NET框架之中精通CLR咋样创设运行时对象,NET框架之中明白CLR咋样创设运行时对象

原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿公布日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发觉众多篇章图都不全,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。
  • 艺术表布局。
  • 形式分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创建应用程序的主角级基础架构,
多精晓点关于CLR的深度认识会帮衬你构建高速的, 工业级健壮的运用程序.
在这篇著作中, 大家会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的分担, 和形形色色的数据结构.

俺们会动用由C#写成的相当简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为对象的.
研讨的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
但是绝大多数的概念是不会变的. 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可以了然CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的信息. 通篇,
大家会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中持有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会帮助你在物色一些结构的时候到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

在大家起头前,请留心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1使得(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的状态下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,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。

爱博体育 1
CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会成立多少个应用程序域。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 爱博体育,图2
所示,这些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)形式。第多少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,默认的域名由可举行映象文件的名字组成。其余的域能够在托管代码中采纳AppDomain.CreateDomain方法创设,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,对于特定的网站会按照应用程序的数额创设五个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

爱博体育 2

爱博体育 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责成立和伊始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,它的处理方法显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会拔取此特性。即便如此,由于在拥有的利用程序域中对一个特定的记号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。系统域在经过中维系跟踪所有域,并落实加载和卸载应用程序域的效率。

爱博体育 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

负有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是必要的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的主导项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被先行加载到本域中。用户代码也得以被加载到这一个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时行使由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也能够加载代码到共享域中,方法是使用System.LoaderOptimizationAttribute特性注脚Main方法。共享域还管理一个用到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依赖关系的查找表,这多少个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中创设的拔取程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

爱博体育 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

默认域是使用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在中间运行。虽然有些应用程序需要在运作时创建额外的采取程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举行重要的运行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三个应用程序域,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方可利用System.ContextBoundObject派生的类型成立。每个应用程序域有和好的平安描述符(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。

爱博体育 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效劳是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的万事生命期内设有的部件。这个堆的增进基于可预测块,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两个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。日常访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番五回堆上,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)。

从高层次通晓域后,我们准备看看它们在一个概括的应用程序的上下文中的大体细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后选用SOS调试器增添命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
刺探SOS的加载音讯)。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();
    }
}

我们的控制台程序,萨姆ple1.exe,被加载到一个名为”山姆ple1.exe”的利用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是宗旨系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用同一的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有突显加载器堆的保存尺寸和已交付尺寸。高频堆的先河化大小是32KB,每回提交4KB。SOS的输出也绝非出示接口虚表堆(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头化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,开首时提交4KB。我们将会在延续部分商讨项目布局时商量IVMap的意义。

图2
展现默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相等依旧领先85000字节的靶子),它表达了这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堆和大目的堆是用以托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

爱博体育 7
品种原理

花色原理

类别是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以选用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数序列由程序员显式创设,不过,在特意的互动操作(interop)情状和长途对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的发出类型,那一个爆发的类型涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个暗含对象引用的栈开首研商.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例起头生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个简单的程序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创设一个SmallClass的品种实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆创制对象。虽然这是一段无聊的代码,不过可以扶持我们开展座谈。

图4 Large Objects and Small Objects

using System;

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

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

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

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

图5 展现了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它申明在可能的动静下将函数参数通过寄存器传递,而此外参数按照从右到左的一一入栈,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以一定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的对象的地方。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,它蕴含了一个对象实例的地方,我们将动用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

爱博体育 8

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,图中呈现的分寸为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的拍卖和小目标不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上创设,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会减弱,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。每个表明的档次有一个方法表,而平等档次的享有目的实例都对准同一个方法表。它含有了类别的性状信息(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,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

主意表指向一个名为EEClass的重要数据结构。在章程表创造前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的主意表指向它的EEClass。这个社团指向它们的模块和程序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和运用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到中间,就直到应用程序域卸载时才会消亡。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关闭停止。

爱博体育 9
目标实例

对象实例

正如大家说过的,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 上创造。图 6
呈现了一个超人的对象布局。一个对象可以经过以下途径被引述:基于栈的一对变量,在交互操作依然平台调用情况下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和艺术参数),拥有终结器( finalizer )方法的对象的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目标实例的发端地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对准 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起初计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连接,所以在需要扩张表的分寸时, CLR
能够在内存中活动这一个表。 SyncTableEntry 维护一个反向的弱引用,以便 CLR
能够跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以在没有其余强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的有所实例使用的行之有效的消息。这多少个音信包括对象锁,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 。这点在推行线程遭逢如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的话语时会暴发变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
爱博体育 10

在以上代码中, smallObj 会接纳 0 作为它的胚胎的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创立一个 syncblk 入口并采纳相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩张为 try-finally 语句并运用 Monitor 类,一个看作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上成立。堆 GetHashCode
的调用会利用对象的哈希编码扩张 syncblk 。
在 SyncBlock 中有任何的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时拔取,但是这和独立的目标用处无关。
系列句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保障连续性,我会在验证实例变量后琢磨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在品种句柄后。默认情状下,实例域会以内存最管用使用的主意排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有部分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 呈现了在 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 地址在内存窗口展现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家并未用别样共同代码应用此实例(也尚未访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,指向起始地点的 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共同。多少个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在协同。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的骨子里的字符串实例。字符串是一个专门的档次,因为兼具包含同样文字标记的字符串,会在程序集加载到过程时指向一个大局字符串表的同等实例。这些历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的应用。大家在此之前曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以采取是否接纳这一个历程,即便将来版本的 CLR
可能会提供这样的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
爱博体育 11

故而默认境况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互动操作的意况下,词典顺序必须被保留到内存中,这时可以使用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,即便在 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(可是 .NET Framework 2.0
可能会这么做)。在竞相操作的处境下,假如您确实需要异常的填充字节和呈现的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 Field(Field)Offset 特性一起行使。

看完底层的内存内容后,咱们应用 SOS 看看对象实例。一个卓有功用的指令是
DumpHeap
,它能够列出所有的堆内容和一个特别类型的享有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显得大家创造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,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只含有一个
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
实例的地方后,我们可以动用 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
(对于协会接纳 LayoutType.Sequential
);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以使用 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)

假如你从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的分寸( 36
字节),就足以拿到 str 的尺寸,即 36 字节。让我们输出 str
实例来表达这个结果:

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

比方您将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的分寸(36字节),就足以得到ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不含有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;由此它们不会被那个命令报告。

本着方法表的体系句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创立前,CLR查看加载类型,即便没有找到,则开展加载,得到方法表地址,创造对象实例,然后把品种句柄值追加到目的实例中。JIT编译器暴发的代码在举行艺术分派时利用项目句柄来稳定方法表。CLR在需要史可以通过艺术表反向访问加载类型时采纳项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩张程序用于本文化的展现CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一有的,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
所在的文本夹到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
获取调试相关的片段下令,关于SOS更多消息,参考这里

爱博体育 12
方法表

方法表

每个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。这是在对象的首个实例创制前的类加载活动的结果。对象实例表示的是气象,而艺术表表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的炫耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音信和外挂的信息方可透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的品类句柄指向方法表起首地方的偏移处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC消息。我们不打算在此处对其开展探究。

图 9
显示了措施表的典型布局。我们会声明项目句柄的部分紧要的域,但是对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起首,因为它向来关联到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

爱博体育 13

爱博体育 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总计的靶子的大小,基于代码中宣称的域。往日曾经钻探过,当前GC的实现需要一个最少12字节的对象实例。倘使一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。此外的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和项目句柄占用。再说四遍,对象的分寸会遭到StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中体现的MyClass(有六个接口)的法子表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行相比。在图9中,对象大小位于4字节的撼动处,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

爱博体育 15
办法槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在措施表中蕴藏了一个槽表,指向各类艺术的叙述(MethodDesc),提供了类其余行为能力。方法槽表是基于方法实现的线性链表,遵照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在此时此刻类,父类和接口的元数据中遍历,然后制造方法表。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,创制新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必不可少的,它可以让各种接口有和好的细小的vtable。但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#编译器为保有没有显式定义构造函数的目标自动生成。因为我们定义并初步化了一个静态变量,编译器会变动一个类构造函数。图10体现了MyClass的法子表的布局。布局展现了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边大家会开展探究。图11来得了MyClass的不二法门表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
爱博体育 16

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()

此外项目标伊始4个办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都对准相同的章程描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

爱博体育 17
办法描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)

情势描述(MethodDesc)是CLR知道的点子实现的一个包裹。有二种档次的主意描述,除了用于托管实现,分别用于不同的并行操作实现的调用。在本文中,大家只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中爆发,开头化为指向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来得了一个出色的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的模式描述数据结构。对于实际的方法描述,这是-5字节的晃动,是各样方法的8个附加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。5字节的撼动可以从SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的岗位前面的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代码的白白跳转指令覆盖。

图 12方法描述

爱博体育 18

图12的办法表槽指向的代码进行反汇编,突显了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化展现。

Method2:

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

如今大家履行此情势,然后反汇编相同的地点:

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

在此地方,只有最先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的方法描述的数额。“!u”命令不明了这点,所以生成的是无规律的代码,你能够忽略5个字节后的享有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的相对虚地址(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挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法门描述的内容:

!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

艺术的这多少个标志域的编码包含了艺术的品种,例如静态,实例,接口方法仍旧COM实现。让咱们看方法表此外一个错综复杂的地方:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得这点看起来简单。然后,大家将表明接口如何开展布局和遵照接口的不二法门分派的贴切工作章程。

爱博体育 19
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字节偏移处是一个重中之重的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个行使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。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个记录。假如MyInterface1被多少个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的起来地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时行使的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图音信创制,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据创立。一旦类型加载成功,唯有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在措施表中的接口音信记录。在这种意况下,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的系列句柄(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意味着由如今类实现)。在注脚后的WORD是一个伊始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起始槽的值为4(从0开头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,开端槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来发出如此的功力:每个接口有自己的兑现,不过物理映射到平等的格局描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

据悉接口的不二法门分派通过接口虚表举行,而直接的情势分派通过保留在一一槽的格局描述地址举办。如在此以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,先河2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一个参数总是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

这一个反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有运用偏移。JIT编译器把艺术描述的地点间接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表暴发,和直接分派相比较需要一些很是的下令。一个命令用来得到接口虚表的地点,另一个取得形式槽表中的接口实现的起先槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到目标的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的对象引用拷贝到mi1。

爱博体育 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

明日大家看看虚分派,并且和依据接口的分担举办相比较。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原则性的槽编号发生,和格局表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在情势表布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对父对象的主意调用被分摊到子对象的兑现。反汇编突显了分派通过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。

爱博体育 21
静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是模式表数据结构的首要组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在章程表的槽数组后。所有的原来静态类型是内联的,而对此协会和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创设的目标引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句柄表的对象引用,它引用了堆上创造的目的实例。一旦创建后,句柄表内的靶子引用会使堆上的靶子实例保持生存,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。

爱博体育 22
EEClass

EEClass

EEClass在艺术表创立前起首生活,它和方法表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个项目),只不过因为使用频度的例外而被分手。日常采用的域放在方法表,而不通常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的消息(如名字,域和摇头)在EEClass中,但是运行时索要的音信(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使用这一个网络在EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的组成。在执行托管代码的历程中,新的EEClass节点被出席,节点的涉嫌被补充,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的关联。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,请参见图13

图13只显示了和这些议论相关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们尚无在图中得当展现偏移。EEClass有一个直接的对于艺术表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的累累堆分配的法子描述块。在章程表创制时,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消息。EEClass在采纳程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的进行内存分页管理,由此缩小了工作集。

图13 EEClass 布局

爱博体育 23

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。大家前几日看看使用SOS输出的EEClass的的确的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先应用命令Name2EE得到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。现在我们获取了EEClass的地址,大家输出EEClass:

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

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

图13和DumpClass的输出看起来完全等同。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(可以被虚分派的方法)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举行分摊时被认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会博得总共10个主意。最终列出的是类的多个静态域。MyClass没有实例域。其余域不言自明。

爱博体育 24
Conclusion结论

结论

俺们关于CLR一些最重大的内在的探赜索隐旅程终于终止了。分明,还有许多题材需要涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,可是我们期望这可以襄助你看来东西咋样工作。这里提供的诸多的消息或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,不过即使本文提到的CLR数据结构可能改动,概念应该保持不变。

随着通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下开发应用程序的首选架构,对其开展深远通晓会帮助您建立行之有效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,基于接口的分摊和不同的数据结构。

我们将使用C#编写的简易代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处研究的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,但是根本概念应该保障不变。咱们接纳Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩充Son of Strike
(SOS)来查阅本文商讨的数据结构。SOS精通CLR的内部数据结构并出口有用消息。请参见“Son
of Strike”补充资料,理解什么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,大家将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有相应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将协助你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的布局。

在大家初叶前,请留心:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1灵光(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的动静下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,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。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创设五个使用程序域。其中两个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只好由CLR启动进程创制,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如图2所示,那几个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是采取了单件(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,也是绝无仅有的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可实施映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中应用AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中利用ICORRuntimeHost接口创制。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多寡创立六个域。

爱博体育 25

2 由CLR启动程序创制的域

爱博体育 26回到页首

系统域(System Domain)

系统域负责创设和开头化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍爱过程范围之中使用的带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,它的处理方法显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选拔此特性。虽然如此,由于在具有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。

系统域还担当发生过程范围的接口ID,并用来创立每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中维系跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的功力。

爱博体育 27回到页首

共享域(Shared Domain)

有着不属于其余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。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的着力项目,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。用户代码也可以被加载到这一个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时使用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是利用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程序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他在托管代码中创立的拔取程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

爱博体育 28回到页首

默认域(Default Domain)

默认域是接纳程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。即使有些应用程序需要在运作时创立额外的施用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一的运作时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运作期间只创制一个域。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三个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息能够利用System.ContextBoundObject派生的体系创立。每个应用程序域有谈得来的广元描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结的加载器堆(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。

爱博体育 29回来页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功效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构件。这么些堆的增强基于可预测块,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。平日访问的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在屡次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次领悟域后,大家准备看看它们在一个简单易行的应用程序的前后文中的大体细节,见图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后采纳SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看Son
of
Strike
摸底SOS的加载音信)。这里是编辑后的输出:

!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,被加载到一个名为“Sample1.exe”的选取程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是因为它是中央系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代办堆。系统域和共享域使用同一的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有体现加载器堆的保存尺寸和已交由尺寸。高频堆的开首化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的出口也尚未显得接口虚表堆(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起初化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,起始时提交4KB。大家将会在连续部分研讨项目布局时研究IVMap的意义。

图2体现默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目的堆(用于大小相当于仍然超过85000字节的目的),它申明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器爆发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用来托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

爱博体育 30回去页首

类型原理

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。大多数品类由程序员显式制造,然而,在特意的交互操作(interop)意况和长途对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的发出类型,那个暴发的类型涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们透过一个暗含对象引用的栈初阶研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例最先生命期的地方)。图4中显得的代码包含一个简便的主次,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的品种实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目标堆成立对象。即使这是一段无聊的代码,不过足以扶持我们开展座谈。

图5来得了截至在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它阐明在可能的场馆下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数遵照从右到左的依次入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以定点大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分配的对象的地方。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么样,它含有了一个对象实例的地方,我们将选拔术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

爱博体育 31

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

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字节的靶子的拍卖和小目标不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上创立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会裁减,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个讲明的连串有一个方法表,而平等品种的持有目的实例都对准同一个方法表。它含有了项目标风味音讯(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。

主意表指向一个名为EEClass的最重要数据结构。在艺术表创立前,CLR类加载器从元数据中创设EEClass。图4中,SmallClass的办法表指向它的EEClass。这么些协会指向它们的模块和程序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和拔取程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到其中,就直到应用程序域卸载时才会消亡。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是截至CLR关闭结束。

爱博体育 32回来页首

对象实例

正如大家说过的,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上成立。图6来得了一个独立的目的布局。一个目的足以由此以下途径被引用:基于栈的一部分变量,在相互操作如故平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行格局时的this指针和措施参数),拥有终结器(finalizer)方法的目标的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的开首位置,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起来计数的syncblk编号。因为经过索引举办连续,所以在需要增添表的轻重缓急时,CLR可以在内存中活动这一个表。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可以在一向不任何强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个对象的享有实例使用的实用的信息。这个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和动用程序域的目录。对于绝大多数的目的实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。那一点在执行线程碰着如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作为它的苗头的syncblk编号。lock语句使得CLR创设一个syncblk入口并行使相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩充为try-finally语句并行使Monitor类,一个当做同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会使用对象的哈希编码增加syncblk。

在SyncBlock中有另外的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时采用,然而这和优良的对象用处无关。

类型句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了保持连续性,我会在认证实例变量后钻探类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情形下,实例域会以内存最实用运用的格局排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。图7的代码展现了SimpleClass包含有一些见仁见智大小的实例变量。

图8来得了在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,然后使用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。因为大家没有用另外共同代码应用此实例(也并未访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指向开头地方的4个字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3和b4被一个接一个的排列在协同。六个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堆中分配的实在的字符串实例。字符串是一个专程的项目,因为具备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致实例。这些历程称为字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的选拔。大家后边曾经提过,在NET Framework
1.1中,程序集无法选用是否利用这些过程,虽然将来版本的CLR可能会提供这样的力量。

由此默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情状下,词典顺序必须被封存到内存中,那时可以采纳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,尽管在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(然则.NET Framework
2.0恐怕会这么做)。在互动操作的处境下,尽管您确实需要额外的填充字节和显示的控制域的顺序,LayoutKind.Explicit可以和域层次的FieldOffset特性一起利用。

看完底层的内存内容后,我们应用SOS看看对象实例。一个可行的通令是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特别类型的享有实例。无需倚重寄存器,DumpHeap可以显得我们创立的唯一一个实例的地点。

!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的目标引用。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,我们得以应用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。我们可以利用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)

假诺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。让大家输出str实例来验证这多少个结果:

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

万一您将字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就足以拿走ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不通晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这多少个命令报告。

针对方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创造前,CLR查看加载类型,如若没有找到,则展开加载,得到方法表地址,成立对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器爆发的代码在展开艺术分派时行使项目句柄来稳定方法表。CLR在急需史可以透过措施表反向访问加载类型时利用项目句柄。

爱博体育 33回到页首

方法表

每个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。这是在对象的首先个实例创制前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情景,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的映照到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯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首地点的撼动处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC信息。我们不打算在此地对其展开研商。

图9体现了主意表的卓著布局。我们会注明项目句柄的片段要害的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)先河,因为它一向关乎到运行时的内存状态。

爱博体育 34归来页首

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的靶子的高低,基于代码中声称的域。以前已经啄磨过,当前GC的兑现内需一个起码12字节的靶子实例。假诺一个类没有概念任何实例域,它起码含有额外的4个字节。其它的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和体系句柄占用。再说三回,对象的轻重缓急会遭遇StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有多少个接口)的法门表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行相比。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

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

爱博体育 35重回页首

方法槽表(Method Slot Table)

在措施表中蕴含了一个槽表,指向各样艺术的叙说(MethodDesc),提供了档次的行为能力。方法槽表是遵照方法实现的线性链表,遵照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在现阶段类,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,它替换所有的被掩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。槽复制是不可或缺的,它能够让每个接口有投机的矮小的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)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为保有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并起头化了一个静态变量,编译器会变动一个类构造函数。图10来得了MyClass的艺术表的布局。布局显示了10个格局,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会进展座谈。图11体现了MyClass的办法表的SOS的出口。

另外类型的发端4个艺术总是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,然则都针对相同的艺术描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

爱博体育 36回去页首

办法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的主意实现的一个装进。有两种档次的法门描述,除了用于托管实现,分别用于不同的并行操作实现的调用。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,初阶化为指向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显得了一个头名的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的不二法门描述数据结构。对于实际的情势描述,这是-5字节的晃动,是各种方法的8个附加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的指令。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点后面的5个字节。在首次调用时,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。

爱博体育 37

图12 方法描述

对图12的方法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

方今大家履行此措施,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

在此地点,只有开首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的艺术描述的数据。“!u”命令不知晓这点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的装有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含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甄选一个,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

主意的这些标志域的编码包含了艺术的门类,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让大家看方法表其余一个犬牙交错的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的繁杂,让托管环境觉得这或多或少看起来简单。然后,我们将注明接口怎样开展布局和依照接口的点子分派的合适工作措施。

爱博体育 38回到页首

接口虚表图和接口图

在章程表的第12字节偏移处是一个最紧要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个利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制。每个接口的落实都在接口虚表中有一个记下。借使MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有两个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的起来地点,如图9所示。这是接口方法分派爆发时行使的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图新闻创设,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据创建。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章程表中的接口信息记录。在这种景色下,对MyClass实现的五个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的始发4个字节指向MyInterface1的项目句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从父类派生,1代表由近期类实现)。在申明后的WORD是一个起首槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,伊始槽的值为4(从0开端编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,最先槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来发出如此的效果:每个接口有自己的兑现,然则物理映射到平等的艺术描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

遵照接口的主意分派通过接口虚表举办,而直白的法门分派通过保留在挨家挨户槽的法门描述地址举办。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,最先2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先个参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,能够在“mov
ecx,esi”语句看到这一点:

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

这个反汇编呈现了第一手调用MyClass的实例方法没有动用偏移。JIT编译器把措施描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和平素分派相比需要有些外加的下令。一个下令用来得到接口虚表的地址,另一个赢得形式槽表中的接口实现的开首槽。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”使用一个限令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

爱博体育 39归来页首

虚分派(Virtual Dispatch)

现在我们看看虚分派,并且和遵照接口的分担举办相比。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定位的槽编号暴发,和章程表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在措施表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的实现。结果,对父对象的措施调用被分派到子对象的贯彻。反汇编显示了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那点。

爱博体育 40再次回到页首

静态变量

静态变量是办法表数据结构的第一组成部分。作为艺术表的一有的,它们分配在措施表的槽数组后。所有的本来面目静态类型是内联的,而对此协会和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创造的对象引用来针对。方法表中的目的引用指向应用程序域的句柄表的目标引用,它引用了堆上创立的靶子实例。一旦创造后,句柄表内的对象引用会使堆上的目标实例保持生存,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。

爱博体育 41回到页首

EEClass

EEClass在格局表成立前先导生活,它和方法表组成起来,是项目注脚的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档次),只可是因为运用频度的不等而被分开。平常使用的域放在方法表,而不平时应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和偏移)在EEClass中,然则运行时索要的音信(如虚表槽和GC音讯)在艺术表中。

对每一个门类会加载一个EEClass到利用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个被执行引擎跟踪的树的节点。CLR使用这么些网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的构成。在实践托管代码的历程中,新的EEClass节点被参加,节点的涉及被填补,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有多少个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13。

图13只呈现了和这一个研商有关的一些域。因为咱们忽视了布局中的一些域,大家一贯不在图中合适显示偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的多次堆分配的办法描述块。在章程表创造时,对过程堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音信。EEClass在使用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,因而削减了办事集。

爱博体育 42

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。我们前天看看使用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。首先选用命令Name2EE拿到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命令得到。现在我们收获了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,能够知晓图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的法子)。固然Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口举办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,你会取得总共10个法子。最后列出的是类的多少个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

爱博体育 43回到页首

Conclusion结论

咱俩关于CLR一些最紧要的内在的探赜索隐旅程终于终止了。显著,还有好多题目亟待涉及,而且需要在更深的层系上谈论,但是大家期待这足以扶助你见到事物咋做事。这里提供的洋洋的音信可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,然则尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保障不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软先天的角色是赞助客户基于.NET框架建立可扩展的零件框架。可以经过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发协助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩张(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛蒂,可以透过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#开发应用程序。闲暇时间她喜欢音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意帮忙MSDN翻译更多的稿子和其他开发者共享。可以透过ecaijw@msn.com联系他。

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

*
*
Website