深切探索.NET框架中了解CLR如何创造运行时对象

深切探索.NET框架中了解CLR如何创造运行时对象

原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发布日期: 9/19/2005
原文已经深受 Microsoft
删除了,收集过程被发觉许多稿子图都非净,那是因原文的图都未统,所以特收集完整全文。

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的地域
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 色原理
  • 目标实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 术槽表(Method Slot
    Table)
  • 术描述(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。
  • 靶布局以及舅存细节。
  • 艺术发明布局。
  • 方式分派(Method dispatching)。

盖国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创立应用程序的主角级基础架构,
多掌握点关于CLR的深浅认识会帮助而构建高速之, 工业级健壮的应用程序.
在当下首文章被, 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, 和各种各样的数据结构.

我们会以由C#写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盖C#语言也目标的.
讨论的部分数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0受改,
但是大部分之概念是勿见面转换的. 我们会动Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够解CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此的信息. 通篇,
我们会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中保有相关兑现的接近, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥至它们.

图表1 会帮助而以寻觅一些结构的时到SSCLI中之信息.

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

在我们开前,请留心:本文提供的音信才针对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1立竿见影(对于Shared Source CLI
1.0呢多数适用,只是于一些交互操作的状下得注意例外),对于.NET
Framework
2.0晤产生改,所以恳请不要在构建软件时因让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地面

每当CLR执行托管代码的首先实践代码前,会创三单应用程序域。其中有数单对托管代码甚至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,这些地带是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是以了么(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,也是绝无仅有的发出命名的地方。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之名字做。其它的地面可以在托管代码中动用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中使ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的数创建多个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓

图片 1

系统域(System Domain)

系统域负责创建同初始化共享域和默认应用程序域。它将系统库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蒙的一个优化特性,它的处理办法显得有点傻,因为CLR没有受程序集时选择是特性。尽管如此,由于在具备的应用程序域中对一个一定的号子只保留一个对应之字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还负责产生过程范围的接口ID,并为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意义。

共享域(Shared Domain)

备不属其他特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于所有应用程序域的用户代码都是少不了的。它会于电动加载到联合享域中。系统命名空间的骨干型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中叫事先加载到本域中。用户代码也足以让加载到是域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可加载代码到一起享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个运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依赖关系的查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和外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中间运行。尽管稍应用程序需要以运作时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一之运作时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运转中只创造一个所在。所有在此域运行的代码都是于所在层次上发生上下文限制。如果一个应用程序有差不多个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可以使System.ContextBoundObject派生的品种创建。每个应用程序域有和好之安康描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次集缓存。

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的周生命期内存在的部件。这些堆的增强基于可预测块,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大都单堆放),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,分配在屡次堆上,而于少看的数据结构如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)。

自从赛层次了解域后,我们准备看看她于一个粗略的应用程序的上下文中的情理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
问询SOS的加载信息)。这里是编辑后的输出:

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();
    }
}

咱的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个称作也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到手拉手享域,不过因它们是核心系统库,所以也在系统域中列有。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一之切近加载器,而默认应用程序使用好之近乎加载器。

出口没有出示加载器堆的保留尺寸和已经交给尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为未曾展示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己之加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始时交由4KB。我们拿会当继续有研究型布局时讨论IVMap的意义。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和异常目标堆(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代码堆中。GC堆和深目标堆是用以托管对象实例化的杂质回收堆。

色原理

种是.NET编程中的骨干单元。在C#惨遭,类型可以应用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类型由程序员显式创建,但是,在特别的彼此操作(interop)情形与长距离对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的出类型,这些有的品类涵盖COM和运行时只是调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们通过一个带有对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开始生命期的地方)。
图4饱受形的代码包含一个简练的次第,它产生一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创一个SmallClass的类型实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示如何当特别目标堆创建对象。尽管这是同等段子无聊之代码,但是好扶持我们进行座谈。

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 显示了停止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明以恐的图景下以函数参数通过寄存器传递,而另参数按照从右到左的次第入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内富含在库房结构面临。引用类型变量如smallObj以稳大小(4许节DWORD)保存于栈中,包含了当形似GC堆着分配的靶子的地方。对于人情C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它蕴含了一个目标实例的地址,我们用采取术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的仓库结构与堆

图片 2

一般GC堆上的smallObj对象实例包含一个曰也 _largeObj
的字节数组(注意,图中形的尺寸也85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对过或等85000字节的靶子的拍卖及小目标不同。大目标在深目标堆(LOH)上分红,而略带目标在一般GC堆上创立,这样可以优化对象的分配与回收。LOH不见面压缩,而GC堆在GC回收时进行压缩。还有,LOH只见面于全GC回收时于回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个声明的色有一个方法表,而同样类型的持有目标实例都对同一个方法表。它蕴含了路的表征信息(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,指向相应实现之槽表。

主意表指向一个叫也EEClass的首要数据结构。在措施发明创建前,CLR类加载器从元数据中创造EEClass。
图4遇,SmallClass的艺术表指向其的EEClass。这些组织指向她的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共同享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到内,就直到应用程序域卸载时才见面破灭。而且,默认的应用程序域不见面叫卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

靶实例

刚刚使我辈说罢的,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。所有的援类型在 GC 堆或者 LOH 上创立。图 6
显示了一个杰出的靶子布局。一个靶可以经过以下途径为引用:基于栈的片段变量,在竞相操作还是平台调用情况下的句子柄表,寄存器(执行方时之
this 指针和章程参数),拥有终结器( finalizer )方法的对象的终结器队列。
OBJECTREF 不是依为目标实例的开头位置,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为通过索引进行连接,所以于急需增加表的轻重时, CLR
可以以内存中移动是发明。 SyncTableEntry 维护一个反向的已故引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以以从来不外强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了大少用吃一个目标的具有实例使用的实用之信息。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据以及应用程序域的目。对于多数的对象实例,不会见呢实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这同一碰在执行线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的讲话时会发生变化,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
图片 3

在上述代码中, smallObj 会使 0 作为它们的胚胎之 syncblk 编号。 lock
语词使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并采取相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句并采用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创设。堆 GetHashCode
的调用会以对象的哈希编码增加 syncblk 。
以 SyncBlock 中出另外的域,它们于 COM 交互操作与封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采用,不过这跟典型的靶子用处无关。
项目句柄紧跟以目标实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会以验证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟以项目句柄后。默认情况下,实例域会以内存最可行运用的方排列,这样才需要极少之当对合之填充充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有局部例外尺寸的实例变量。

图 7 SimpleClass with Instance Variables

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

    //Total instance variable size = 28 bytes 

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

图 8 显示了在 Visual Studio 调试器之内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们当图 7 的 return 语句处设置了断点,然后用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口亮对象实例。前 4 只字节是 syncblk
编号。因为我们尚无因此另外共同代码用是实例(也远非看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存于栈变量的对象实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个对接一个之排于一齐。两只
short 类型变量 s1 和 s2 也给列于联合。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个专程的门类,因为有着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同等实例。这个进程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的使。我们之前曾提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可知选择是否采取是过程,尽管未来本的 CLR
可能会见供这么的力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 4

因而默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的景况下,词典顺序必须为保留到外存中,这时可以采用
StructLayoutAttribute 特性,它来一个 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,尽管当 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见这样做)。在互动操作的情形下,如果您真用分外的填充字节和展示的控制域的次第,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起行使。

圈了脚的内存内容后,我们应用 SOS 看看对象实例。一个立竿见影的下令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容以及一个专程类型的保有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显示我们创建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

目标的究竟大小是 36 字节,不管字符串多格外, 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,其它 8
只字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地方后,我们得采取 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

刚巧使前说罢, C# 编译器对于接近的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织使 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以无限小化填充字节。我们可以用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的上空,如下所示:

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

倘您于目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大小( 36
字节),就得获得 str 的轻重缓急,即 36 字节。让我们输出 str
实例来说明这个结果:

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

设您拿字符串实例的深浅(36字节)加上SimpleClass实例的轻重(36字节),就得取ObjSize命令语的到底大小72字节。

恳请留心ObjSize不含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1遇,CLR不掌握非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它们不见面吃这命令语。

本着方法发明的品种句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,CLR查看加载类型,如果无找到,则进行加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后将品种句柄值追加至对象实例中。JIT编译器产生的代码在开展方式分派时采取类句柄来稳定方法表。CLR于待史可以由此艺术表反向顾加载类型时采用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的显示CLR数据结构的情节,它是 .NET
Framework 安装程序的一致片段,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
所于的文本夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后以 Immediate 窗口被实行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的组成部分指令,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,会以内存中经过措施表来表示。这是于靶的第一只实例创建前的切近加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到让语言编译器产生的投到内存的排头数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音信与外挂的音讯可经过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中好透过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的色句柄指向方法发明开位置的摇处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算在此地针对那个进行座谈。

图 9
显示了章程发明的出众布局。我们见面证明项目句柄的片段最主要的域,但是于截然的列表,请参见此图。让我们于基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它直接关联及运行时之内存状态。

图 9 方法表布局

图片 5

基实例大小

基实例大小是出于类似加载器计算的对象的分寸,基于代码中声称的地域。之前曾经讨论过,当前GC的贯彻内需一个足足12字节的对象实例。如果一个类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独字节被指向象头(可能含有syncblk编号)和类型句柄占用。再说一不成,对象的尺寸会惨遭StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3遇显得的MyClass(有三三两两单接口)的方发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将它们跟SOS的出口进行比。在图9屡遭,对象大小在4字节的摆处,值吗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

法槽表(Method Slot Table)

在点子发明中蕴含了一个槽表,指向各个艺术的描述(MethodDesc),提供了档次的行为能力。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。

好像加载器在此时此刻好像,父类和接口的首批数据中遍历,然后创建方法表。在列过程遭到,它替换所有的吃埋的虚方法和吃藏的父类方法,创建新的扇,在得时复制槽。槽复制是必不可少的,它可以吃每个接口有协调的最小之vtable。但是被复制的槽指向同的情理实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为有没有来显式定义构造函数的靶子自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转变一个近乎构造函数。图10显了MyClass的方法发明的布局。布局显示了10只措施,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会展开座谈。图11展示了MyClass的法门发明的SOS的出口。

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()

其余类型的起来4单主意总是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,但是都指向相同之不二法门描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别同静态方法与实例方法分在同样组。

计描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的主意实现的一个包裹。有几栽档次的章程描述,除了用于托管实现,分别用于不同之竞相操作实现的调用。在本文中,我们才考察图3代码中之托管方描述。方法描述在接近加载过程被生出,初始化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12展示了一个杰出的布局,方法发明底槽实际上对代理,而无是实在的法描述数据结构。对于实际的道描述,这是-5字节的撼动,是每个方法的8个附加字节的同等局部。这5只字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。5字节之皇可以于SOS的DumpMT输出从观望,因为方法描述总是方法槽表指向的位置后的5只字节。在第一不行调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5只字节会被超反至JIT编译后的x86代码的义务跳转指令覆盖。

图 12方式描述

图片 7

图12的道表槽指向的代码进行反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是以
Method2 被JIT编译前的相反汇编的简化显示。

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

今日咱们执行之方,然后倒汇编相同之地点:

!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

于这地点,只有开始5只字节是代码,剩余字节包含了Method2的点子描述的数目。“!u”命令不明白就或多或少,所以生成的是烂的代码,你得忽略5个字节后底具备东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现之相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在依照要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。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编译前后的主意描述的始末:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

方式的是标志域的编码包含了法子的路,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让咱看方法表另外一个繁杂的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境看就一点看押起大概。然后,我们将说明接口如何进行布局和因接口的主意分派的适当工作章程。

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

当章程发明的第12字节偏移处是一个最主要之指针,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。每个接口的兑现还当接口虚表中发出一个记下。如果MyInterface1被简单个像样实现,在接口虚表表中即使生少数只记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的启位置,如图9所示。这是接口方法分派发生时以的援。接口虚表是依据方法发明内含的接口图信息创建,接口图在术发明布局过程中冲类的首数据创建。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章程表中的接口信息记录。在这种情况下,对MyClass实现之少只接口中之各国一个都起星星点点条记下。第一久接口信息记录的初始4单字节指向MyInterface1的档次句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从今父类派生,1象征是因为时相近实现)。在表明后的WORD是一个初步槽(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据为实现;对于MyInterface2,开始槽的价值吗6,所以槽7和8赖为实现。类加载器会于用常复制槽来来这样的法力:每个接口有谈得来之落实,然而物理映射到同一的方式描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2及MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

依据接口的法门分派通过接口虚表进行,而直接的章程分派通过保留在各个槽的法描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2个参数在可能的时光一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先只参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以当“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

这些反汇编显示了直接调用MyClass的实例方法没有动用偏移。JIT编译器把法描述的地址直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表发生,和一直分派相比要部分分外的通令。一个命用来得到接口虚表的地点,另一个落方式槽表中之接口实现之起槽。而且,把一个靶实例转换为接口就待拷贝this指针到目标的变量。在觊觎2备受,语句“mi1=mc”使用一个指令把mc的对象引用拷贝到mi1。

虚分派(Virtual Dispatch)

兹咱们省虚分派,并且和根据接口的分担进行比。以下是图3中MyClass.Method3的心虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个原则性的槽编号发生,和措施表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在方式发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的落实。结果,对大对象的办法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,可以当调试器的内存窗口(如图10所显示)和DumpMT的输出看到就或多或少。

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的要紧片段。作为艺术发明的同等局部,它们分配在措施发明底槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对此组织和援的型的静态值对象,通于句柄表中开创的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的语句柄表的目标引用,它引用了堆积如山上创设的对象实例。一旦创立后,句柄表内的目标引用会使堆上的靶子实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的对象引用,后者对GC堆上之MyString。

EEClass

EEClass在点子发明创建前开在,它跟办法发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和方表逻辑上是一个数据结构(它们并表示一个列),只不过因为以频度的不同而被分别。经常应用的域放在方法表,而未常利用的地区于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,但是运行时索要的音信(如虚表槽和GC信息)在术表中。

对各个一个路会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个吃实践引擎跟踪的养之节点。CLR使用此网络在EEClass结构中浏览,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-子关系因接口层次以及类加载顺序的三结合。在实行托管代码的进程被,新的EEClass节点被投入,节点的关系为补充,新的关系被树。在网络中,相邻的EEClass还有一个水平的涉嫌。EEClass有三只域用于管理为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吃之MyClass上下文中之EEClass的语义,请参见图13

图13偏偏显示了跟之讨论有关的一些域。因为我们忽视了布局中之片地区,我们无当祈求被相当显示偏移。EEClass有一个间接的对艺术发明的援。EEClass也本着于默认应用程序域的勤堆分配的不二法门描述块。在艺术发明创建时,对经过堆上分红的地方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,这样操作系统可以更好之展开内存分页管理,因此减少了办事集。

图13 EEClass 布局

图片 8

图13遭之其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不讲自明。我们本探访用SOS输出的EEClass的确实的物理内存。在mc.Method1替码行设置断点后,运行图3的先后。首先使命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,可以起DumpDomain命令得到。现在咱们得到了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与DumpClass的出口看起了相同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了于模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相互邻链指为名也Program的EEClass,可以解贪图13显示的凡加载Program时之结果。

MyClass有8个虚表槽(可以叫虚分派的章程)。即使Method1和Method2休是虚方法,它们可当经接口进行摊派时受认为是虚函数并参加到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面得总共10个点子。最后列有底凡近乎的蝇头只静态域。MyClass没有实例域。其它地方不出口自明。

结论

咱关于CLR一些极其要害的内在的追旅程算终止了。显然,还有不少题材亟需涉及,而且需要以重复怪的层次上讨论,但是咱盼望马上得辅助您望事物如何行事。这里提供的森的音信或者会见在.NET框架和CLR的新兴版被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改,概念应该维持不移。

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