NET框架之中了然CLR怎么着创造运行时对象,深切探究新普金娱乐

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。
  • 主意表布局。
  • 艺术分派(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,
多通晓点关于CLR的深度认识会支援你构建便捷的, 工业级健壮的应用程序.
在这篇著作中, 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, 基于接口的摊派, 和各类各类的数额结构.

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,
不过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)来窥探一些多少结构.
SOS可以驾驭CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
我们会探究在Shared Source CLI(SSCLI)中享有相关落实的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会帮忙您在检索一些构造的时候到SSCLI中的信息.

ITEM SSCLI PATH
AppDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
AppDomainStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
BaseDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
ClassLoader sscliclrsrcvmclsload.hpp
EEClass sscliclrsrcvmclass.h
FieldDescs sscliclrsrcvmfield.h
GCHeap sscliclrsrcvmgc.h
GlobalStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
HandleTable sscliclrsrcvmhandletable.h
InterfaceVTableMapMgr sscliclrsrcvmappdomain.hpp
Large Object Heap sscliclrsrcvmgc.h
LayoutKind sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropserviceslayoutkind.cs
LoaderHeaps sscliclrsrcincutilcode.h
MethodDescs sscliclrsrcvmmethod.hpp
MethodTables sscliclrsrcvmclass.h
OBJECTREF sscliclrsrcvmtypehandle.h
SecurityContext sscliclrsrcvmsecurity.h
SecurityDescriptor sscliclrsrcvmsecurity.h
SharedDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
StructLayoutAttribute sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropservicesattributes.cs
SyncTableEntry sscliclrsrcvmsyncblk.h
System namespace sscliclrsrcbclsystem
SystemDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
TypeHandle sscliclrsrcvmtypehandle.h

在大家起初前,请小心:本文提供的新闻只对在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,只是在少数交互操作的情事下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时倚重于那多少个内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创建多少个应用程序域。其中三个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只好由CLR启动进程成立,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 图2
所示,那么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是行使了单件(Singleton)形式。第五个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是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,默认的域名由可举办映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中采用AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中使用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会遵照应用程序的数额创造多少个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

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系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创设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,并且爱护过程范围里边采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,它的拍卖措施显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选拔此特性。即便如此,由于在所有的施用程序域中对一个特定的标志只保留一个应和的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还肩负发生过程范围的接口ID,并用来创设每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保持跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的意义。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

怀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。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的骨干类型,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。用户代码也足以被加载到这么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是行使System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个拔取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,那一个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他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。

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默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

默认域是行使程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其中运行。即便有些应用程序需要在运转时成立额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者进行重大的周转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。要是一个应用程序有四个使用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可以使用System.ContextBoundObject派生的档次创制。每个应用程序域有投机的安全描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨的加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功力是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的漫天生命期内存在的部件。这个堆的增高基于可预测块,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。经常访问的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在频繁堆上,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)。

从高层次领悟域后,我们准备看看它们在一个简单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(),然后采取SOS调试器扩大命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
刺探SOS的加载信息)。这里是编辑后的出口:

图3 Sample1.exe

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

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

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

using System;

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

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

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

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

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

我们的控制台程序,萨姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”萨姆ple1.exe”的拔取程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过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一的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有体现加载器堆的保留尺寸和已交由尺寸。高频堆的起始化大小是32KB,每一趟提交4KB。SOS的出口也尚无显得接口虚表堆(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先导化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,先河时交由4KB。我们将会在后续部分讨论项目布局时商讨IVMap的意思。

图2
呈现默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于依旧领先85000字节的对象),它表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堆和大目标堆是用于托管对象实例化的废物回收堆。

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花色原理

体系原理

品类是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以利用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类型由程序员显式创建,但是,在专门的相互操作(interop)情状和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的发生类型,这么些暴发的项目涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩因而一个包含对象引用的栈起初研商.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例起初生命期的地点)。
图4中突显的代码包含一个简练的先后,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的体系实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎么样在大目的堆创设对象。尽管这是一段无聊的代码,可是足以扶持大家举行研究。

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 展现了截止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它阐明在可能的动静下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数依据从右到左的相继入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以稳住大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分配的目的的地址。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。不管如何,它蕴含了一个对象实例的地址,我们将动用术语对象实例(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

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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,图中显得的大大小小为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的指标的处理和小目的不同。大目的在大目标堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上创造,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时举行削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个阐明的品种有一个方法表,而同样档次的享有目的实例都对准同一个方法表。它富含了档次的特征音讯(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

模式表指向一个名为EEClass的第一数据结构。在点子表创设前,CLR类加载器从元数据中创设EEClass。
图4中,SmallClass的艺术表指向它的EEClass。那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。加载器堆和使用程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到里面,就直到应用程序域卸载时才会流失。而且,默认的接纳程序域不会被卸载,所以那么些代码的生存期是截至CLR关闭结束。

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对象实例

目的实例

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 上创办。图 6
显示了一个超人的对象布局。一个目的可以透过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在竞相操作仍旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和办法参数),拥有终结器( finalizer )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目的实例的开首地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开首计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连接,所以在需要增加表的高低时, CLR
可以在内存中活动那个表。 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 还保留了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的具有实例使用的实用的音讯。这些音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和动用程序域的目录。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 。这点在履行线程碰到如
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();

图 6 对象实例布局
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在上述代码中, smallObj 会选拔 0 作为它的起始的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创设一个 syncblk 入口并利用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩张为 try-finally 语句并动用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创制。堆 GetHashCode
的调用会接纳对象的哈希编码扩展 syncblk 。
在 SyncBlock 中有其他的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采取,可是这和一级的对象用处无关。
品种句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保障连续性,我会在认证实例变量后商讨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认意况下,实例域会以内存最实用利用的方法排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码突显了 SimpleClass 包含有部分例外大小的实例变量。

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 突显了在 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,然后利用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口显示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们没有用此外共同代码应用此实例(也从没访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的对象实例,指向开头地点的 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协同。五个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
堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个专程的类型,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模一样实例。这些过程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的行使。我们前边早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集无法选用是否使用那些进程,就算未来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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就此默认状况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的状态下,词典顺序必须被保存到内存中,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 能够为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在竞相操作的景观下,假若你真正需要非凡的填充字节和展示的控制域的相继,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起行使。

看完底层的内存内容后,我们应用 SOS 看看对象实例。一个有效的一声令下是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特别类型的享有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显得我们创造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: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 的对象引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,另外 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,我们得以拔取 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

正如从前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团拔取 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以选取 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)

假定你从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就可以收获 str 的大大小小,即 36 字节。让咱们输出 str
实例来注明这么些结果:

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

一经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不知晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这么些命令报告。

针对方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创制前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,成立对象实例,然后把项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器发生的代码在拓展模式分派时使用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采取项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的展现CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一有的,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此以前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文件夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中实施 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的有的发令,关于SOS更多消息,参考这里

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方法表

方法表

各体系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。这是在对象的率先个实例创制前的类加载活动的结果。对象实例表示的是意况,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照耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的消息可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的类别句柄指向方法表起始地点的晃动处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC音讯。我们不打算在此处对其展开座谈。

图 9
呈现了艺术表的独立布局。大家会申明项目句柄的一对关键的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)先河,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

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基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的对象的深浅,基于代码中扬言的域。在此以前曾经研究过,当前GC的实现需要一个至少12字节的靶子实例。假设一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能包含syncblk编号)和花色句柄占用。再说四次,对象的尺寸会受到StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中体现的MyClass(有多个接口)的艺术表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行相比。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!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)

主意槽表(Method Slot Table)

在点子表中包含了一个槽表,指向各样艺术的叙说(MethodDesc),提供了项目的行为能力。方法槽表是依据方法实现的线性链表,遵照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在脚下类,父类和接口的元数据中遍历,然后创立方法表。在排列过程中,它替换所有的被覆盖的虚方法和被隐形的父类方法,成立新的槽,在急需时复制槽。槽复制是少不了的,它可以让每个接口有和好的微乎其微的vtable。不过被复制的槽指向同一的物理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为拥有没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为大家定义并最先化了一个静态变量,编译器会转变一个类构造函数。图10展现了MyClass的点子表的布局。布局显示了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会举办研商。图11体现了MyClass的艺术表的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()

另外类型的开首4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,但是都针对相同的主意描述。代码呈现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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办法描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)

情势描述(MethodDesc)是CLR知道的法子实现的一个包裹。有几序列型的办法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互相操作实现的调用。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爆发,初阶化为指向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突显了一个出类拔萃的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的艺术描述数据结构。对于实际的不二法门描述,这是-5字节的撼动,是各个方法的8个叠加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从观察,因为方法描述总是方法槽表指向的地点前面的5个字节。在第一次调用时,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

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图12的方法表槽指向的代码举办反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化突显。

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

当今大家举行此措施,然后反汇编相同的地点:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
                                 ;as !u thinks it as code

在此地点,只有起首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的不二法门描述的数据。“!u”命令不领会这或多或少,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的具有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的对峙虚地址(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选择一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的办法描述的情节:

!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

主意的这多少个标志域的编码包含了办法的类型,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大概。然后,我们将阐明接口如何开展布局和基于接口的法门分派的贴切工作形式。

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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)

在点子表的第12字节偏移处是一个首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个采取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录。倘使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上马地方,如图9所示。这是接口方法分派暴发时利用的引用。接口虚表是遵照方法表内含的接口图音信创建,接口图在措施表布局过程中基于类的元数据成立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在模式表中的接口信息记录。在这种场所下,对MyClass实现的七个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的发端4个字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个注脚占用(0意味从父类派生,1表示由最近类实现)。在表明后的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,初阶槽的值为4(从0起初编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,伊始槽的值为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生这样的功力:每个接口有协调的实现,不过物理映射到同一的方法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

遵照接口的措施分派通过接口虚表举行,而一向的艺术分派通过保留在逐一槽的不二法门描述地址举行。如此前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起始2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一个参数总是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

这些反汇编呈现了平素调用MyClass的实例方法没有动用偏移。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,和直接分派相比较需要有些附加的授命。一个发令用来博取接口虚表的地方,另一个获得形式槽表中的接口实现的起初槽。而且,把一个对象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”使用一个发令把mc的目的引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

近年来咱们看看虚分派,并且和依照接口的摊派举办相比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个稳住的槽编号发生,和措施表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在点子表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的形式调用被分派到子对象的兑现。反汇编展现了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到那点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是模式表数据结构的紧要组成部分。作为艺术表的一有些,它们分配在章程表的槽数组后。所有的原有静态类型是内联的,而对此社团和引用的类此外静态值对象,通在句柄表中成立的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目标引用,它引用了堆上创造的目的实例。一旦创设后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的目的引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在艺术表创立前起首生活,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(它们一起表示一个档次),只但是因为运用频度的不比而被分别。通常使用的域放在方法表,而不日常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和摇头)在EEClass中,可是运行时索要的信息(如虚表槽和GC信息)在措施表中。

对每一个门类会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个被实践引擎跟踪的树的节点。CLR使用这多少个网络在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。在推行托管代码的经过中,新的EEClass节点被参预,节点的涉及被填补,新的关联被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的关系。EEClass有六个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13只突显了和这么些商讨有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们从未在图中适量展现偏移。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累累堆分配的章程描述块。在章程表创设时,对过程堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音信。EEClass在使用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的拓展内存分页管理,因而削减了工作集。

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。我们前些天看看使用SOS输出的EEClass的实在的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先利用命令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,能够从DumpDomain命令拿到。现在大家取得了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的出口看起来完全一致。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显示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的主意)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举办摊派时被认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会拿走总共10个办法。最后列出的是类的两个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

俺们关于CLR一些最关键的内在的商量旅程终于终止了。显明,还有众多问题亟待涉及,而且需要在更深的层系上谈论,可是我们愿意这可以接济你看来东西怎么样行事。这里提供的无数的音讯或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,然则尽管本文提到的CLR数据结构可能改动,概念应该保障不变。

乘机通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下开发应用程序的首选架构,对其进展长远了解会支援你建立行之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。

咱俩将使用C#编制的大概代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处钻探的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是关键概念应该保障不变。我们接纳Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩大Son of Strike
(SOS)来查阅本文啄磨的数据结构。SOS明白CLR的中间数据结构并出口有用音讯。请参见“Son
of Strike”补充资料,领悟如何将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)中有对应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将帮扶您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

在我们伊始前,请留心:本文提供的消息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1行之有效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的气象下必须注意例外),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多少个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的域

在CLR执行托管代码的率先行代码前,会创建两个利用程序域。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。它们只好由CLR启动进程成立,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如图2所示,这个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是运用了单件(Singleton)形式。第两个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可举办映象文件的名字组成。此外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接口创设。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多寡创立多少个域。

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2 由CLR启动程序创设的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创立和先导化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍视过程范围里边使用的包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,它的拍卖措施显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。尽管如此,由于在富有的运用程序域中对一个一定的符号只保留一个对应的字符串,此特性可以节约内存空间。

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。系统域在经过中维系跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的法力。

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共享域(Shared Domain)

装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。它会被电动加载到共享域中。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多少个域中,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,方法是采用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明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依赖关系的查找表,那么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其余在托管代码中创制的施用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

默认域是使用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在中间运行。即便有些应用程序需要在运转时创制额外的应用程序域(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转期间只成立一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假诺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讯方可选拔System.ContextBoundObject派生的系列成立。每个应用程序域有和好的日喀则描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有自己的加载器堆(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。

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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存在的预制构件。那多少个堆的增进基于可预测块,那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。平时访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在频繁堆上,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)。

从高层次通晓域后,大家准备看看它们在一个简单的应用程序的内外文中的物理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看Son
of
Strike
询问SOS的加载音讯)。这里是编写后的出口:

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

咱俩的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然而因为它是大旨系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代办堆。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。高频堆的初阶化大小是32KB,每一回提交4KB。SOS的输出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),由友好的加载器堆在域起先化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,开头时提交4KB。大家将会在持续部分研商项目布局时啄磨IVMap的意思。

图2来得默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相当于仍旧领先85000字节的对象),它阐明了这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堆和大目标堆是用来托管对象实例化的废料回收堆。

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品种原理

花色是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以使用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数体系由程序员显式创设,不过,在特意的相互操作(interop)情状和长途对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发出类型,那个暴发的项目涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们经过一个含有对象引用的栈开首啄磨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例开头生命期的地方)。图4中显示的代码包含一个简练的顺序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创制一个SmallClass的序列实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目的堆创建对象。固然这是一段无聊的代码,可是足以援助我们开展探讨。

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,它表明在可能的动静下将函数参数通过寄存器传递,而其它参数依据从右到左的次第入栈,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以一直大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分配的靶子的位置。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。不管怎么样,它蕴含了一个目的实例的地方,我们将采用术语对象实例(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

诚如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,是实在的储备大小)。CLR对抢先或等于85000字节的目的的拍卖和小目标不同。大目的在大目标堆(LOH)上分红,而小目标在形似GC堆上创制,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会优惠扣,而GC堆在GC回收时进行压缩。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个表明的连串有一个方法表,而平等体系的享有目标实例都指向同一个方法表。它包含了连串的特色音信(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。

方法表指向一个名为EEClass的重要数据结构。在艺术表创立前,CLR类加载器从元数据中创制EEClass。图4中,SmallClass的不二法门表指向它的EEClass。这么些协会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。加载器堆和利用程序域关联,那里提到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消失。而且,默认的运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关闭截至。

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目标实例

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上创设。图6来得了一个第一名的目的布局。一个目的足以因而以下途径被引用:基于栈的片段变量,在相互操作依旧平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行办法时的this指针和艺术参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是指向目标实例的上马地点,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先河计数的syncblk编号。因为通过索引举行连接,所以在急需扩大表的高低时,CLR可以在内存中活动这多少个表。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可以在一直不其他强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个对象的具有实例使用的管事的音讯。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。对于多数的靶子实例,不会为实际的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的话语时会爆发变化,如下所示:

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

在以上代码中,smallObj会使用0作为它的发端的syncblk编号。lock语句使得CLR制造一个syncblk入口并使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语句并运用Monitor类,一个当作同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会动用对象的哈希编码扩大syncblk。

在SyncBlock中有其它的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,可是这和超绝的目的用处无关。

连串句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了维持连续性,我会在证实实例变量后商量类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情形下,实例域会以内存最有效行使的办法排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有局部两样尺寸的实例变量。

图8来得了在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,然后使用ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口展示对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们从未用任何共同代码应用此实例(也远非访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指向起头地方的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同步。七个short类型变量s1和s2也被排列在一块。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。字符串是一个特意的品类,因为具备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均等实例。这么些历程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的运用。大家在此以前曾经提过,在NET Framework
1.1中,程序集无法接纳是否采用这么些过程,就算将来版本的CLR可能会提供这么的力量。

因此默认情形下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的情景下,词典顺序必须被保存到内存中,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,就算在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0恐怕会如此做)。在交互操作的意况下,假设您确实需要至极的填充字节和显示的控制域的顺序,LayoutKind.Explicit可以和域层次的Field(Field)Offset特性一起行使。

看完底层的内存内容后,大家运用SOS看看对象实例。一个立竿见影的指令是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特意类型的持有实例。无需依赖寄存器,DumpHeap可以显示大家创造的唯一一个实例的地方。

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

目的的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只包含一个DWORD的对象引用。SimpleClass的实例变量只占用28字节,此外8个字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地点后,我们可以动用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

正如从前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于社团接纳LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们能够动用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)

若果你从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的高低(36字节),就可以赢得str的高低,即36字节。让大家输出str实例来验证那么些结果:

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

假如您将字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的深浅(36字节),就可以博得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不通晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这多少个命令报告。

本着方法表的体系句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创制前,CLR查看加载类型,要是没有找到,则举行加载,得到方法表地址,创设对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器暴发的代码在举行格局分派时使用项目句柄来稳定方法表。CLR在需要史可以因此艺术表反向访问加载类型时选用项目句柄。

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方法表

每个类和实例在加载到应用程序域时,会在内存中通过艺术表来表示。这是在目的的首先个实例创立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爆发的照耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的音讯能够透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以由此Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的品类句柄指向方法表起先地方的晃动处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC音信。我们不打算在这边对其展开座谈。

图9来得了办法表的首屈一指布局。我们会讲明项目句柄的一部分生死攸关的域,可是对于截然的列表,请参见此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)起始,因为它直接涉及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括的目的的轻重缓急,基于代码中宣称的域。在此之前早已钻探过,当前GC的落实内需一个足足12字节的目标实例。假设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)和档次句柄占用。再说四次,对象的大大小小会遇到StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显得的MyClass(有几个接口)的章程表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办相比较。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

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措施槽表(Method Slot Table)

在艺术表中带有了一个槽表,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。

类加载器在此时此刻类,父类和接口的元数据中遍历,然后创造方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创制新的槽,在急需时复制槽。槽复制是不可或缺的,它能够让每个接口有协调的细小的vtable。不过被复制的槽指向同一的情理实现。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对象自动生成。因为大家定义并起头化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10显示了MyClass的法门表的布局。布局展现了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下面我们会开展啄磨。图11呈现了MyClass的格局表的SOS的出口。

其余项目标开首4个艺术总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。那些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,不过都针对相同的章程描述。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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格局描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)是CLR知道的点子实现的一个打包。有二种档次的法门描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互相操作实现的调用。在本文中,我们只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中暴发,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彰显了一个优良的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的情势描述数据结构。对于实际的方法描述,这是-5字节的撼动,是各种方法的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一声令下。5字节的舞狮可以从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代码的义诊跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的办法表槽指向的代码举办反汇编,展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彰显。

!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

现在大家履行此办法,然后反汇编相同的地址:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
;as !u thinks it as code

在此地方,只有开头5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的方法描述的多少。“!u”命令不知情这一点,所以生成的是无规律的代码,你能够忽略5个字节后的具备东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有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。让大家从列出的函数中采用一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法门描述的始末:

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

编译后,方法描述的始末如下:

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

办法的这么些标志域的编码包含了办法的品类,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让大家看方法表另外一个错综复杂的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂,让托管环境觉得那点看起来大概。然后,大家将注明接口怎么样开展布局和基于接口的格局分派的适当工作章程。

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接口虚表图和接口图

在章程表的第12字节偏移处是一个关键的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个采纳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。每个接口的实现都在接口虚表中有一个笔录。假诺MyInterface1被多少个类实现,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始地方,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音信创制,接口图在艺术表布局过程中基于类的元数据创设。一旦类型加载成功,唯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音信记录。在那种情形下,对MyClass实现的三个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的起来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意味着由最近类实现)。在表明后的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,起始槽的值为4(从0先河编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,初叶槽的值为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效用:每个接口有投机的贯彻,但是物理映射到均等的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

基于接口的不二法门分派通过接口虚表举办,而直接的格局分派通过保留在各类槽的法子描述地址举行。如此前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起始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

这多少个反汇编展现了一向调用MyClass的实例方法没有动用偏移。JIT编译器把措施描述的地址直接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表暴发,和直接分派相相比较需要一些附加的通令。一个发令用来获取接口虚表的地方,另一个获取情势槽表中的接口实现的开头槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到目标的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个发令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

先天大家看看虚分派,并且和按照接口的分担举行相比较。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原则性的槽编号暴发,和方法表指针在特定的类(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实现代替父类的兑现。结果,对父对象的不二法门调用被分摊到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8号槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

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静态变量

静态变量是格局表数据结构的基本点组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在章程表的槽数组后。所有的本来面目静态类型是内联的,而对于社团和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创设的目的引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上创制的对象实例。一旦成立后,句柄表内的目的引用会使堆上的目的实例保持生存,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在艺术表创立前起头生活,它和办法表组成起来,是类别评释的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档次),只然而因为使用频度的例外而被分别。平时应用的域放在方法表,而不通常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音信(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时需要的信息(如虚表槽和GC音信)在形式表中。

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,数组和协会。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这些网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的重组。在实施托管代码的进程中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被补充,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的关联。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只展现了和那些议论有关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,我们从没在图中正好显示偏移。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再三堆分配的办法描述块。在艺术表创设时,对过程堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在动用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的进展内存分页管理,由此缩小了工作集。

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图13 EEClass 布局

图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。大家现在探访使用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的顺序。首先利用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的位置。

!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,能够从DumpDomain命令得到。现在我们得到了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,可以了然图13出示的是加载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,它们可以在通过接口举行分摊时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会得到总共10个主意。最终列出的是类的六个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

我们关于CLR一些最要害的内在的探赜索隐旅程终于终止了。分明,还有众多问题亟待涉及,而且亟需在更深的层次上讨论,不过我们目的在于这足以协助你见到事物如何做事。这里提供的无数的信息或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,但是虽然本文提到的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。他在微软今天的角色是援救客户基于.NET框架建立可增加的组件框架。可以因此hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发援助高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩张(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛蒂(Charlotte),可以通过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者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翻译更多的稿子和其它开发者共享。可以因而ecaijw@msn.com联系她。

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