海洋世界NET框架之中驾驭CLR怎么样创建运行时对象

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发表日期: 9/19/2005
原文已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发觉许多随笔图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

目录

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目的布局和内存细节。
  • 主意表布局。
  • 措施分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创立应用程序的主角级基础架构,
多精晓点关于CLR的深浅认识会协理您构建神速的, 工业级健壮的施用程序.
在这篇随笔中, 大家会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的分摊, 和各式各个的数据结构.

俺们会选取由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#言语为对象的.
商讨的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过绝大多数的概念是不会变的. 我们会接纳Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数码结构.
SOS可以精晓CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
大家会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中有着相关落实的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会襄助你在搜索一些布局的时候到SSCLI中的消息.

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

在大家起首前,请小心:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1使得(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的动静下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时倚重于那多少个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创设多少个使用程序域。其中五个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由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,这一个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是采取了单件(Singleton)形式。第多个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可实施映象文件的名字组成。其余的域可以在托管代码中接纳AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中运用ICORRuntimeHost接口创造。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会遵照应用程序的数量创建五个域。

图 2 由CLR启动程序创制的域 ↓

海洋世界 1

系统域(System Domain)

系统域负责创制和初叶化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍贵过程范围里边使用的涵盖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,它的处理格局显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采用此特性。即便如此,由于在颇具的行使程序域中对一个特定的标记只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还背负暴发过程范围的接口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。系统域在经过中保持跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的功能。

共享域(Shared Domain)

有着不属于另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于持有应用程序域的用户代码都是不可或缺的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的骨干类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这几个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也足以加载代码到共享域中,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的次第集映射图,此映射图作为管理共享程序集看重关系的查找表,那些程序集被加载到默认域(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)

默认域是选择程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。即便有些应用程序需要在运作时创设额外的运用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举行重大的周转时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运作期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假设一个应用程序有五个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音信方可采取System.ContextBoundObject派生的体系创制。每个应用程序域有温馨的平安描述符(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,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的遵从是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的整整生命期内存在的预制构件。这么些堆的滋长基于可预测块,那样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的三个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平常访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在频繁堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了然域后,我们准备看看它们在一个简单的应用程序的内外文中的大体细节,见
图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后采取SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
了然SOS的加载信息)。这里是编制后的出口:

图3 Sample1.exe

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

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

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

using System;

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

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

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

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

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

咱俩的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为”萨姆ple1.exe”的施用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是着力系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个再三堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用同样的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

出口没有显示加载器堆的保存尺寸和已交给尺寸。高频堆的起先化大小是32KB,每一次提交4KB。SOS的输出也从未显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域开首化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,开头时交由4KB。大家将会在持续部分研讨项目布局时商讨IVMap的意义。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于仍然超越85000字节的目的),它注解了那多少个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器暴发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。

项目原理

品种是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以使用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数体系由程序员显式创制,不过,在专门的并行操作(interop)情况和远程对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发生类型,这多少个发生的档次涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们通过一个蕴含对象引用的栈起始研商.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例初阶生命期的地方)。
图4中彰显的代码包含一个简易的次第,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的品类实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆创造对象。即便这是一段无聊的代码,不过足以援助大家举办讨论。

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 呈现了截止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注脚在可能的状态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以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目标的地址。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管怎么着,它含有了一个目标实例的地址,我们将利用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

海洋世界 2

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,图中呈现的高低为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的目的的拍卖和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上创制,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会减小,而GC堆在GC回收时展开压缩。还有,LOH只会在完全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。每个表明的花色有一个方法表,而相同档次的兼具目的实例都针对同一个方法表。它含有了系列的特色音信(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的首要数据结构。在格局表创制前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的艺术表指向它的EEClass。这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个中,就直到应用程序域卸载时才会磨灭。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是截止CLR关闭截至。

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
突显了一个独立的靶子布局。一个目的足以因而以下途径被引用:基于栈的片段变量,在互动操作依然平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行办法时的
this 指针和方法参数),拥有终结器( finalizer )方法的目标的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目标实例的初步地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
最先计数的 syncblk
编号。因为通过索引举行连接,所以在急需增添表的大刻钟, CLR
可以在内存中移动那些表。 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
能够在并未任何强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的有所实例使用的行之有效的信息。这多少个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和动用程序域的目录。对于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 。这点在推行线程曰镪如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的言辞时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
海洋世界 3

在上述代码中, smallObj 会利用 0 作为它的发端的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创设一个 syncblk 入口并选用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩大为 try-finally 语句并使用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上成立。堆 GetHashCode
的调用会采取对象的哈希编码扩充 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采纳,然而这和突出的对象用处无关。
品种句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在认证实例变量后商讨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情状下,实例域会以内存最实用利用的格局排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有一部分两样大小的实例变量。

图 7 SimpleClass with Instance Variables

class SimpleClass
{
    private byte b1 = 1;                // 1 byte
    private byte b2 = 2;                // 1 byte
    private byte b3 = 3;                // 1 byte
    private byte b4 = 4;                // 1 byte
    private char c1 = 'A';              // 2 bytes
    private char c2 = 'B';              // 2 bytes
    private short s1 = 11;              // 2 bytes
    private short s2 = 12;              // 2 bytes
    private int i1 = 21;                // 4 bytes
    private long l1 = 31;               // 8 bytes
    private string str = "MyString"; // 4 bytes (only OBJECTREF)

    //Total instance variable size = 28 bytes 

    static void Main()
    {
        SimpleClass simpleObj = new SimpleClass();
        return;
    }
}

图 8 突显了在 Visual Studio 调试器的内存窗口中的一个 SimpleClass
对象实例。大家在图 7 的 return 语句处设置了断点,然后利用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口显示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家从不用任何共同代码应用此实例(也未曾访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,指向起先地点的 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一道。五个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一起。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的骨子里的字符串实例。字符串是一个特意的品类,因为拥有包含同样文字标记的字符串,会在先后集加载到过程时指向一个大局字符串表的同一实例。这么些历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的拔取。我们事先曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以选取是否利用那么些过程,即使未来版本的 CLR
可能会提供这么的力量。

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

为此默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的图景下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以采取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,它从未影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在相互操作的状态下,尽管你实在需要很是的填充字节和显示的控制域的各种,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)Offset 特性一起行使。

看完底层的内存内容后,我们应用 SOS 看看对象实例。一个实惠的下令是
DumpHeap
,它能够列出所有的堆内容和一个特意类型的装有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以体现咱们创造的唯一一个实例的地方。

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

目的的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只包含一个
DWORD 的对象引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,另外 8
个字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地方后,我们可以利用 DumpObj 命令输出它的情节,如下所示:

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

正如往日说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团拔取 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以利用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空间,如下所示:

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

设若您从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的分寸( 36
字节),就足以得到 str 的尺寸,即 36 字节。让我们输出 str
实例来验证这么些结果:

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

假设您将字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就足以拿走ObjSize命令报告的总大小72字节。

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

针对方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创制前,CLR查看加载类型,假若没有找到,则开展加载,得到方法表地址,创立对象实例,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情势分派时利用项目句柄来定位方法表。CLR在急需史可以因而艺术表反向访问加载类型时选拔项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩充程序用于本文化的显示CLR数据结构的情节,它是 .NET
Framework 安装程序的一局部,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此以前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文书夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中实施 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的局部限令,关于SOS更多信息,参考这里

方法表

每个类和实例在加载到使用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目的的第一个实例创造前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情状,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的映射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的信息可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以通过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的品种句柄指向方法表先导地方的晃动处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在此处对其展开座谈。

图 9
显示了措施表的一枝独秀布局。我们会评释项目句柄的一部分重中之重的域,可是对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起首,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

海洋世界 5

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的靶子的分寸,基于代码中宣示的域。以前已经商讨过,当前GC的贯彻需要一个起码12字节的靶子实例。如若一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和类型句柄占用。再说一回,对象的大大小小会惨遭StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中呈现的MyClass(有六个接口)的办法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出进行相比较。在图9中,对象大小位于4字节的偏移处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

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

主意槽表(Method Slot Table)

在点子表中蕴含了一个槽表,指向各样艺术的叙说(MethodDesc),提供了类其它行为能力。方法槽表是基于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。

类加载器在现阶段类,父类和接口的元数据中遍历,然后创立方法表。在排列过程中,它替换所有的被掩盖的虚方法和被隐形的父类方法,创制新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必需的,它可以让每个接口有自己的细微的vtable。不过被复制的槽指向平等的情理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为大家定义并起始化了一个静态变量,编译器会生成一个类构造函数。图10来得了MyClass的章程表的布局。布局彰显了10个点子,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下面大家会开展研讨。图11显示了MyClass的形式表的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()

其它类型的发端4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,可是都针对相同的章程描述。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。

艺术描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的法子实现的一个封装。有几系列型的点子描述,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暴发,起头化为指向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显示了一个一级的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的艺术描述数据结构。对于实际的艺术描述,这是-5字节的撼动,是各类方法的8个叠加字节的一有些。这5个字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从寓目,因为方法描述总是方法槽表指向的地点前面的5个字节。在率先次调用时,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代码的无偿跳转指令覆盖。

图 12方法描述

海洋世界 7

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

Method2:

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

现在我们执行此办法,然后反汇编相同的地点:

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

在此地方,只有开头5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的艺术描述的数额。“!u”命令不亮堂这一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的装有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现的周旋虚地址(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。让大家从列出的函数中采纳一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法子描述的始末:

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

编译后,方法描述的情节如下:

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

主意的那个标志域的编码包含了章程的连串,例如静态,实例,接口方法如故COM实现。让我们看方法表此外一个繁杂的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的繁杂,让托管环境觉得这点看起来大概。然后,大家将表明接口咋样进展布局和依照接口的主意分派的合适工作办法。

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

在点子表的第12字节偏移处是一个着重的指针,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,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时制造。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个笔录。如若MyInterface1被多少个类实现,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开头地点,如图9所示。那是接口方法分派暴发时使用的引用。接口虚表是依据方法表内含的接口图音信创设,接口图在艺术表布局过程中基于类的元数据成立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在点子表中的接口消息记录。在这种情状下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的始发4个字节指向MyInterface1的品类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0意味着从父类派生,1意味着由近来类实现)。在申明后的WORD是一个先导槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起头槽的值为4(从0起头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,初叶槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来暴发这样的法力:每个接口有温馨的落实,但是物理映射到均等的措施描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的兑现。

据悉接口的主意分派通过接口虚表举办,而一向的法门分派通过保留在相继槽的章程描述地址举行。如此前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起始2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以在“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

那么些反汇编突显了第一手调用MyClass的实例方法没有动用偏移。JIT编译器把措施描述的地址间接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和从来分派相比需要有些附加的授命。一个限令用来获取接口虚表的地址,另一个赢得模式槽表中的接口实现的上马槽。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的对象引用拷贝到mi1。

虚分派(Virtual Dispatch)

目前大家看看虚分派,并且和基于接口的摊派举办比较。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恒定的槽编号暴发,和形式表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在点子表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的办法调用被分摊到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

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。作为艺术表的一有些,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,而对此协会和引用的项目标静态值对象,通在句柄表中创立的对象引用来针对。方法表中的目的引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上创造的靶子实例。一旦成立后,句柄表内的对象引用会使堆上的目的实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的对象引用,后者指向GC堆上的MyString。

EEClass

EEClass在点子表成立前发轫生活,它和办法表组成起来,是类别注明的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种),只可是因为运用频度的不同而被分手。平时使用的域放在方法表,而不日常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和摇头)在EEClass中,但是运行时索要的信息(如虚表槽和GC消息)在点子表中。

对每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,数组和结构。每个EEClass是一个被执行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构成。在履行托管代码的经过中,新的EEClass节点被插足,节点的关系被填补,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的涉及。EEClass有三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只显示了和那一个研究有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,大家尚无在图中得当显示偏移。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屡屡堆分配的办法描述块。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消息。EEClass在选用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的进展内存分页管理,由此缩小了办事集。

图13 EEClass 布局

海洋世界 8

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们现在探访使用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的先后。首先采用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的第一个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在大家得到了EEClass的地方,我们输出EEClass:

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

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

图13和DumpClass的输出看起来完全等同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以知晓图13显得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的措施)。虽然Method1和Method2不是虚方法,它们得以在通过接口进行分摊时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor参加到列表中,你会赢得总共10个办法。最终列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。其余域不言自明。

结论

咱俩关于CLR一些最重大的内在的探索旅程终于截至了。显著,还有为数不少问题亟待涉及,而且亟需在更深的层次上研讨,可是大家盼望这足以扶持您看看事物咋样行事。那里提供的洋洋的音信可能会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,然则即便本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保障不变。