海洋世界深刻探索.NET框架内了解CLR如何创造运行时对象

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发布日期: 9/19/2005
原稿已经为 Microsoft
删除了,收集过程遭到发觉多篇章图都不备,那是盖原文的图都非咸,所以特收集完整全文。

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的地方
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 列原理
  • 对象实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 术槽表(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。
  • 靶布局及舅存细节。
  • 方式发明布局。
  • 方法分派(Method dispatching)。

为国有语言运行时(CLR)即将成为当Windows上缔造应用程序的栋梁级基础架构,
多掌握点关于CLR的深浅认识会帮助你构建高速的, 工业级健壮的应用程序.
在当下篇文章被, 我们见面浏览,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, 和各式各样的数据结构.

咱会利用由C#形容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因C#言语也目标的.
讨论的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0蒙受改,
但是大部分底定义是休见面更换的. 我们会动用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够理解CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此底信息. 通篇,
我们会讨论在Shared Source CLI(SSCLI)中所有相关落实之近乎, 你可从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥到它们.

图表1 会帮助您在追寻一些构造的早晚到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

当咱们开始前,请小心:本文提供的音只有对以X86平台达成运行的.NET Framework
1.1得力(对于Shared Source CLI
1.0乎多数适用,只是当好几交互操作的事态下必小心例外),对于.NET
Framework
2.0碰头生改观,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)创建的地段

于CLR执行托管代码的首先履行代码前,会创三只应用程序域。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。它们只能由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,也是绝无仅有的产生命名的地段。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而尽映象文件的名字做。其它的地域可以于托管代码中使AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中使用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会冲应用程序的数量创建多个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓

海洋世界 1

系统域(System Domain)

系统域负责创建和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以的涵盖或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1备受的一个优化特性,它的处理办法显得有点傻,因为CLR没有给程序集时选择是特性。尽管如此,由于在富有的应用程序域中对一个一定的号子只保留一个对应的字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还当产生过程范围的接口ID,并据此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中保持跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的效力。

共享域(Shared Domain)

怀有非属另外特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是不可或缺的。它会受活动加载到联合享域中。系统命名空间的主导项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被为先行加载到本域中。用户代码也堪给加载到之域中,方法是于调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序为得以加载代码到一块儿享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的先后集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集让加载到默认域(DefaultDomain)和其它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。

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内部运行。尽管有些应用程序需要以运行时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点之运转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有开创一个地面。所有在此域运行的代码都是以地方层次上闹上下文限制。如果一个应用程序有差不多只应用程序域,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方可采取System.ContextBoundObject派生的类创建。每个应用程序域有自己之平安描述符(SecurityDescriptor),安全及下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的打算是加载不同之运行时CLR部件和优化在域的尽生命期内设有的预制构件。这些堆的增进基于可预测块,这样好要碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对如多处理器上的多个堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,而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)。

打赛层次了解域后,我们准备看看她以一个简练的应用程序的左右文中的情理细节,见
图3。我们当程序运行时停在mc.Method1(),然后下SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
打探SOS的加载信息)。这里是编制后底出口:

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();
    }
}

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个称作也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共同享域,不过以她是基本系统库,所以啊当系统域中列有。每个域会分配一个屡屡堆,低频堆和代办堆。系统域和共同享域使用同样之近乎加载器,而默认应用程序使用好的接近加载器。

输出没有显示加载器堆的保留尺寸及早已提交尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为绝非亮接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好之加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始经常交由4KB。我们将会晤以此起彼伏有研究项目布局时讨论IVMap的义。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和雅目标堆(用于大小相当于还是过85000字节的对象),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指令以保留到JIT代码堆着。GC堆和异常目标堆是用来托管对象实例化的排泄物回收堆。

色原理

色是.NET编程中之着力单元。在C#遭遇,类型可以采取class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类由程序员显式创建,但是,在特别的彼此操作(interop)情形和远程对象调用(.NET
Remoting)场合着,.NET
CLR会隐式的出类型,这些发生的类别涵盖COM和运行时只是调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们通过一个含有对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例开始生命期的地方)。
图4屡遭显的代码包含一个简易的次,它来一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1开立一个SmallClass的种类实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示如何当很目标堆创建对象。尽管这是同一段无聊之代码,但是足以帮我们进行讨论。

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 显示了已以Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明当可能的情状下将函数参数通过寄存器传递,而另外参数按照从右到左的顺序入栈,然后由为调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在仓库结构被。引用类型变量如smallObj以定点大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了当一般GC堆着分配的对象的地址。对于风俗习惯C++,这是目标的指针;在托管世界被,它是目标的援。不管怎样,它含了一个靶实例的地方,我们用利用术语对象实例(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

海洋世界 2

貌似GC堆上的smallObj对象实例包含一个称作也 _largeObj
的字节数组(注意,图中显示的分寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超或当85000字节的目标的处理及小目标不同。大目标在大目标堆(LOH)上分红,而小目标在一般GC堆上创办,这样可以优化对象的分配与回收。LOH不见面减少,而GC堆在GC回收时展开削减。还有,LOH只见面当完全GC回收时为回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个声明的档次有一个方法表,而相同品种的有目标实例都指向同一个方法表。它蕴含了种类的特性信息(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,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

方法表指向一个叫作也EEClass的重中之重数据结构。在措施发明创建前,CLR类加载器从元数据中创造EEClass。
图4被,SmallClass的法表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在同享域的加载器堆。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消失。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。

对象实例

正巧使我辈说罢之,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 上创造。图 6
显示了一个典型的靶子布局。一个靶好经过以下途径为引述:基于栈的有变量,在互动操作还是平台调用情况下之词柄表,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 不是负于目标实例的启位置,而是发生一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经索引进行连接,所以当得增加表的尺寸时, CLR
可以于内存中走是发明。 SyncTableEntry 维护一个反向的物化引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以于无其它强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了生少用让一个靶的具备实例使用的行的音信。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据和应用程序域的目。对于大部分的对象实例,不见面为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这同接触在实行线程遇到如
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();

图 6 对象实例布局
海洋世界 3

当以上代码中, smallObj 会动用 0 作为其的序曲的 syncblk 编号。 lock
语词使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并采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 语句并使 Monitor 类,一个看作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会采用对象的哈希编码增加 syncblk 。
每当 SyncBlock 中发出任何的域,它们于 COM 交互操作及封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时以,不过就跟超人的靶子用处无关。
种类句柄紧跟在对象实例中之 syncblk
编号后。为了保连续性,我会在征实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在路句柄后。默认情况下,实例域会因为内存最实用使用的主意排列,这样单待极少的当对同步之填充字节。
7
的代码显示了 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 显示了当 Visual Studio 调试器之内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们于图 7 的 return 语句处设置了断点,然后运 ECX
寄存器保存之 simpleObj 地址以内存窗口展示对象实例。前 4 单字节是 syncblk
编号。因为咱们无就此另外共同代码应用此实例(也绝非看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的对象实例,指于起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个连接一个的排于一齐。两只
short 类型变量 s1 和 s2 也让排于联合。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的莫过于的字符串实例。字符串是一个专程的类,因为具备包含同样仿标记的字符串,会在先后集加载到过程时对一个大局字符串表的均等实例。这个进程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的利用。我们事先早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可知选是否以是过程,尽管未来版本的 CLR
可能会见提供这样的力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
海洋世界 4

因而默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的场面下,词典顺序必须让保留及内存中,这时可以采用
StructLayoutAttribute 特性,它起一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以吧叫封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见如此做)。在彼此操作的状下,如果你真正要额外的填充充字节和出示的控制域的依次,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次之 FieldOffset 特性一起利用。

看罢脚的内存内容后,我们用 SOS 看看对象实例。一个中的一声令下是
DumpHeap
,它好列出所有的堆积内容跟一个特别类型的具备实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以来得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

对象的总大小是 36 字节,不管字符串多异常, 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,其它 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,我们可以下 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

正巧而之前说过, C# 编译器对于类似的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织以 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以无比小化填充字节。我们可动用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空中,如下所示:

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

倘您于目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大小( 36
字节),就得取 str 的大大小小,即 36 字节。让咱输出 str
实例来证明这个结果:

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

而您将字符串实例的轻重(36字节)加上SimpleClass实例的高低(36字节),就可得到ObjSize命令语的毕竟大小72字节。

呼吁留意ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1丁,CLR不了解非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此她不会见于此命令语。

针对方法发明的种类句柄在syncblk编号后分配。在靶实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则开展加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后拿种句柄值追加至目标实例中。JIT编译器产生的代码在展开艺术分派时使用类句柄来恒定方法表。CLR在需要史可以经过艺术表反向顾加载类型时行使项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的显示CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的相同部分,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
所当的文书夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后以 Immediate 窗口被尽 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一些命,关于SOS更多信息,参考这里。

方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会以内存中经过艺术表来表示。这是在靶的首先只实例创建前之类加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到于语言编译器产生的映射到内存的正数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的信和外挂的音方可通过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中得经Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的门类句柄指向方法发明开位置的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算在这里针对那个进行座谈。

图 9
显示了法发明的一枝独秀布局。我们会证明项目句柄的一部分关键的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让咱从基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为她一直关联及运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

海洋世界 5

基实例大小

基实例大小是由于类似加载器计算的目标的高低,基于代码中声明的地带。之前就讨论过,当前GC的落实用一个足足12字节的目标实例。如果一个近似没有定义任何的例域,它起码含有额外的4独字节。其它的8个字节被指向象头(可能含有syncblk编号)和种句柄占用。再说一软,对象的轻重缓急会遭遇StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3受到显示的MyClass(有一定量只接口)的艺术发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将它们和SOS的输出进行较。在图9被,对象大小在4字节之晃动处,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

道槽表(Method Slot Table)

在方发明中含了一个槽表,指向各个艺术的叙述(MethodDesc),提供了色的行为能力。方法槽表是根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。

类似加载器在当下相仿,父类和接口的初数据中遍历,然后创建方法表。在列过程遭到,它替换所有的让遮盖的虚方法和让隐形的父类方法,创建新的扇,在待时复制槽。槽复制是必不可少的,它可以为每个接口有温馨的最为小之vtable。但是让复制的槽指向同的情理实现。MyClass包含接口方法,一个近乎构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有起显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会生成一个近似构造函数。图10著了MyClass的法发明底布局。布局显示了10单主意,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面开展讨论。图11显了MyClass的不二法门发明的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
海洋世界 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()

旁类型的起来4单办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是于System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是都指向相同的章程描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别同静态方法及实例方法分在同样组。

办法描述(MethodDesc)

方描述(MethodDesc)是CLR知道的艺术实现之一个包裹。有几栽类型的方式描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互操作实现的调用。在本文中,我们惟有考察图3代码中的托管方描述。方法描述在相近加载过程被发生,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亮了一个典型的布局,方法发明的扇实际上对代理,而非是实际上的办法描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8只叠加字节的平片段。这5独字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节底舞狮可以打SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的位置后的5个字节。在首先软调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5独字节会被超越反至JIT编译后的x86代码的义务跳转指令覆盖。

图 12道描述

海洋世界 7

图12的主意表槽指向的代码进行反汇编,显示了针对性预编译代理的调用。以下是当
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化显示。

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

现我们实行之方法,然后倒汇编相同之地址:

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

于此地点,只有开始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的方式描述的多少。“!u”命令不理解就一点,所以生成的凡乱的代码,你可以忽略5独字节后之有所东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中智实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按部就班要求编译后,CLR用编译后的代码地址更新此域。让咱于列有底函数中甄选一个,然后据此DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法子描述的情:

!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

措施的是标志域的编码包含了艺术的品类,例如静态,实例,接口方法还是COM实现。让咱们看方法表另外一个错综复杂的点:接口实现。它包裹了布局过程有的复杂性,让托管环境看就一点看押起大概。然后,我们用说明接口如何开展布局及基于接口的点子分派的适龄工作措施。

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

当术发明的第12字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的映射表,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一不善加载时创造。每个接口的落实都以接口虚表中出一个记下。如果MyInterface1被简单只类似实现,在接口虚表表中尽管发半点独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的起来位置,如图9所示。这是接口方法分派发生时利用的援。接口虚表是冲方法发明内含的接口图信息创建,接口图于章程发明布局过程中冲类的冠数据创建。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艺术表中的接口信息记录。在这种状况下,对MyClass实现之片个接口中的各国一个都发出个别漫漫记下。第一漫漫接口信息记录的启4独字节指向MyInterface1的种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个表明占用(0意味从今父类派生,1表示由于时相仿实现)。在表明后的WORD是一个起槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的价为4(从0开始编号),所以槽5和6借助于实现;对于MyInterface2,开始槽的价为6,所以槽7和8拄于实现。类加载器会在需要经常复制槽来起这么的功能:每个接口有投机的贯彻,然而物理映射到平等的点子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2与MyInterface2.Method2会指向相同之兑现。

基于接口的道分派通过接口虚表进行,而一直的计分派通过保留于逐一槽的措施描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2独参数在恐的当儿一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先单参数总是this指针,所以经ECX寄存器传送,可以于“mov
ecx,esi”语词看到就一点:

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

这些倒汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有采取偏移。JIT编译器把办法描述的地方直接写到代码中。基于接口的摊通过接口虚表发生,和一直分派相比要一些外加的命。一个限令用来取得接口虚表的地点,另一个得到方式槽表中的接口实现的发端槽。而且,把一个对象实例转换为接口就需要拷贝this指针到目标的变量。在图2备受,语句“mi1=mc”使用一个限令把mc的目标引用拷贝到mi1。

虚分派(Virtual Dispatch)

今昔咱们看虚分派,并且与冲接口的分摊进行比较。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原则性的槽编号发生,和道表指针在一定的切近(类型)实现层次无关。在艺术发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的落实。结果,对爸爸对象的方调用被分摊到子对象的兑现。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所显示)和DumpMT的输出看到这或多或少。

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的显要部分。作为艺术发明的一致有些,它们分配在道发明底槽数组后。所有的旧静态类型是内联的,而对此组织和援的类的静态值对象,通于句柄表中创造的目标引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的词柄表的对象引用,它引用了堆积如山上开创的靶子实例。一旦创立后,句柄表内的目标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指为句柄表的目标引用,后者对GC堆上之MyString。

EEClass

EEClass在章程发明创建前开在,它同章程发明组成起来,是种声明的CLR版本。实际上,EEClass和法表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个品类),只不过因为运用频度的不同而受分开。经常应用的域放在方法表,而不常利用的地方于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,但是运行时索要之信(如虚表槽和GC信息)在道表中。

本着每一个类型会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个受实施引擎跟踪的塑造的节点。CLR使用是网络以EEClass结构面临浏览,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-子关系因接口层次和类加载顺序的组合。在推行托管代码的经过遭到,新的EEClass节点被加入,节点的涉被补,新的干让确立。在网络中,相邻之EEClass还有一个水准的涉及。EEClass有三个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惨遭的MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13

图13独自显示了同此讨论有关的一些域。因为我们忽视了布局中之片段所在,我们从来不以觊觎备受正好显示偏移。EEClass有一个间接的对于艺术发明的援。EEClass也对于默认应用程序域的高频堆分配的道描述块。在法发明创建时,对经过堆上分红的地区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,这样操作系统可以另行好的进行内存分页管理,因此削减了办事集。

图13 EEClass 布局

海洋世界 8

图13屡遭的其它域在MyClass(图3)的上下文的含义不讲话自明。我们现在看望用SOS输出的EEClass的真的大体内存。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的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.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的地点,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224

      MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui

图13以及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。从相邻链指为名吧Program的EEClass,可以知晓贪图13显的是加载Program时的结果。

MyClass有8单虚表槽(可以为虚分派的法子)。即使Method1和Method2免是虚方法,它们可当经接口进行摊派时受认为是虚函数海洋世界并在到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面收获总共10个措施。最后列有之凡相仿的有数单静态域。MyClass没有实例域。其它地区不谈自明。

结论

咱俩关于CLR一些极致要之内在的追究旅程算结束了。显然,还有为数不少问题亟待涉及,而且得在重新老的层系上谈论,但是咱意在这可以帮助而见到东西如何工作。这里提供的众之信或会见以.NET框架和CLR的新兴版本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该保障不转换。