深深探索.NET框架之中领悟CLR咋样创制运行时对象

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发表日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中窥见许多稿子图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

目录

前言

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

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创设应用程序的主角级基础架构,
多了然点关于CLR的深度认识会支援您构建便捷的, 工业级健壮的运用程序.
在这篇作品中, 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, 基于接口的分摊, 和各式各类的数量结构.

咱俩会动用由C#写成的非凡简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为目的的.
啄磨的局部数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
然则大部分的概念是不会变的. 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出有用的消息. 通篇,
大家会谈论在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 会协理你在物色一些布局的时候到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

在咱们先导前,请留意:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1立竿见影(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的境况下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,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执行托管代码的首先行代码前,会创造两个使用程序域。其中三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启动进程创立,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,那么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)格局。第五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。此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接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依照应用程序的多少创立五个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

图片 1

系统域(System Domain)

系统域负责成立和开首化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且爱慕过程范围里边使用的蕴藏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没有给程序集机会选拔此特性。尽管如此,由于在拥有的施用程序域中对一个特定的记号只保留一个应和的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还背负发生过程范围的接口ID,并用来创制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,并实现加载和卸载应用程序域的效率。

共享域(Shared Domain)

富有不属于其余特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是必需的。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的主干类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被事先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时拔取由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个使用基地址作为目录的顺序集映射图,此映射图作为管理共享程序集看重关系的查找表,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利用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

默认域(Default Domain)

默认域是利用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里头运行。即使有些应用程序需要在运转时创立额外的采纳程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举行重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六个使用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息方可行使System.ContextBoundObject派生的项目制造。每个应用程序域有温馨的长治描述符(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,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效应是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的整个生命期内存在的预制构件。那么些堆的滋长基于可预测块,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五个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。日常访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在多次堆上,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)。

从高层次了然域后,我们准备看看它们在一个简练的应用程序的前后文中的物理细节,见
图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩大命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看
Son of
Strike
打探SOS的加载音信)。这里是编写后的输出:

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();
    }
}

俺们的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”Sample1.exe”的接纳程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是因为它是主旨系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个反复堆,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。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸和已交付尺寸。高频堆的初阶化大小是32KB,每一遍提交4KB。SOS的出口也远非出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己的加载器堆在域初阶化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,起始时交由4KB。大家将会在后续部分讨论项目布局时探究IVMap的意义。

图2
展现默认的长河堆,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越85000字节的靶子),它表明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堆和大目的堆是用来托管对象实例化的垃圾回收堆。

品种原理

花色是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以拔取class,struct和interface关键字展开宣示。大多数系列由程序员显式成立,可是,在特其它竞相操作(interop)情况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的发生类型,这么些暴发的体系涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个涵盖对象引用的栈先导研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例先导生命期的地点)。
图4中显示的代码包含一个简单易行的次序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创设一个SmallClass的花色实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目标堆创立对象。尽管这是一段无聊的代码,可是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 显示了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的意况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以固定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分配的靶子的地点。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,它蕴含了一个对象实例的地点,大家将利用术语对象实例(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

图片 2

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,图中显得的高低为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的对象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堆上成立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会回落,而GC堆在GC回收时展开削减。还有,LOH只会在完全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。每个注脚的连串有一个方法表,而平等档次的有所指标实例都指向同一个方法表。它含有了品种的特性信息(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。

措施表指向一个名为EEClass的基本点数据结构。在艺术表创制前,CLR类加载器从元数据中创立EEClass。
图4中,SmallClass的法门表指向它的EEClass。这多少个协会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,这里涉及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,所以这一个代码的生存期是停止CLR关闭截至。

目的实例

正如我辈说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的引用类型在 GC 堆或者 LOH 上创立。图 6
显示了一个卓绝的对象布局。一个对象足以经过以下途径被引述:基于栈的一对变量,在交互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上马地方,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
起头计数的 syncblk
编号。因为经过索引举办连续,所以在需要扩充表的轻重缓急时, CLR
可以在内存中活动这几个表。 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
可以在并未另外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享有实例使用的实用的音信。这一个音信包括对象锁,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,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在执行线程遭遇如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的言语时会暴发变化,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
图片 3

在以上代码中, smallObj 会动用 0 作为它的开局的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创立一个 syncblk 入口并利用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩张为 try-finally 语句并动用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创造。堆 GetHashCode
的调用会利用对象的哈希编码扩展 syncblk 。
在 SyncBlock 中有其他的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时利用,可是这和独立的对象用处无关。
品种句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保障连续性,我会在认证实例变量后商讨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认情状下,实例域会以内存最实用利用的主意排列,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 包含有部分见仁见智大小的实例变量。

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。我们在图 7 的 return 语句处设置了断点,然后采纳 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口体现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们从没用任何共同代码应用此实例(也远非访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目的实例,指向最先地点的 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联合。三个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在同步。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的其实的字符串实例。字符串是一个专程的项目,因为具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如出一辙实例。这多少个历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的使用。我们在此以前曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集无法选取是否采取这么些过程,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
图片 4

据此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的状态下,词典顺序必须被保存到内存中,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,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(可是 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在相互操作的图景下,假诺您真正需要相当的填充字节和显示的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)Offset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们采用 SOS 看看对象实例。一个使得的命令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的有所实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以显得大家创制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 的目的引用。 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
实例的地址后,大家可以运用 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

正如在此之前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团接纳 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)

尽管您从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重( 36
字节),就足以赢得 str 的高低,即 36 字节。让大家输出 str
实例来证实那一个结果:

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

如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),就可以获得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不清楚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。

本着方法表的档次句柄在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,则展开加载,得到方法表地址,创立对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器暴发的代码在举行艺术分派时使用项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史可以通过措施表反向访问加载类型时采取项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩充程序用于本文化的彰显CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一局部,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程以前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的公文夹到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 窗口中施行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的有些限令,关于SOS更多消息,参考这里

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创制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照耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯和外挂的消息方可通过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。对象实例包含的项目句柄指向方法表先导地点的偏移处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC消息。我们不打算在此间对其进展座谈。

图 9
呈现了点子表的天下第一布局。大家会注脚项目句柄的有的着重的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)开端,因为它一向关联到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

图片 5

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的对象的大小,基于代码中宣称的域。从前曾经研究过,当前GC的落实内需一个至少12字节的对象实例。固然一个类没有概念任何实例域,它起码含有额外的4个字节。此外的8个字节被对象头(可能包含syncblk编号)和档次句柄占用。再说一次,对象的高低会师临StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中体现的MyClass(有五个接口)的点子表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举办相比较。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命令的输出:

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

措施槽表(Method Slot Table)

在点子表中带有了一个槽表,指向各类艺术的讲述(MethodDesc),提供了品种的行为能力。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。

类加载器在脚下类,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,它替换所有的被覆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。槽复制是少不了的,它能够让各类接口有友好的细小的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#编译器为持有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为大家定义并起先化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10来得了MyClass的法门表的布局。布局显示了10个格局,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会开展研究。图11显示了MyClass的形式表的SOS的输出。

图10 MyClass MethodTable Layout
图片 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()

任何项目标先导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槽被开展了复制,但是都针对相同的法门描述。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。

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的法子实现的一个包装。有几系列型的办法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互相操作实现的调用。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暴发,起先化为指向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来得了一个独立的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的章程描述数据结构。对于实际的措施描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8个叠加字节的一局部。这5个字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的职务前面的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代码的白白跳转指令覆盖。

图 12艺术描述

图片 7

图12的艺术表槽指向的代码举行反汇编,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

最近大家执行此措施,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,唯有起先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法门描述的数额。“!u”命令不亮堂这或多或少,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的具备东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的争持虚地址(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拔取一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的艺术描述的情节:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

艺术的这些标志域的编码包含了主意的品类,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扑朔迷离的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的纷繁,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,大家将评释接口怎么样进展布局和基于接口的模式分派的方便工作形式。

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

在措施表的第12字节偏移处是一个首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个使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成立。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个记录。若是MyInterface1被五个类实现,在接口虚表表中就有多少个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的先导地方,如图9所示。那是接口方法分派爆发时行使的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图信息创立,接口图在模式表布局过程中基于类的元数据创造。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音讯记录。在这种情状下,对MyClass实现的三个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的起先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象征由方今类实现)。在表明后的WORD是一个上马槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起先槽的值为4(从0开头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起初槽的值为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用:每个接口有谈得来的落实,不过物理映射到同样的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的兑现。

基于接口的不二法门分派通过接口虚表举行,而直白的不二法门分派通过保留在相继槽的格局描述地址举行。如从前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起头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

那一个反汇编展现了直白调用MyClass的实例方法没有使用偏移。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暴发,和直接分派相比需要一些附加的指令。一个发令用来赢得接口虚表的地址,另一个收获情势槽表中的接口实现的起头槽。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”使用一个发令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

虚分派(Virtual Dispatch)

前天我们看看虚分派,并且和依照接口的分摊举行相比。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一定的槽编号暴发,和办法表指针在一定的类(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,对父对象的方法调用被分摊到子对象的落实。反汇编呈现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的机要组成部分。作为艺术表的一局部,它们分配在艺术表的槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对此协会和引用的品类的静态值对象,通在句柄表中开创的对象引用来针对。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。一旦创设后,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指向句柄表的目标引用,后者指向GC堆上的MyString。

EEClass

EEClass在格局表创造前起始生活,它和章程表组成起来,是类别表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只不过因为运用频度的不等而被分手。通常利用的域放在方法表,而不平常利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和摇头)在EEClass中,可是运行时索要的音信(如虚表槽和GC新闻)在艺术表中。

对每一个连串会加载一个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组成。在举行托管代码的经过中,新的EEClass节点被投入,节点的关联被补充,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的涉嫌。EEClass有两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只体现了和这多少个研究相关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,大家从未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也本着在默认使用程序域的多次堆分配的办法描述块。在点子表制造时,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在运用程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的展开内存分页管理,因而裁减了办事集。

图13 EEClass 布局

图片 8

图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。我们现在看望使用SOS输出的EEClass的真的的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次序。首先利用命令Name2EE得到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,能够从DumpDomain命令得到。现在大家获取了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的出口看起来完全一样。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,可以了解图13显示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的形式)。虽然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进入到列表中。把.cctor和.ctor参加到列表中,你会博得总共10个方法。最终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。

结论

俺们关于CLR一些最要害的内在的探索旅程终于终止了。显明,还有许多题材需要涉及,而且需要在更深的层系上谈论,不过我们盼望这可以扶持你看来事物咋样工作。这里提供的广大的音信或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,不过即使本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该保持不变。