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

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

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的处
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 种原理
  • 靶实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 道槽表(Method Slot
    Table)
  • 道描述(MethodDesc)
  • 接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface
    Map)
  • 虚分派(Virtual
    Dispatch)
  • 静态变量(Static
    Variables)
  • EEClass
  • 结论

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 对象布局与外存细节。
  • 方式发明布局。
  • 方法分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为以Windows上创办应用程序的骨干级基础架构,
多掌握点关于CLR的深认识会帮您构建高效之, 工业级健壮的应用程序.
在即时首文章被, 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, 基于接口的分摊, 和丰富多彩的数据结构.

咱俩会使用由C#写成的非常简单的代码示例,
所以任何针对编程语言的隐式引用都是坐C#言语也对象的.
讨论的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0遭到改,
但是多数之定义是未会见转移的. 我们见面采用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够解CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此的信息. 通篇,
我们见面谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中保有相关落实的切近, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥至它们.

图表1 会帮助你以搜索一些布局的时刻到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

于我们初步前,请留意:本文提供的信才针对以X86平台及运行的.NET Framework
1.1卓有成效(对于Shared Source CLI
1.0呢多数适用,只是于一些交互操作的情况下得注意例外),对于.NET
Framework
2.0晤起改,所以要不要当构建软件时指让这些内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创建的地面

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地带

当CLR执行托管代码的率先执行代码前,会创造三独应用程序域。其中有数个对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能出于CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正使 图2
所示,这些地带是系统域(System Domain)和共同享域(Shared
Domain),都是应用了么(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的出命名的地段。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实施映象文件的名做。其它的所在可以在托管代码中动用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者当非托管的代码中使ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的多少创建多个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓

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系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创建同初始化共享域和默认应用程序域。它用系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围之中以的蕴藏或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1蒙的一个优化特性,它的拍卖措施显得略微傻,因为CLR没有为程序集时选择是特性。尽管如此,由于当享有的应用程序域中针对一个特定的记只保留一个遥相呼应之字符串,此特性可节省内存空间。

系统域还担负产生过程范围之接口ID,并为此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过面临保持跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的意义。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

抱有未属另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有应用程序域的用户代码都是必备的。它见面让机关加载到一块儿享域中。系统命名空间的主干型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中给事先加载到本域中。用户代码也可被加载到这个域中,方法是于调用CorBindToRuntimeEx时采用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗得加载代码到一同享域中,方法是使System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个使用基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集吃加载到默认域(DefaultDomain)和外在托管代码中开创的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

沉默寡言认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其中运行。尽管稍应用程序需要在运行时创造额外的应用程序域(比如小使用插件,plug-in,架构或者进行第一之运行时代码生成工作的应用程序),大部分底应用程序在运作中只创造一个处。所有在此域运行的代码都是于地面层次上发上下文限制。如果一个应用程序有多个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可以使System.ContextBoundObject派生的种类创建。每个应用程序域有投机之安康描述符(SecurityDescriptor),安全及下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的来意是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的普生命期内是的构件。这些堆的提高基于可预测块,这样可以假设碎片最小化。加载器堆不同为垃圾回收堆(或者对如多处理器上的几近独堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,而比少看的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从赛层次了解域后,我们准备看看它在一个简练的应用程序的光景文中的情理细节,见
图3。我们以程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看
Son of
Strike
询问SOS的加载信息)。这里是编辑后的输出:

图3 Sample1.exe

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

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

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

using System;

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

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

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

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

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

咱俩的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个号称也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一块儿享域,不过盖它们是中心系统库,所以呢在系统域中列有。每个域会分配一个频堆,低频堆和代理堆。系统域和协同享域使用同样的类加载器,而默认应用程序使用自己之好像加载器。

出口没有亮加载器堆的保存尺寸及就交由尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为没有显得接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(简称也IVMap),由好的加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始经常提交4KB。我们拿会晤以后续有研究型布局时讨论IVMap的意义。

图2
显示默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和坏目标堆(用于大小相等还是超越85000字节的目标),它证明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留至JIT代码堆中。GC堆和老目标堆是用于托管对象实例化的废品回收堆。

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路原理

型原理

种类是.NET编程中的主导单元。在C#饱受,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数种类由程序员显式创建,但是,在特别之并行操作(interop)情形和远程对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些有的种类涵盖COM和运转时只是调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个涵盖对象引用的仓库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开始生命期的地方)。
图4着显得的代码包含一个略的次,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创建一个SmallClass的档次实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何在挺目标堆创建对象。尽管就是同样截无聊之代码,但是好助我们进行讨论。

图4 Large Objects and Small Objects

using System;

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

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

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

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

图5 显示了停止以Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明在或的状下用函数参数通过寄存器传递,而任何参数按照从右到左的次第入栈,然后由叫调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含有在仓库结构面临。引用类型变量如smallObj以定点大小(4许节DWORD)保存在栈中,包含了当形似GC堆着分配的靶子的地点。对于人情C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它蕴含了一个目标实例的地址,我们用使术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的仓库结构和堆积

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貌似GC堆上之smallObj对象实例包含一个叫作也 _largeObj
的字节数组(注意,图被显的分寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超或当85000字节的目标的处理同多少目标不同。大目标在怪目标堆(LOH)上分红,而聊目标在形似GC堆上创设,这样可优化对象的分红和回收。LOH不见面缩减,而GC堆在GC回收时展开压缩。还有,LOH只会以一点一滴GC回收时吃回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个声明的种类有一个方法表,而同档次的拥有目标实例都针对同一个方法表。它包含了档次的特色信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现之接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明的扇(slot)数目,指向相应实现之槽表。

方法表指向一个称呼吧EEClass的要害数据结构。在法发明创建前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4遭遇,SmallClass的点子表指向它们的EEClass。这些构造指向她的模块和程序集。方法表和EEClass一般分配在联合享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦让加载到中间,就直到应用程序域卸载时才见面流失。而且,默认的应用程序域不见面吃卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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靶实例

靶实例

赶巧而我们说罢之,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的援类型在 GC 堆或者 LOH 上创办。图 6
显示了一个卓越的靶子布局。一个对象可以透过以下途径为引述:基于栈的一对变量,在相互操作还是平台调用情况下的句子柄表,寄存器(执行办法时的
this 指针和章程参数),拥有终结器( finalizer )方法的目标的终结器队列。
OBJECTREF 不是依于目标实例的起来位置,而是来一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连续,所以在急需增加表的大大小小时, CLR
可以以内存中移动是表。 SyncTableEntry 维护一个反向的凋谢引用,以便 CLR
可以跟 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以当从来不其余强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了异常少用吃一个靶的装有实例使用的有效性之信息。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据以及应用程序域的目录。对于多数的目标实例,不会见呢实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这等同碰在执行线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的讲话时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
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每当以上代码中, smallObj 会使用 0 作为它们的苗子之 syncblk 编号。 lock
语词使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并使用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句并运用 Monitor 类,一个当做同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创设。堆 GetHashCode
的调用会采取对象的哈希编码增加 syncblk 。
当 SyncBlock 中出另外的域,它们于 COM 交互操作与封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时行使,不过这跟典型的靶子用处无关。
项目句柄紧跟在目标实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会以印证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟以项目句柄后。默认情况下,实例域会以内存最管用运用的法子排列,这样才需要极度少之当对合之填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有局部例外尺寸的实例变量。

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 调试器之内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们当图 7 的 return 语句处设置了断点,然后用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口亮对象实例。前 4 只字节是 syncblk
编号。因为我们尚无因此另外共同代码用是实例(也尚未看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存于栈变量的目标实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个过渡一个之排在联名。两独
short 类型变量 s1 和 s2 也给列于协同。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。字符串是一个专程之档次,因为兼具包含同样仿标记的字符串,会于程序集加载到过程时对一个大局字符串表的同样实例。这个历程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的运用。我们事先就提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不能够选择是否使用是进程,尽管未来本的 CLR
可能会见供这么的力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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为此默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的气象下,词典顺序必须吃保留到外存中,这时可以采用
StructLayoutAttribute 特性,它发一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以呢叫封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管当 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见这样做)。在互动操作的情下,如果您真正用分外的填充字节和显示的控制域的次第,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起行使。

圈罢脚的内存内容后,我们应用 SOS 看看对象实例。一个行的下令是
DumpHeap
,它可以列出所有的积内容及一个专门类型的有着实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显示我们创建的绝无仅有一个实例的地方。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C: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

靶的毕竟大小是 36 字节,不管字符串多异常, SimpleClass 的实例只含一个
DWORD 的靶子引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其它 8
独字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地点后,我们得使用 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

凑巧使前说过, C# 编译器对于类似的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织采取 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以使 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)

一经您自目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大大小小( 36
字节),就得落 str 的分寸,即 36 字节。让咱们输出 str
实例来证实这个结果:

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

设若你以字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大小(36字节),就可赢得ObjSize命令语的毕竟大小72字节。

告小心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1遭到,CLR不知情非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此其不见面受这令语。

本着方法发明底类型句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,CLR查看加载类型,如果无找到,则展开加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后将项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在拓展艺术分派时行使项目句柄来稳定方法表。CLR于用史可以经过措施表反向顾加载类型时采取类句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化之显示CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的同一有些,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程之前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所当的文本夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后以 Immediate 窗口中执行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的有限令,关于SOS更多信息,参考这里。

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方法表

方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会以内存中经过措施表来表示。这是于对象的首先只实例创建前的类加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器产生的映照到内存的首位数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音与外挂的音方可由此System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的品种句柄指向方法发明开位置的晃动处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算在这里针对那进展座谈。

图 9
显示了艺术发明的杰出布局。我们会证明项目句柄的有些关键的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让咱们从基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为她一直关系及运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

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基实例大小

基实例大小

基实例大小是出于类似加载器计算的靶子的轻重缓急,基于代码中声明的所在。之前曾经讨论了,当前GC的实现内需一个至少12字节的对象实例。如果一个接近没有定义任何的例域,它起码含有额外的4个字节。其它的8单字节被针对象头(可能含syncblk编号)和类型句柄占用。再说一不好,对象的大大小小会受StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3丁显得的MyClass(有零星独接口)的方发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将她同SOS的出口进行比。在图9屡遭,对象大小在4字节的摆处,值吗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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方法槽表(Method Slot Table)

办法槽表(Method Slot Table)

于艺术发明中隐含了一个槽表,指向各个艺术的讲述(MethodDesc),提供了种类的行为能力。方法槽表是依据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。

看似加载器在手上看似,父类和接口的首任数据被遍历,然后创建方法表。在排列过程中,它替换所有的吃挂的虚方法和吃藏的父类方法,创建新的扇,在急需时复制槽。槽复制是必备的,它可给每个接口有协调的最小之vtable。但是吃复制的槽指向平等的大体实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为保有没有发生显式定义构造函数的目标自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转变一个近乎构造函数。图10亮了MyClass的点子发明的布局。布局显示了10只方式,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会展开座谈。图11著了MyClass的法发明底SOS的输出。

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

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

其余类型的开4只措施总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是自System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是还针对相同的法子描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别与静态方法及实例方法分以同一组。

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道描述(MethodDesc)

计描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的法实现的一个卷入。有几种植档次的计描述,除了用于托管实现,分别用于不同之并行操作实现的调用。在本文中,我们就考察图3代码中之托管方描述。方法描述在相近加载过程遭到起,初始化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12显示了一个名列前茅的布局,方法发明的扇实际上对代理,而无是事实上的不二法门描述数据结构。对于实际的不二法门描述,这是-5字节的摆,是每个方法的8独叠加字节的均等组成部分。这5单字节包含了调用预编译代理程序的命令。5字节的摇可以起SOS的DumpMT输出从望,因为方法描述总是方法槽表指向的位置后的5只字节。在率先潮调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5单字节会被超过反至JIT编译后的x86代码的白跳转指令覆盖。

图 12办法描述

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

Method2:

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

兹咱们执行这个方,然后倒汇编相同之地点:

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

当此地点,只有开始5只字节是代码,剩余字节包含了Method2的道描述的数据。“!u”命令不亮堂这或多或少,所以生成的凡烂的代码,你可忽略5个字节后的有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在随要求编译后,CLR用编译后的代码地址更新此域。让我们由列有之函数中选取一个,然后据此DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的艺术描述的情节:

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

编译后,方法描述的情如下:

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

方的这个标志域的编码包含了章程的品种,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让我们看方法表另外一个扑朔迷离的上面:接口实现。它包裹了布局过程有的复杂,让托管环境看这或多或少禁闭起大概。然后,我们拿证明接口如何进行布局以及基于接口的不二法门分派的相当工作方式。

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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)

当方式发明的第12许节偏移处是一个重大的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一涂鸦加载时创造。每个接口的贯彻还当接口虚表中产生一个笔录。如果MyInterface1被简单单近乎实现,在接口虚表表中尽管发一定量独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的始位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常用的援。接口虚表是冲方法发明内含的接口图信息创建,接口图于措施发明布局过程中因类的排头数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在道表中的接口信息记录。在这种景象下,对MyClass实现的有限单接口中之每一个都产生少漫长记下。第一漫漫接口信息记录的发端4只字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个表明占用(0代表从今父类派生,1意味着由于目前相近实现)。在表明后底WORD是一个发端槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现之子表。对于MyInterface2,开始槽的价也4(从0开始编号),所以槽5和6依靠为实现;对于MyInterface2,开始槽的价为6,所以槽7和8依为实现。类加载器会于待经常复制槽来出这么的效益:每个接口有和好之落实,然而物理映射到同的章程描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2以及MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

根据接口的艺术分派通过接口虚表进行,而一直的方式分派通过保留在挨家挨户槽的方法描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2个参数在或的下一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一独参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以以“mov
ecx,esi”语句看到就或多或少:

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

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

这些倒汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法无动用偏移。JIT编译器把艺术描述的地点直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表发生,和直分派相比要有附加的一声令下。一个发令用来获取接口虚表的地方,另一个收获方式槽表中的接口实现的开端槽。而且,把一个目标实例转换为接口就需要拷贝this指针到目标的变量。在觊觎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)

虚分派(Virtual Dispatch)

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

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

虚分派总是通过一个固定的槽编号发生,和方法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在方发明布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对大对象的措施调用被分派到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8号槽发生,可以于调试器的内存窗口(如图10所著)和DumpMT的出口看到这或多或少。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的基本点组成部分。作为艺术发明底一律有,它们分配在章程发明的槽数组后。所有的故静态类型是内联的,而于组织及援的种的静态值对象,通于句柄表中开创的靶子引用来对。方法表中的对象引用指向应用程序域的语句柄表的靶子引用,它引用了堆积如山上创立的对象实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会使堆上之对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的对象引用,后者对GC堆上之MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在法发明创建前开在,它同道发明组成起来,是种声明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们并表示一个项目),只不过因为运用频度的异而受分别。经常下的域放在方法表,而未经常采取的地方于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时欲的音信(如虚表槽和GC信息)在艺术表中。

对各个一个项目会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个深受实践引擎跟踪的塑造之节点。CLR使用这个网络在EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次以及类加载顺序的结。在履托管代码的进程中,新的EEClass节点被投入,节点的关系为补,新的涉被立。在网被,相邻的EEClass还有一个水平的涉嫌。EEClass有三单域用于管理为加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4着之MyClass上下文中的EEClass的语义,请参见图13

图13单纯展示了同这议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中之有处,我们尚无在祈求被得当显示偏移。EEClass有一个间接的于措施发明的援。EEClass也针对于默认应用程序域的累累堆分配的方描述块。在方发明创建时,对过程堆上分红的所在描述列表的一个援提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以重复好的拓展内存分页管理,因此削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

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图13着的其它域在MyClass(图3)的上下文的含义不谈自明。我们现在看望用SOS输出的EEClass的着实的情理内存。在mc.Method1替码行设置断点后,运行图3的顺序。首先用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.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。现在我们得到了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暨DumpClass的出口看起了平等。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了当模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相互邻链指于名也Program的EEClass,可以知道贪图13来得的凡加载Program时之结果。

MyClass有8个虚表槽(可以叫虚分派的艺术)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们可于经接口进行分摊时让认为是虚函数并加入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面落总共10只点子。最后列有之凡相近的有数个静态域。MyClass没有实例域。其它地方不称自明。

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Conclusion结论

结论

我们关于CLR一些无限要紧之内在的探赜索隐旅程算结束了。显然,还有众多题目用涉及,而且亟需在又特别的层次上谈论,但是咱盼望就足以辅助您瞧事物如何行事。这里提供的众的音信或者会见在.NET框架和CLR的新兴本中改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改,概念应该维持不移。

乘通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下开发应用程序的首选架构,对其开展深刻理解会拉而建可行之工业强度的应用程序。在本文中,我们用探索CLR内部,包括对象实例布局,方法发明布局,方法分派,基于接口的摊和见仁见智的数据结构。

咱俩以使用C#修的简要代码示例,以便任何固有之言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见当Microsoft®
.NET Framework 2.0着改,但是主要概念应该保持不变换。我们应用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的内部数据结构并出口有因此信息。请参见“Son
of Strike”补充资料,了解什么用SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的进程空间。本文中,我们拿讲述在合享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中发出相应实现的切近,你得自msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1拿扶持而当SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

于咱们开前,请留心:本文提供的消息就对以X86平台达成运行的.NET Framework
1.1管用(对于Shared Source CLI
1.0为多数适用,只是以某些交互操作的情况下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0见面生出变动,所以告不要以构建软件时靠让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地域

每当CLR执行托管代码的首先实践代码前,会创三独应用程序域。其中有数独对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能出于CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的凡shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正而图2所示,这些地区是系统域(System
Domain)和一块享域(Shared
Domain),都是采取了单个(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的有命名的所在。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而尽映象文件之讳做。其它的地区可以当托管代码中以AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中使ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的数据创建多个域。

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2 由CLR启动程序创建的地域

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系统域(System Domain)

系统域负责创建及初始化共享域和默认应用程序域。它用系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围里边用的盈盈或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1遭遇之一个优化特性,它的拍卖方法显得略微傻,因为CLR没有于程序集时选择是特性。尽管如此,由于当装有的应用程序域中对一个特定的记号只保留一个应和之字符串,此特性可省内存空间。

系统域还担负产生过程范围之接口ID,并为此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过遭到保持跟踪所有域,并实现加载与卸载应用程序域的效果。

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共享域(Shared Domain)

具未属另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有应用程序域的用户代码都是必备的。它见面吃自动加载到一块享域中。系统命名空间的为主型,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。用户代码也可被加载到这个域中,方法是当调用CorBindToRuntimeEx时采用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也足以加载代码到联合享域中,方法是运System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个用到基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系之查找表,这些程序集为加载到默认域(DefaultDomain)和另外在托管代码中开创的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

沉默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。尽管小应用程序需要以运转时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一之运作时代码生成工作的应用程序),大部分之应用程序在运行中就创造一个地区。所有在此域运行的代码都是于地域层次上起上下文限制。如果一个应用程序有差不多个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可应用System.ContextBoundObject派生的型创建。每个应用程序域有和好之安康描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的打算是加载不同之周转时CLR部件和优化在域的整生命期内是的预制构件。这些堆的滋长基于可预测块,这样可以假设碎片最小化。加载器堆不同为垃圾回收堆(或者对如多处理器上之大都只堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在频繁堆上,而于少看的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

由大层次了解域后,我们准备看看它当一个略的应用程序的前后文中的大体细节,见图3。我们于程序运行时停在mc.Method1(),然后使SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看Son
of
Strike
打听SOS的加载信息)。这里是编写后底出口:

!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

俺们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个叫做吧“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一起享域,不过因为它是中心系统库,所以啊于系统域中列有。每个域会分配一个累堆,低频堆和代理堆。系统域和合享域使用同样的类加载器,而默认应用程序使用自己之好像加载器。

出口没有展示加载器堆的保存尺寸及曾交由尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为尚无显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(简称也IVMap),由友好的加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始经常提交4KB。我们拿会以继续有研究型布局时讨论IVMap的意义。

图2亮默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和深目标堆(用于大小相当于或超越85000字节的对象),它说明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留到JIT代码堆着。GC堆和死目标堆是用以托管对象实例化的垃圾回收堆。

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列原理

路是.NET编程中之为主单元。在C#吃,类型可以采用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数色由程序员显式创建,但是,在专门的互动操作(interop)情形和长途对象调用(.NET
Remoting)场合着,.NET
CLR会隐式的发类型,这些发生的项目涵盖COM和运行时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们通过一个含对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开始生命期的地方)。图4遭受显得的代码包含一个大概的次第,它发出一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的门类实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何在深目标堆创建对象。尽管就是同等段无聊之代码,但是可帮我们进行座谈。

图5展示了艾以Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明以或的事态下以函数参数通过寄存器传递,而其余参数按照从右到左的顺序入栈,然后由叫调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含有在仓库结构中。引用类型变量如smallObj以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了以形似GC堆着分配的靶子的地方。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目标的援。不管怎样,它涵盖了一个对象实例的地点,我们用使术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

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图5 SimpleProgram的仓库结构和堆积

貌似GC堆上之smallObj对象实例包含一个叫作吧_largeObj的字节数组(注意,图备受展示的分寸为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超越或当85000字节的靶子的拍卖同多少目标不同。大目标在异常目标堆(LOH)上分红,而小目标在相似GC堆上创立,这样好优化对象的分配与回收。LOH不见面减少,而GC堆在GC回收时进行削减。还有,LOH只见面当了GC回收时为回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个声明的类型有一个方法表,而同等种类的具有目标实例都指向同一个方法表。它含有了型的性状信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明底扇(slot)数目,指向相应实现之槽表。

术表指向一个号称也EEClass的重要数据结构。在艺术发明创建前,CLR类加载器从元数据遭到创造EEClass。图4遇,SmallClass的章程表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在齐享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦为加载到中,就直到应用程序域卸载时才会磨。而且,默认的应用程序域不会见叫卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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目标实例

适使我辈说过的,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。所有的援类型在GC堆或者LOH上开创。图6亮了一个一流的对象布局。一个对象可以透过以下途径为引述:基于栈的一对变量,在交互操作还是平台调用情况下之语句柄表,寄存器(执行办法时的this指针和方式参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是依赖于目标实例的初始位置,而是发生一个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开端计数的syncblk编号。因为通过索引进行连接,所以在用增加表的尺寸时,CLR可以当内存中走是发明。SyncTableEntry维护一个反向的已故引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以于没任何强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了大少得吃一个对象的有着实例使用的卓有成效的信。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和应用程序域的目录。对于大部分之目标实例,不见面吧实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这等同碰在尽线程遇到如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();

每当上述代码中,smallObj会使用0作为其的苗子之syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并以相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩展为try-finally语词并使用Monitor类,一个看成同步的Monitor对象在syncblk上缔造。堆GetHashCode的调用会下对象的哈希编码增加syncblk。

于SyncBlock中产生其它的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时利用,不过就与卓越的靶子用处无关。

类型句柄紧跟以对象实例中之syncblk编号后。为了保持连续性,我会在证实实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟以项目句柄后。默认情况下,实例域会为内存最灵运用的方法排列,这样才需要极少的当对同步之填充充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有有不一尺寸的实例变量。

图8显了以Visual
Studio调试器的内存窗口被的一个SimpleClass对象实例。我们于图7的return语句处设置了断点,然后使ECX寄存器保存之simpleObj地址在内存窗口亮对象实例。前4单字节是syncblk编号。因为咱们从没就此其他共同代码应用此实例(也从不看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指于起始位置的4只字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3跟b4于一个属一个底排列在同步。两单short类型变量s1和s2也受列于联名。字符串变量str是一个4字节底OBJECTREF,指于GC堆着分配的骨子里的字符串实例。字符串是一个特别之种,因为具有包含同样仿标记的字符串,会以次集加载到过程时对一个大局字符串表的如出一辙实例。这个过程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的应用。我们事先曾经提过,在NET Framework
1.1受,程序集不克挑是否用这历程,尽管未来版的CLR可能会见供这么的能力。

因此默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的情景下,词典顺序必须被保存至外存中,这时可以应用StructLayoutAttribute特性,它发出一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以为为封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管当.NET
Framework 1.1蒙受,它从不影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0也许会见这么做)。在交互操作的情事下,如果您实在需要分外的填充字节和展示的控制域的相继,LayoutKind.Explicit可以和域层次之FieldOffset特性一起使用。

扣押罢脚的内存内容后,我们应用SOS看看对象实例。一个行之有效之命令是DumpHeap,它可列出所有的积内容以及一个特意类型的享有实例。无需靠寄存器,DumpHeap可以显示我们创建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

目标的究竟大小是36字节,不管字符串多特别,SimpleClass的实例只包含一个DWORD的对象引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8只字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地址后,我们得用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

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

一经您于目标图的全局大小(72字节)减去SimpleClass的大小(36字节),就得赢得str的轻重缓急,即36字节。让咱们输出str实例来说明这个结果:

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

设若您拿字符串实例的深浅(36字节)加上SimpleClass实例的轻重(36字节),就得抱ObjSize命令语的到底大小72字节。

恳请小心ObjSize不含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1遇,CLR不知道非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它们不见面吃这个命令语。

对方法发明底种句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创建前,CLR查看加载类型,如果没有找到,则展开加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在开展方式分派时采用项目句柄来恒定方法表。CLR于急需史可以由此措施表反向顾加载类型时用类句柄。

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方法表

每个接近与实例在加载到应用程序域时,会当内存中经艺术表来表示。这是以对象的首先单实例创建前之近乎加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到于语言编译器产生的投射到内存的正数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音讯以及外挂的消息方可透过System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的路句柄指向方法发明开始位置的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算以此间对该展开座谈。

图9显示了智发明底卓绝布局。我们会证明项目句柄的一些重要的域,但是对于截然的列表,请参见此图。让咱于基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它直接涉及及运行时之内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由接近加载器计算的靶子的尺寸,基于代码中声称的地区。之前早已讨论了,当前GC澳门新葡亰网址的贯彻用一个起码12字节的靶子实例。如果一个像样没有定义任何的例域,它至少含有额外的4只字节。其它的8独字节被针对象头(可能含有syncblk编号)和档次句柄占用。再说一次于,对象的大小会吃StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3受到显的MyClass(有少单接口)的方法发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将其与SOS的出口进行较。在图9被,对象大小在4字节之撼动处,值也12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

!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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措施槽表(Method Slot Table)

以道发明中寓了一个槽表,指向各个艺术的描述(MethodDesc),提供了路的行为能力。方法槽表是因方法实现之线性链表,按照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类似加载器在时下仿佛,父类和接口的初数据被遍历,然后创建方法表。在排过程遭到,它替换所有的叫盖的虚方法和叫藏的父类方法,创建新的扇,在用时复制槽。槽复制是必要的,它可以让每个接口有自己之太小的vtable。但是给复制的槽指向同之情理实现。MyClass包含接口方法,一个近似构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为有着没有发出显式定义构造函数的靶子自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转一个看似构造函数。图10显示了MyClass的计发明底布局。布局显示了10独道,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面进行讨论。图11亮了MyClass的方式发明的SOS的输出。

其他项目的初步4只主意总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是起System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是还针对相同之方描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别与静态方法以及实例方法分以相同组。

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主意描述(MethodDesc)

法描述(MethodDesc)是CLR知道的方式实现的一个包。有几种植档次的法子描述,除了用于托管实现,分别用于不同之彼此操作实现的调用。在本文中,我们就考察图3代码中的托管方描述。方法描述在接近加载过程被有,初始化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12显示了一个突出的布局,方法发明底扇实际上对代理,而无是事实上的点子描述数据结构。对于实际的主意描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8独附加字节的同有。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命。5字节的皇可以打SOS的DumpMT输出从观望,因为方法描述总是方法槽表指向的职后的5单字节。在首先次等调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5单字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的白跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

本着图12底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。以下是以Method2给JIT编译前的相反汇编的简化显示。

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

当今我们执行这方,然后倒汇编相同之地点:

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

每当是地点,只有开始5只字节是代码,剩余字节包含了Method2的法子描述的数码。“!u”命令不知道这或多或少,所以生成的凡烂的代码,你可忽略5单字节后的保有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在本要求编译后,CLR以编译后的代码地址更新此域。让我们由列有的函数中选取一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的点子描述的内容:

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

编译后,方法描述的情如下:

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

措施的这个标志域的编码包含了艺术的花色,例如静态,实例,接口方法要COM实现。让我们看方法表另外一个犬牙交错的方:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境看就一点关押起大概。然后,我们用证明接口如何开展布局及因接口的点子分派的方便工作措施。

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接口虚表图和接口图

在方发明的次12配节偏移处是一个要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创造。每个接口的实现还在接口虚表中起一个记下。如果MyInterface1被简单独八九不离十实现,在接口虚表表中不怕有少数个记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的起位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常采用的援。接口虚表是依据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于措施发明布局过程中因类的首家数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在术表中的接口信息记录。在这种状态下,对MyClass实现的有限单接口中的各一个都出星星点点长长的记下。第一长条接口信息记录之初步4个字节指向MyInterface1的种句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从今父类派生,1象征是因为目前类似实现)。在表明后底WORD是一个起槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现之子表。对于MyInterface2,开始槽的价为4(从0开始编号),所以槽5和6据于实现;对于MyInterface2,开始槽的价值为6,所以槽7和8赖于实现。类加载器会在用常复制槽来发生这样的成效:每个接口有投机的落实,然而物理映射到均等的方法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2跟MyInterface2.Method2会指向相同之贯彻。

据悉接口的法门分派通过接口虚表进行,而一直的方分派通过保留于一一槽的法描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2独参数在恐的时节一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先只参数总是this指针,所以经ECX寄存器传送,可以当“mov
ecx,esi”语句看到这或多或少:

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

这些反汇编显示了一直调用MyClass的实例方法无应用偏移。JIT编译器把法描述的地方直接写及代码中。基于接口的分摊通过接口虚表发生,和一直分派相比要有些格外的吩咐。一个命令用来取接口虚表的地点,另一个沾方式槽表中的接口实现之开头槽。而且,把一个对象实例转换为接口就待拷贝this指针到目标的变量。在图2蒙,语句“mi1=mc”使用一个下令把mc的目标引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

当今我们看虚分派,并且和基于接口的分担进行比较。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个一定的槽编号发生,和办法表指针在特定的接近(类型)实现层次无关。在法发明布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的落实。结果,对爹爹对象的点子调用被分派到子对象的兑现。反汇编显示了分派通过8声泪俱下槽发生,可以以调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

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静态变量

静态变量是方法表数据结构的要部分。作为艺术发明的一致有些,它们分配在章程发明的槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对此组织和援的类的静态值对象,通于句柄表中开创的对象引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的词柄表的靶子引用,它引用了堆积如山上创造的目标实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的目标引用,后者对GC堆上之MyString。

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EEClass

EEClass在术发明创建前开始在,它跟道发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和艺术表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个路),只不过因为以频度的差而于分开。经常采取的域放在方法表,而休常使用的处于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,但是运行时用之信(如虚表槽和GC信息)在方式表中。

本着各一个路会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个深受实践引擎跟踪的塑造之节点。CLR使用这网络在EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次以及类加载顺序的组成。在执行托管代码的经过中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌为填补,新的涉及被起。在网络中,相邻之EEClass还有一个水准的关系。EEClass有三只域用于管理于加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4遭逢的MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13。

图13只有显示了与此议论有关的一些域。因为咱们忽略了布局中的片地带,我们尚无于祈求被适量显示偏移。EEClass有一个间接的于艺术发明底援。EEClass也针对于默认应用程序域的再三堆分配的不二法门描述块。在方发明创建时,对经过堆上分红的地面描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以重复好之进展内存分页管理,因此减少了劳作集。

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图13 EEClass 布局

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

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

Name2EE的率先个参数时模块名,可以由DumpDomain命令得到。现在咱们收获了EEClass的地址,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224
MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui 

图13及DumpClass的出口看起了一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了以模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指于名吧Program的EEClass,可以掌握贪图13展示的是加载Program时之结果。

MyClass有8个虚表槽(可以让虚分派的点子)。即使Method1和Method2休是虚方法,它们得以于经接口进行分摊时给认为是虚函数并加入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你会获取总共10独主意。最后列有之是近乎的星星点点个静态域。MyClass没有实例域。其它地方不称自明。

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Conclusion结论

咱关于CLR一些顶要紧的内在的探讨旅程算终止了。显然,还有众多题材待涉及,而且亟需在再度甚的层系上谈论,但是我们想马上足以帮您瞧东西如何做事。这里提供的成千上万底消息可能会见于.NET框架和CLR的新兴本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保持不更换。

Hanu Kommalapati举凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的相同称架构师。他以微软今之角色是支援客户基于.NET框架建立可扩大的零件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
举凡微软支付支持高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他当北卡罗来州之夏洛特,可以经tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司的软件工程师,习惯使用C++和C#付出应用程序。闲暇时间外欣赏音乐,旅游及怀旧游戏,并且愿意帮助MSDN翻译更多之章与其余开发者共享。可以通过ecaijw@msn.com联系他。

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