClass的点子表的布局。布局突显了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边大家会进展座谈。图11来得了MyClass的艺术表的SOS的出口。

另外类型的发端4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举行了复制,不过都指向相同的点子描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的情势实现的一个包装。有二种档次的法子描述,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,初叶化为指向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显得了一个一级的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的主意描述数据结构。对于实际的法门描述,这是-5字节的晃动,是各个方法的8个附加字节的一有些。那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输出从观看,因为方法描述总是方法槽表指向的岗位前边的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代码的白白跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的艺术表槽指向的代码举行反汇编,呈现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。

!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

现行大家执行此情势,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,唯有开端5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法门描述的数量。“!u”命令不知晓这或多或少,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的有着东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中方法实现的绝对虚地址(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精选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的情势描述的始末:

!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

措施的这个标志域的编码包含了章程的体系,例如静态,实例,接口方法仍旧COM实现。让我们看方法表此外一个犬牙交错的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的繁杂,让托管环境觉得这一点看起来简单。然后,我们将表明接口怎么样举行布局和遵照接口的点子分派的恰到好处工作措施。

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接口虚表图和接口图

在措施表的第12字节偏移处是一个第一的指针,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制。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个笔录。假使MyInterface1被多少个类实现,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起首地方,如图9所示。这是接口方法分派暴发时使用的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图音讯创造,接口图在措施表布局过程中基于类的元数据创立。一旦类型加载成功,唯有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在艺术表中的接口音讯记录。在这种气象下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的上马4个字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从父类派生,1代表由近来类实现)。在注明后的WORD是一个上马槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起头槽的值为4(从0初阶编号),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。类加载器会在需要时复制槽来发出如此的效应:每个接口有协调的落实,然则物理映射到同样的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

据悉接口的不二法门分派通过接口虚表进行,而直接的情势分派通过保留在一一槽的方法描述地址举办。如往日提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开始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

那多少个反汇编突显了一向调用MyClass的实例方法没有利用偏移。JIT编译器把艺术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暴发,和间接分派相比较需要有些非凡的吩咐。一个命令用来收获接口虚表的地方,另一个到网店模特式槽表中的接口实现的起先槽。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”使用一个命令把mc的目的引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

前几日我们看看虚分派,并且和依照接口的分摊举办相比较。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一定的槽编号发生,和艺术表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在模式表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的实现。结果,对父对象的点子调用被分派到子对象的贯彻。反汇编突显了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那一点。

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静态变量

静态变量是措施表数据结构的重大组成部分。作为艺术表的一片段,它们分配在情势表的槽数组后。所有的固有静态类型是内联的,而对于社团和引用的门类的静态值对象,通在句柄表中创建的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上成立的目的实例。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指向句柄表的目标引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在措施表创建前起先生活,它和措施表组成起来,是连串阐明的CLR版本。实际上,EEClass和艺术表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只但是因为使用频度的不比而被分开。平日应用的域放在方法表,而不平日利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和摇头)在EEClass中,然而运行时索要的音讯(如虚表槽和GC信息)在措施表中。

对每一个品类会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和社团。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,其目的包括类加载,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。在举办托管代码的进程中,新的EEClass节点被参预,节点的涉嫌被补充,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的关系。EEClass有两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只展现了和这一个研讨有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们从没在图中合适展现偏移。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高频堆分配的艺术描述块。在形式表成立时,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在使用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,由此削减了办事集。

图片 42

图13 EEClass 布局

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。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的先后。首先使用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地点。

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

Name2EE的率先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在大家得到了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的输出看起来完全平等。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,可以知道图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的不二法门)。即便Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口举行摊派时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor出席到列表中,你会取得总共10个法子。最后列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

我们关于CLR一些最重要的内在的探赜索隐旅程终于终止了。显明,还有不少题目亟需涉及,而且需要在更深的层系上谈论,不过我们希望这能够援助你见到东西如何是好事。这里提供的成百上千的音信或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,然则即便本文提到的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(Hughes顿)的一名架构师。他在微软前几天的角色是帮助客户基于.NET框架建立可扩展的零件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软支付协助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器增加(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的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。闲暇时间她喜欢音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意匡助MSDN翻译更多的篇章和任何开发者共享。可以由此ecaijw@msn.com联系他。

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