深刻探索.NET框架之中精通CLR如何创立运行时对象

原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿宣布日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发现许多稿子图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

目录

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 对象布局和内存细节。
  • 艺术表布局。
  • 情势分派(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,
多领会点关于CLR的深度认识会匡助你构建便捷的, 工业级健壮的运用程序.
在这篇作品中, 大家会浏览,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, 和充裕多彩的数据结构.

咱俩会利用由C#写成的非凡简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为目的的.
研讨的局部数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过大部分的概念是不会变的. 大家会利用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数目结构.
SOS能够通晓CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
我们会研究在Shared Source CLI(SSCLI)中所有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会扶助你在寻觅一些布局的时候到SSCLI中的消息.

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

在我们初阶前,请留心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1立竿见影(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的情状下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时看重于那么些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创设四个使用程序域。其中两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启动进程创制,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 图2
所示,这么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是应用了单件(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。另外的域可以在托管代码中采纳AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中运用ICORRuntimeHost接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数据创立五个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

图片 1

系统域(System Domain)

系统域负责创制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,并且珍贵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,它的拍卖格局显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选取此特性。即使如此,由于在装有的应用程序域中对一个特定的记号只保留一个对应的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还担当发生过程范围的接口ID,并用来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在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应。

共享域(Shared Domain)

具有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于持有应用程序域的用户代码都是不可或缺的。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的要旨类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也可以被加载到这个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是运用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个利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,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中制造的施用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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。尽管有些应用程序需要在运转时创制额外的使用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一的运作时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运作期间只创设一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假若一个应用程序有六个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息方可接纳System.ContextBoundObject派生的花色创制。每个应用程序域有友好的莱芜描述符(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,接口虚表管理器和次序集缓存。

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效能是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的方方面面生命期内设有的部件。这一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四个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平日访问的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在屡次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次领会域后,大家准备看看它们在一个简便的应用程序的前后文中的情理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
摸底SOS的加载消息)。这里是编写后的出口:

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,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”山姆(Sam)ple1.exe”的运用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过因为它是主导系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡屡堆,低频堆和代理堆。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。

输出没有显示加载器堆的保留尺寸和已交付尺寸。高频堆的开头化大小是32KB,每一趟提交4KB。SOS的输出也并未出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己的加载器堆在域伊始化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,先导时交由4KB。大家将会在连续部分啄磨项目布局时研究IVMap的意思。

图2
展现默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目的堆(用于大小相等依旧超过85000字节的靶子),它表明了这么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杂质回收堆。

项目原理

品种是.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。大多数品种由程序员显式创立,可是,在专门的互动操作(interop)意况和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,这一个发生的档次涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩因此一个饱含对象引用的栈最先研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例伊始生命期的地方)。
图4中显得的代码包含一个简单易行的次序,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的连串实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆成立对象。尽管这是一段无聊的代码,然而能够帮忙我们开展座谈。

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,它阐明在可能的场馆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依次入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以固定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分红的靶子的地点。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管怎么着,它涵盖了一个对象实例的地方,大家将运用术语对象实例(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 2

一般GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为 _largeObj
的字节数组(注意,图中映现的轻重缓急为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的目标的处理和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上创制,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会促销扣,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只会在一点一滴GC回收时被回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个阐明的类型有一个方法表,而同样档次的持有目标实例都指向同一个方法表。它蕴含了项目标特性音讯(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。

主意表指向一个名为EEClass的要紧数据结构。在情势表创设前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的模式表指向它的EEClass。那一个协会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。加载器堆和选取程序域关联,那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消亡。而且,默认的利用程序域不会被卸载,所以那个代码的生存期是截止CLR关闭停止。

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 上创设。图 6
呈现了一个典型的对象布局。一个对象可以透过以下途径被引述:基于栈的一些变量,在相互操作仍旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和章程参数),拥有终结器( finalizer )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目标实例的上马地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
初步计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连续,所以在需要扩张表的分寸时, 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
能够在并未其余强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目标的所有实例使用的得力的新闻。这多少个新闻包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和使用程序域的目录。对于多数的靶子实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在举办线程碰到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的话语时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
图片 3

在上述代码中, smallObj 会动用 0 作为它的开场的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 成立一个 syncblk 入口并运用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句并应用 Monitor 类,一个看成同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创立。堆 GetHashCode
的调用会利用对象的哈希编码扩大 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时利用,但是这和突出的目的用处无关。
项目句柄紧跟在目的实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会在表明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。默认情况下,实例域会以内存最得力应用的不二法门排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。
7
的代码突显了 SimpleClass 包含有部分不比大小的实例变量。

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。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 地址在内存窗口体现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家尚无用其他共同代码应用此实例(也从不访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目的实例,指向起头地方的 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一块儿。六个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在联合。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的骨子里的字符串实例。字符串是一个专门的项目,因为兼具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同等实例。这么些历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的应用。大家在此以前已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集无法采取是否采用这么些历程,固然将来版本的 CLR
可能会提供那样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 4

之所以默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互动操作的情事下,词典顺序必须被保留到内存中,这时可以使用
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,它并未影响托管的布局(不过 .NET Framework 2.0
可能会这么做)。在竞相操作的场所下,假若您确实需要相当的填充字节和呈现的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 能够和域层次的 FieldOffset 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,大家利用 SOS 看看对象实例。一个灵光的一声令下是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的持有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 能够显得我们创设的唯一一个实例的地点。

!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

目的的总大小是 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,我们可以运用 DumpObj 命令输出它的情节,如下所示:

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

正如在此以前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于协会采用 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以拔取 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空间,如下所示:

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

万一您从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就足以拿走 str 的大大小小,即 36 字节。让我们输出 str
实例来证实这些结果:

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

要是您将字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就足以拿走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不知底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。在对象实例成立前,CLR查看加载类型,倘诺没有找到,则开展加载,得到方法表地址,创建对象实例,然后把品种句柄值追加到目的实例中。JIT编译器爆发的代码在举行艺术分派时利用项目句柄来定位方法表。CLR在需要史可以通过艺术表反向访问加载类型时采纳项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩大程序用于本文化的显示CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一局部,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此之前,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, 然后装置一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中实践 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一对下令,关于SOS更多音讯,参考这里

方法表

各类别和实例在加载到使用程序域时,会在内存中经过措施表来表示。这是在对象的第一个实例创制前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情景,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器发生的映射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的音信可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的类别句柄指向方法表起始地点的舞狮处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在那边对其进行探究。

图 9
呈现了法子表的独立布局。我们会声明项目句柄的有的关键的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起首,因为它直接关联到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

图片 5

基实例大小

基实例大小是由类加载器总括的对象的大小,基于代码中声称的域。往日曾经商量过,当前GC的落实内需一个足足12字节的对象实例。假如一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。此外的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和品种句柄占用。再说一遍,对象的高低会见临StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中呈现的MyClass(有六个接口)的方法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举行相比。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

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

情势槽表(Method Slot Table)

在章程表中蕴藏了一个槽表,指向各类艺术的叙述(MethodDesc),提供了档次的行为能力。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。

类加载器在如今类,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,它替换所有的被覆盖的虚方法和被隐形的父类方法,创立新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各类接口有自己的微小的vtable。可是被复制的槽指向平等的物理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并初阶化了一个静态变量,编译器会生成一个类构造函数。图10呈现了MyClass的不二法门表的布局。布局呈现了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会进展座谈。图11来得了MyClass的点子表的SOS的输出。

图10 MyClass MethodTable Layout
图片 6

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()

此外项目的发端4个点子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。那一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都指向相同的情势描述。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。

方法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的章程实现的一个装进。有二种档次的艺术描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互动操作实现的调用。在本文中,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,开首化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12体现了一个典型的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的办法描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的舞狮,是各种方法的8个叠加字节的一局部。这5个字节包含了调用预编译代理程序的通令。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的职务前面的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代码的白白跳转指令覆盖。

图 12艺术描述

图片 7

图12的法门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编译前的反汇编的简化展现。

Method2:

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

近期大家实践此格局,然后反汇编相同的地点:

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

在此地方,只有最先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的点子描述的数量。“!u”命令不知道这点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的有所东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的争持虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让大家从列出的函数中选用一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的艺术描述的始末:

!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

艺术的这多少个标志域的编码包含了章程的档次,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让大家看方法表此外一个繁杂的上边: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,我们将表明接口咋样开展布局和基于接口的办法分派的适龄工作办法。

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

在点子表的第12字节偏移处是一个第一的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个用到程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创造。每个接口的贯彻都在接口虚表中有一个记录。假如MyInterface1被多少个类实现,在接口虚表表中就有两个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的开头地点,如图9所示。这是接口方法分派爆发时采用的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图信息创造,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据创造。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在形式表中的接口新闻记录。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)被一个表明占用(0表示从父类派生,1表示由近日类实现)。在讲明后的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,开端槽的值为4(从0起始编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,开首槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来暴发这么的效益:每个接口有投机的兑现,不过物理映射到平等的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

依据接口的不二法门分派通过接口虚表举办,而直白的格局分派通过保留在各类槽的方法描述地址举办。如此前提及,.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经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到那一点:

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

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

这多少个反汇编突显了第一手调用MyClass的实例方法没有采取偏移。JIT编译器把措施描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和直接分派相比较需要有的外加的一声令下。一个下令用来取得接口虚表的地点,另一个取得形式槽表中的接口实现的启幕槽。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”使用一个下令把mc的目的引用拷贝到mi1。

虚分派(Virtual Dispatch)

近年来大家看看虚分派,并且和遵照接口的摊派举行相比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个一定的槽编号发生,和办法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在格局表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的主意调用被分派到子对象的兑现。反汇编呈现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这点。

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的显要组成部分。作为艺术表的一局部,它们分配在情势表的槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对于协会和引用的门类的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的对象引用,它引用了堆上创建的目的实例。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。

EEClass

EEClass在措施表成立前开头生活,它和模式表组成起来,是连串阐明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品种),只不过因为运用频度的两样而被分别。平日使用的域放在方法表,而不平时应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和摇头)在EEClass中,不过运行时索要的消息(如虚表槽和GC信息)在章程表中。

对每一个门类会加载一个EEClass到利用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这些网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的组合。在推行托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被填补,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个档次的关系。EEClass有五个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13只呈现了和这么些议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,大家从不在图中正好突显偏移。EEClass有一个间接的对于艺术表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的往往堆分配的艺术描述块。在措施表创造时,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在拔取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,因而削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

图片 8

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们前几天看望使用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的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令获得。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的输出看起来完全相同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以领略图13出示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的艺术)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举行摊派时被认为是虚函数并插手到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会得到总共10个艺术。最后列出的是类的三个静态域。MyClass没有实例域。其余域不言自明。

结论

我们关于CLR一些最重要的内在的探索旅程终于终止了。分明,还有不少题目亟需涉及,而且需要在更深的层系上谈论,但是我们意在这可以扶持你见到事物如何是好事。这里提供的许多的音讯可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,但是即便本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该维持不变。