NET框架之中明白CLR咋样创立运行时对象,深刻商量澳门新葡亰网址

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

本页内容

目录

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目的布局和内存细节。
  • 办法表布局。
  • 主意分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创办应用程序的主角级基础架构,
多理解点关于CLR的吃水认识会支援你构建高效的, 工业级健壮的采取程序.
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, 和五光十色的多寡结构.

大家会使用由C#写成的非常简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为目的的.
探究的有些数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过大多数的定义是不会变的. 我们会使用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些多少结构.
SOS可以了解CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音信. 通篇,
大家会钻探在Shared Source CLI(SSCLI)中保有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会协助你在追寻一些构造的时候到SSCLI中的音信.

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

在我们开头前,请留意:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1卓有功效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在一些交互操作的情状下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改观,所以请不要在构建软件时依赖于这多少个内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

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,会创制五个使用程序域。其中六个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由CLR启动进程制造,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)。正如 图2
所示,这么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是运用了单件(Singleton)格局。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,默认的域名由可进行映象文件的名字组成。此外的域可以在托管代码中运用AppDomain.CreateDomain方法成立,或者在非托管的代码中行使ICORRuntimeHost接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的数码创制四个域。

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)

系统域负责创设和开端化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍视过程范围之中采用的含有或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的拍卖措施显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。固然如此,由于在有着的使用程序域中对一个特定的记号只保留一个应和的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还担负爆发过程范围的接口ID,并用来创建每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中保持跟踪所有域,并落实加载和卸载应用程序域的功能。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

所有不属于其它特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是少不了的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的主导类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被先行加载到本域中。用户代码也得以被加载到这么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时使用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是采取System.LoaderOptimizationAttribute特性阐明Main方法。共享域还管理一个接纳基地址作为目录的主次集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这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使用程序域。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内部运行。即便有些应用程序需要在运行时创建额外的采纳程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办首要的运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。假诺一个应用程序有六个应用程序域,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动用System.ContextBoundObject派生的花色成立。每个应用程序域有投机的伊春描述符(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)

加载器堆的机能是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的整整生命期内设有的构件。那多少个堆的加强基于可预测块,这样能够使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的多少个堆),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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次精通域后,大家准备看看它们在一个简便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来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
叩问SOS的加载消息)。这里是编制后的输出:

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();
    }
}

大家的控制台程序,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,但是因为它是主题系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡屡堆,低频堆和代办堆。系统域和共享域使用相同的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

出口没有出示加载器堆的保存尺寸和已提交尺寸。高频堆的先导化大小是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初步化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,最先时交由4KB。大家将会在此起彼伏部分商讨项目布局时研商IVMap的意义。

图2
突显默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相等依然超过85000字节的目的),它表达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堆和大目的堆是用以托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

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体系原理

品类原理

项目是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以应用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数门类由程序员显式创造,但是,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,这多少个发生的类型涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家经过一个涵盖对象引用的栈开端研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例开端生命期的地方)。
图4中展现的代码包含一个简便的次序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创制一个SmallClass的档次实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目的堆创制对象。即使这是一段无聊的代码,可是可以帮忙我们举行钻探。

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 突显了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的景色下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数按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以稳住大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目的的地方。对于价值观C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么着,它富含了一个目的实例的地方,大家将采取术语对象实例(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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貌似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为 _largeObj
的字节数组(注意,图中显得的分寸为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的对象的拍卖和小目标不同。大指标在大目标堆(LOH)上分红,而小目标在相似GC堆上创立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时实行削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个表明的项目有一个方法表,而同样品种的具有目的实例都针对同一个方法表。它富含了花色的特性信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代理),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

艺术表指向一个名为EEClass的重点数据结构。在章程表成立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的法子表指向它的EEClass。那一个构造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。加载器堆和运用程序域关联,这里涉及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化为乌有。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以那一个代码的生存期是截止CLR关闭结束。

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目的实例

对象实例

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 上开创。图 6
呈现了一个第一名的对象布局。一个对象足以因而以下途径被引述:基于栈的片段变量,在交互操作依然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 )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目的实例的发端地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开端计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连续,所以在需要扩大表的高低时, CLR
可以在内存中活动这些表。 SyncTableEntry 维护一个反向的弱引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以在一直不任何强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的装有实例使用的卓有效用的音讯。这多少个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和运用程序域的目录。对于大部分的目的实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在执行线程遭受如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的口舌时会发生变化,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 会采取 0 作为它的起头的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创设一个 syncblk 入口并使用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩充为 try-finally 语句并运用 Monitor 类,一个看作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创设。堆 GetHashCode
的调用会利用对象的哈希编码扩充 syncblk 。
在 SyncBlock 中有其余的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时利用,不过那和超绝的靶子用处无关。
项目句柄紧跟在目的实例中的 syncblk
编号后。为了保持连续性,我会在表明实例变量后探讨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在品种句柄后。默认意况下,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 包含有一些不一尺寸的实例变量。

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 地址在内存窗口呈现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们并未用其余共同代码应用此实例(也一直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,指向开首地点的 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联名。六个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在共同。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的实际上的字符串实例。字符串是一个特其余门类,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样实例。这么些进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的利用。我们前边已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可能选用是否使用这多少个历程,即使以后版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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之所以默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的情景下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以应用
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,即便在 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(可是 .NET Framework 2.0
可能会这样做)。在互相操作的情状下,假诺你真正需要额外的填充字节和出示的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)(Field)Offset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们使用 SOS 看看对象实例。一个使得的指令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的有所实例。无需看重寄存器,
DumpHeap 可以显得我们成立的唯一一个实例的地址。

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

目标的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只包含一个
DWORD 的靶子引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其余 8
个字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地点后,我们可以运用 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
(对于协会接纳 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家得以行使 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)

假设您从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重( 36
字节),就足以博得 str 的高低,即 36 字节。让咱们输出 str
实例来证实这一个结果:

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

万一你将字符串实例的分寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可以得到ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不精通非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因而它们不会被这多少个命令报告。

针对方法表的门类句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创设前,CLR查看加载类型,假使没有找到,则举办加载,得到方法表地址,创设对象实例,然后把项目句柄值追加到指标实例中。JIT编译器发生的代码在展开艺术分派时行使项目句柄来稳定方法表。CLR在急需史可以经过艺术表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩充程序用于本文化的显示CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此以前,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, 然后装置一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中推行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一对命令,关于SOS更多音信,参考这里

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方法表

方法表

各类类和实例在加载到使用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。这是在对象的率先个实例创设前的类加载活动的结果。对象实例表示的是场馆,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暴发的映射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音信和外挂的音讯可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以通过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的连串句柄指向方法表起首地点的舞狮处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC消息。大家不打算在此地对其举办琢磨。

图 9
彰显了点子表的天下第一布局。大家会注脚项目句柄的有的最重要的域,然则对于截然的列表,请参见此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)伊始,因为它直接关系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计的对象的尺寸,基于代码中阐明的域。此前早已琢磨过,当前GC的贯彻内需一个足足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(可能带有syncblk编号)和项目句柄占用。再说一遍,对象的分寸会遭受StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中展现的MyClass(有两个接口)的艺术表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办比较。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

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

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措施槽表(Method Slot Table)

艺术槽表(Method Slot Table)

在艺术表中带有了一个槽表,指向各样艺术的讲述(MethodDesc),提供了连串的行为能力。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。

类加载器在当前类,父类和接口的元数据中遍历,然后创建方法表。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,创设新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各类接口有温馨的很小的vtable。可是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#编译器为所有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并伊始化了一个静态变量,编译器会变动一个类构造函数。图10来得了MyClass的主意表的布局。布局展现了10个形式,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下面我们会展开座谈。图11展现了MyClass的不二法门表的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()

此外项目标起始4个格局总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,不过都对准相同的章程描述。代码展现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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主意描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的法门实现的一个卷入。有二种档次的措施描述,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,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,先河化为指向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体现了一个压倒一切的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的法门描述数据结构。对于实际的章程描述,这是-5字节的舞狮,是每个方法的8个附加字节的一局部。这5个字节包含了调用预编译代理程序的授命。5字节的撼动能够从SOS的DumpMT输出从阅览,因为方法描述总是方法槽表指向的职务前边的5个字节。在率先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12艺术描述

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图12的不二法门表槽指向的代码举行反汇编,呈现了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化呈现。

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

现行我们实施此模式,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,只有伊始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的主意描述的多寡。“!u”命令不清楚这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的富有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的周旋虚地址(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采取一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的章程描述的情节:

!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

措施的这一个标志域的编码包含了主意的门类,例如静态,实例,接口方法仍然COM实现。让我们看方法表其余一个繁杂的下边:接口实现。它包裹了布局过程具有的纷繁,让托管环境觉得那或多或少看起来大概。然后,我们将声明接口怎样进展布局和依照接口的方法分派的适宜工作办法。

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接口虚表图和接口图

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

在措施表的第12字节偏移处是一个生死攸关的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个运用程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创设。每个接口的贯彻都在接口虚表中有一个记下。如若MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有六个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的始发地方,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消息创制,接口图在格局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字节地点的接口图会指向内含在点子表中的接口音信记录。在这种情景下,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上马4个字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0表示从父类派生,1象征由如今类实现)。在表明后的WORD是一个方始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开首槽的值为4(从0开头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起始槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来暴发这样的意义:每个接口有友好的贯彻,可是物理映射到均等的模式描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

基于接口的方法分派通过接口虚表进行,而从来的办法分派通过保留在一一槽的点子描述地址举行。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开始2个参数在可能的时候一般经过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”语句看到这点:

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

这些反汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法没有运用偏移。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暴发,和直接分派相比需要有些外加的通令。一个下令用来获取接口虚表的地点,另一个获取情势槽表中的接口实现的起先槽。而且,把一个目标实例转换为接口只需要拷贝this指针到对象的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个限令把mc的目标引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现在我们看看虚分派,并且和按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原则性的槽编号发生,和措施表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在章程表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的方法调用被分摊到子对象的贯彻。反汇编展现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这或多或少。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是办法表数据结构的要害组成部分。作为艺术表的一有的,它们分配在措施表的槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对此社团和引用的门类的静态值对象,通在句柄表中创设的靶子引用来针对。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,它引用了堆上创设的目标实例。一旦创制后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的目标引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在情势表创造前伊始生活,它和章程表组成起来,是类别声明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品类),只然而因为运用频度的不等而被分手。日常采用的域放在方法表,而不日常使用的域在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)在艺术表中。

对每一个体系会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和协会。每个EEClass是一个被实践引擎跟踪的树的节点。CLR使用这一个网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,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。在推行托管代码的历程中,新的EEClass节点被出席,节点的涉及被补充,新的关联被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水准的关系。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,请参见图13

图13只显示了和这么些研讨有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们没有在图中适量显示偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的高频堆分配的方法描述块。在措施表创制时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音信。EEClass在行使程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的进展内存分页管理,因而缩小了办事集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。我们明日探视使用SOS输出的EEClass的着实的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先采用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地址。

!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命令拿到。现在我们拿到了EEClass的地方,咱们输出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的输出看起来完全一样。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,能够领略图13展现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的法子)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举办分摊时被认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor参预到列表中,你会拿走总共10个法子。最终列出的是类的两个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

大家关于CLR一些最要害的内在的钻探旅程终于终止了。分明,还有很多题材亟需涉及,而且需要在更深的层系上谈论,不过我们希望这可以扶持你看来东西咋办事。这里提供的不少的消息或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,不过即使本文提到的CLR数据结构可能改动,概念应该保障不变。

乘胜通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其展开浓厚明白会赞助你建立可行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,基于接口的摊派和不同的数据结构。

俺们将使用C#编辑的粗略代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处探讨的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,不过关键概念应该保障不变。我们采纳Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩张Son of Strike
(SOS)来查看本文探究的数据结构。SOS领会CLR的里边数据结构并出口有用消息。请参考“Son
of Strike”补充材料,明白怎么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,我们将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有照应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将帮衬你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的布局。

在大家最先前,请留心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的情事下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改观,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)创设的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创立两个使用程序域。其中六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启动进程创建,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,那个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(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,默认的域名由可进行映象文件的名字组成。其余的域可以在托管代码中利用AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中采取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码成立六个域。

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2 由CLR启动程序创造的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创立和最先化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保养过程范围里边使用的隐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,它的处理措施显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采取此特性。虽然如此,由于在富有的使用程序域中对一个一定的符号只保留一个对应的字符串,此特性能够节约内存空间。

系统域还背负爆发过程范围的接口ID,并用来成立每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保障跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的功能。

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共享域(Shared Domain)

有着不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有所应用程序域的用户代码都是必备的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的主题类型,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多少个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时使用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也足以加载代码到共享域中,方法是运用System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个利用基地址作为目录的程序集映射图,此映射图作为管理共享程序集倚重关系的查找表,那些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的行使程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里头运行。即便有些应用程序需要在运作时创建额外的运用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点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转期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假如一个应用程序有多少个使用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音信方可行使System.ContextBoundObject派生的品类创立。每个应用程序域有谈得来的安全描述符(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,接口虚表管理器和顺序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功力是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的全体生命期内设有的构件。这个堆的增长基于可预测块,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。平常访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番三次堆上,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)。

从高层次了然域后,我们准备看看它们在一个简约的应用程序的上下文中的物理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后接纳SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看Son
of
Strike
明白SOS的加载消息)。那里是编写后的出口:

!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

大家的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为“山姆ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是基本系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个往往堆,低频堆和代办堆。系统域和共享域使用同样的类加载器,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由尺寸。高频堆的最先化大小是32KB,每一次提交4KB。SOS的出口也从不体现接口虚表堆(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开始化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,开端时提交4KB。咱们将会在后续部分探究项目布局时研讨IVMap的意义。

图2展现默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相当于还是超过85000字节的目的),它评释了那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堆和大目标堆是用来托管对象实例化的污物回收堆。

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花色原理

连串是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以运用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数项目由程序员显式成立,不过,在专门的竞相操作(interop)情况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,这个暴发的品类涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家经过一个暗含对象引用的栈先导商讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例开首生命期的地点)。图4中显得的代码包含一个简约的次序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1开立一个SmallClass的档次实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆创制对象。即便这是一段无聊的代码,可是足以援助我们开展商量。

图5体现了截至在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注明在可能的情事下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数依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以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分红的指标的地址。对于传统C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管咋样,它蕴含了一个目标实例的地点,我们将动用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

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图5 SimpleProgram的栈结构和堆

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,图中显得的大大小小为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对领先或等于85000字节的目的的处理和小目标不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目标在相似GC堆上创制,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会回落,而GC堆在GC回收时举办压缩。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目标方法表。每个声明的序列有一个方法表,而相同类型的富有目的实例都指向同一个方法表。它蕴含了体系的风味音讯(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。

办法表指向一个名为EEClass的基本点数据结构。在点子表创立前,CLR类加载器从元数据中创建EEClass。图4中,SmallClass的艺术表指向它的EEClass。这多少个构造指向它们的模块和顺序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和行使程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到里头,就直到应用程序域卸载时才会没有。而且,默认的使用程序域不会被卸载,所以这个代码的生存期是停止CLR关闭结束。

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目的实例

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上创办。图6显示了一个第一名的对象布局。一个目标足以通过以下途径被引用:基于栈的有些变量,在竞相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始地方,而是有一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目录(从1发端计数的syncblk编号。因为通过索引举办连接,所以在急需增添表的尺寸时,CLR可以在内存中移动这多少个表。SyncTableEntry维护一个反向的弱引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以在没有其他强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个目的的持有实例使用的灵光的信息。这多少个新闻包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和利用程序域的目录。对于绝大多数的靶子实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。那点在推行线程碰到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的讲话时会暴发变化,如下所示:

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

在上述代码中,smallObj会使用0作为它的原初的syncblk编号。lock语句使得CLR创设一个syncblk入口并采纳相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩充为try-finally语句并运用Monitor类,一个用作同步的Monitor对象在syncblk上创建。堆GetHashCode的调用会利用对象的哈希编码增添syncblk。

在SyncBlock中有任何的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,可是这和独立的目的用处无关。

序列句柄紧跟在目的实例中的syncblk编号后。为了保障连续性,我会在验证实例变量后探讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认意况下,实例域会以内存最可行拔取的章程排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一对见仁见智尺寸的实例变量。

图8展现了在Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。我们在图7的return语句处设置了断点,然后利用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。因为大家从不用别样共同代码应用此实例(也不曾访问它的哈希编码),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堆中分配的其实的字符串实例。字符串是一个专程的序列,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。那多少个进程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的选取。我们事先已经提过,在NET Framework
1.1中,程序集无法选用是否采取这么些历程,即使将来版本的CLR可能会提供这样的能力。

由此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情事下,词典顺序必须被封存到内存中,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可以为被封送(marshaled)数据保持词典顺序,即使在.NET
Framework 1.1中,它没有影响托管的布局(不过.NET Framework
2.0或许会这么做)。在互动操作的动静下,假若您真的需要额外的填充字节和呈现的控制域的逐一,LayoutKind.Explicit能够和域层次的菲尔德(Field)Offset特性一起利用。

看完底层的内存内容后,大家应用SOS看看对象实例。一个可行的一声令下是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的有着实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以展现我们成立的绝无仅有一个实例的地方。

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

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的目的引用。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实例的地址后,我们可以利用DumpObj命令输出它的始末,如下所示:

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

正如往日说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会接纳LayoutType.Sequential);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以运用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)

设若您从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的深浅(36字节),就足以博得str的轻重,即36字节。让大家输出str实例来申明这一个结果:

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

假若你将字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的深浅(36字节),就可以得到ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不明白非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因而它们不会被这些命令报告。

本着方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创制前,CLR查看加载类型,假使没有找到,则开展加载,得到方法表地址,成立对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器发生的代码在进展艺术分派时采纳项目句柄来恒定方法表。CLR在需要史可以透过艺术表反向访问加载类型时利用项目句柄。

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方法表

各类类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。这是在对象的首先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情状,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炫耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的信息方可由此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以经过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的花色句柄指向方法表起初地方的偏移处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC消息。我们不打算在这边对其进展座谈。

图9突显了点子表的卓著布局。大家会注解项目句柄的片段要害的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)先导,因为它间接关乎到运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类加载器总计的对象的轻重缓急,基于代码中扬言的域。此前曾经研商过,当前GC的实现需要一个最少12字节的目标实例。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。其余的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和品种句柄占用。再说五回,对象的深浅会碰着StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显得的MyClass(有七个接口)的方法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办比较。在图9中,对象大小位于4字节的晃动处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

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

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措施槽表(Method Slot Table)

在艺术表中蕴含了一个槽表,指向各样艺术的叙说(MethodDesc),提供了花色的行为能力。方法槽表是基于方法实现的线性链表,依照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在眼前类,父类和接口的元数据中遍历,然后创制方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮盖的虚方法和被埋伏的父类方法,成立新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必要的,它可以让各类接口有协调的微乎其微的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#编译器为持有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为大家定义并初步化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10来得了MyClass的方法表的布局。布局显示了10个形式,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会开展研讨。图11呈现了MyClass的法门表的SOS的出口。

此外类型的始发4个模式总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这多少个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是都对准相同的办法描述。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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方法描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)是CLR知道的模式实现的一个装进。有三种档次的方法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的相互操作实现的调用。在本文中,我们只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中发出,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来得了一个天下无双的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的措施描述数据结构。对于实际的艺术描述,那是-5字节的晃动,是每个方法的8个附加字节的一有的。这5个字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节的撼动可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的地方前面的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代码的权利跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的法子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

明天我们进行此办法,然后反汇编相同的地方:

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

在此地方,只有起首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法子描述的数码。“!u”命令不知晓这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的持有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现的对峙虚地址(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挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的章程描述的内容:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

措施的这多少个标志域的编码包含了法子的体系,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复杂的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得那点看起来简单。然后,我们将表明接口怎么着开展布局和按照接口的办法分派的熨帖工作办法。

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接口虚表图和接口图

在点子表的第12字节偏移处是一个重要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个拔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设。每个接口的落实都在接口虚表中有一个笔录。倘若MyInterface1被五个类实现,在接口虚表表中就有四个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的开始地点,如图9所示。这是接口方法分派发生时采纳的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图音信创造,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据成立。一旦类型加载成功,唯有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在形式表中的接口音讯记录。在这种状态下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的开端4个字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0代表从父类派生,1意味着由近年来类实现)。在申明后的WORD是一个方始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开头槽的值为4(从0开始编号),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。类加载器会在急需时复制槽来发生如此的效劳:每个接口有友好的兑现,不过物理映射到同一的主意描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

依照接口的法子分派通过接口虚表举办,而直接的办法分派通过保留在挨家挨户槽的主意描述地址进行。如往日提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开头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”语句看到这点:

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

这么些反汇编突显了向来调用MyClass的实例方法没有应用偏移。JIT编译器把措施描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表爆发,和直接分派相比较需要有些异常的指令。一个下令用来赢得接口虚表的地方,另一个到网络模特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。

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虚分派(Virtual Dispatch)

近期我们看看虚分派,并且和依据接口的分摊进行相比较。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个稳定的槽编号发生,和办法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在模式表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的贯彻。结果,对父对象的形式调用被分派到子对象的实现。反汇编展现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这一点。

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静态变量

静态变量是方法表数据结构的第一组成部分。作为艺术表的一有些,它们分配在措施表的槽数组后。所有的固有静态类型是内联的,而对此协会和引用的花色的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句柄表的对象引用,它引用了堆上成立的指标实例。一旦创制后,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指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在格局表创建前起头生活,它和办法表组成起来,是系列表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个项目),只可是因为运用频度的不同而被分开。平日选择的域放在方法表,而不通常使用的域在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,不过运行时需要的音讯(如虚表槽和GC信息)在措施表中。

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,数组和结构。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用那一个网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的结缘。在推行托管代码的进程中,新的EEClass节点被插足,节点的关联被补充,新的关联被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的涉嫌。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只展现了和那个钻探有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,大家一贯不在图中得当突显偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的反复堆分配的方法描述块。在章程表创设时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在接纳程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的举办内存分页管理,因而削减了工作集。

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图13 EEClass 布局

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们后日看看使用SOS输出的EEClass的真正的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先使用命令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,可以从DumpDomain命令获得。现在我们拿到了EEClass的地方,大家输出EEClass:

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

图13和DumpClass的出口看起来完全平等。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以清楚图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的法门)。即便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参预到列表中。把.cctor和.ctor参与到列表中,你会收获总共10个章程。最终列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

咱俩关于CLR一些最首要的内在的追究旅程终于截至了。显明,还有很多题材需要涉及,而且需要在更深的层次上探讨,但是大家目的在于这足以帮助你见到事物咋样工作。这里提供的洋洋的信息可能会在.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。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(Hughes顿)的一名架构师。他在微软前些天的角色是帮扶客户基于.NET框架建立可扩展的零件框架。能够透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发辅助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器增加(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛特(Charlotte),可以通过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者卢克(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。闲暇时间她喜好音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意援助MSDN翻译更多的作品和其它开发者共享。可以经过ecaijw@msn.com联系他。

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