深刻琢磨,深入研究

原稿地址: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,收集过程中发觉许多篇章图都不全,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。
  • 目标布局和内存细节。
  • 主意表布局。
  • 艺术分派(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,
多通晓点关于CLR的深浅认识会支援您构建连忙的, 工业级健壮的采纳程序.
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, 和形形色色的数据结构.

我们会动用由C#写成的至极简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为对象的.
啄磨的一部分数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过大多数的定义是不会变的. 我们会动用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些多少结构.
SOS可以精通CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
大家会啄磨在Shared Source CLI(SSCLI)中拥有相关落实的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会辅助您在寻觅一些布局的时候到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

在我们起始前,请小心:本文提供的音讯只对在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,只是在好几交互操作的图景下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时看重于这个内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

CLR启动程序(Bootstrap)制造的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创制五个使用程序域。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,这个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)模式。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。此外的域可以在托管代码中利用AppDomain.CreateDomain方法成立,或者在非托管的代码中采纳ICORRuntimeHost接口创制。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多少成立五个域。

图 2 由CLR启动程序创制的域 ↓

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系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创建和先河化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且敬重过程范围里边使用的隐含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,它的拍卖办法显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会拔取此特性。即使如此,由于在富有的接纳程序域中对一个特定的标记只保留一个相应的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还担负爆发过程范围的接口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。系统域在经过中保持跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的效能。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

有着不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于所有应用程序域的用户代码都是少不了的。它会被机关加载到共享域中。系统命名空间的基本类型,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。用户代码也可以被加载到这么些域中,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,方法是拔取System.LoaderOptimizationAttribute特性阐明Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的先后集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中创建的运用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

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。尽管有些应用程序需要在运行时制造额外的利用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点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。如若一个应用程序有六个应用程序域,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讯方可应用System.ContextBoundObject派生的体系创制。每个应用程序域有协调的平安描述符(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,接口虚表管理器和程序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功力是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的任何生命期内设有的构件。这么些堆的提升基于可预测块,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多少个堆),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)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了解域后,我们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(),然后使用SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看
Son of
Strike
打听SOS的加载音讯)。这里是编辑后的出口:

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,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”Sample1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过因为它是主导系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个频繁堆,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。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸和已交给尺寸。高频堆的初阶化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的出口也一向不出示接口虚表堆(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伊始化阶段创立。IVMap保留大小是4KB,起头时交由4KB。我们将会在后续部分研讨项目布局时商讨IVMap的意思。

图2
显示默认的经过堆,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),它注解了那个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回收堆。

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项目原理

花色原理

类别是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以采纳class,struct和interface关键字展开宣示。大多数系列由程序员显式创立,然而,在特其它彼此操作(interop)情状和长距离对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,这多少个暴发的序列涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家通过一个分包对象引用的栈开端商讨.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开头生命期的地点)。
图4中展示的代码包含一个简单易行的顺序,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的项目实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆创立对象。即使这是一段无聊的代码,可是足以扶持大家进行钻探。

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,它表明在可能的事态下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数遵照从右到左的逐条入栈,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以一直大小(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。不管怎么着,它蕴含了一个对象实例的地方,大家将拔取术语对象实例(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

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澳门葡京官方网站,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,图中展现的高低为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,而小目标在一般GC堆上成立,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只会在一点一滴GC回收时被回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个注解的连串有一个方法表,而同一系列的有着目标实例都针对同一个方法表。它涵盖了花色的特性音讯(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。

格局表指向一个名为EEClass的重点数据结构。在措施表创造前,CLR类加载器从元数据中创设EEClass。
图4中,SmallClass的艺术表指向它的EEClass。那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。加载器堆和选拔程序域关联,那里提到的数据结构一旦被加载到内部,就直到应用程序域卸载时才会破灭。而且,默认的应用程序域不会被卸载,所以这个代码的生存期是截止CLR关闭结束。

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目的实例

对象实例

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 上创建。图 6
呈现了一个头名的目的布局。一个对象可以经过以下途径被引述:基于栈的有的变量,在相互操作仍然平台调用情况下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和章程参数),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,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起先计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连续,所以在需要扩展表的深浅时, 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
可以在一贯不其他强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个对象的有所实例使用的可行的音讯。这么些音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和采纳程序域的目录。对于绝大多数的对象实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在推行线程碰到如
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();

图 6 对象实例布局
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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 入口并采取相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会增添为 try-finally 语句并运用 Monitor 类,一个看作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创建。堆 GetHashCode
的调用会接纳对象的哈希编码增添 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时拔取,然而这和超绝的靶子用处无关。
项目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讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认境况下,实例域会以内存最实用利用的方法排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码呈现了 SimpleClass 包含有一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 彰显了在 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,然后利用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口突显对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家并未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,指向初叶地方的 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一道。两个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
堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个特地的系列,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。这一个过程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的施用。大家事先早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不能够选用是否采取这些进程,固然以后版本的 CLR
可能会提供那样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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就此默认情形下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的情状下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以选用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,它从不影响托管的布局(可是 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在竞相操作的情形下,如果你实在需要异常的填充字节和显示的控制域的次第,
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,我们利用 SOS 看看对象实例。一个灵光的通令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特意类型的兼具实例。无需倚重寄存器,
DumpHeap 可以显示大家成立的绝无仅有一个实例的地址。

!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

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,此外 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,我们得以拔取 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

正如以前说过, 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。我们可以使用 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)

若果您从目标图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就足以拿走 str 的大大小小,即 36 字节。让大家输出 str
实例来注明这些结果:

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

假诺您将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大小(36字节),就足以获取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。

针对方法表的系列句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创制前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则开展加载,拿到方法表地址,创造对象实例,然后把项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器爆发的代码在展开模式分派时行使项目句柄来稳定方法表。CLR在需要史可以经过艺术表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩大程序用于本文化的彰显CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一部分,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 窗口中履行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的部分下令,关于SOS更多信息,参考这里

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方法表

方法表

各样类和实例在加载到应用程序域时,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建前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情景,而艺术表表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器发生的照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因而System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以透过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的品种句柄指向方法表开始地方的撼动处,偏移量默认状况下是12字节,包含了GC音讯。大家不打算在此地对其开展研商。

图 9
呈现了主意表的卓著布局。我们会阐明项目句柄的片段要害的域,不过对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)起首,因为它直接关乎到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

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基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总括的靶子的大大小小,基于代码中声称的域。在此之前已经研讨过,当前GC的兑现内需一个起码12字节的靶子实例。倘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(可能含有syncblk编号)和系列句柄占用。再说三回,对象的大大小小会受到StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中展示的MyClass(有多少个接口)的措施表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办相比较。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

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办法槽表(Method Slot Table)

主意槽表(Method Slot Table)

在章程表中富含了一个槽表,指向各个艺术的讲述(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。

类加载器在眼前类,父类和接口的元数据中遍历,然后创设方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮住的虚方法和被埋伏的父类方法,创制新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各种接口有温馨的小小的vtable。然而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)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为富有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并伊始化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10来得了MyClass的法子表的布局。布局显示了10个章程,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下面我们会举行商量。图11呈现了MyClass的章程表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
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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()

此外类型的先导4个章程总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,可是都对准相同的办法描述。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。

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模式描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)是CLR知道的方法实现的一个卷入。有三种档次的法子描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互动操作实现的调用。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,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体现了一个头名的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的章程描述数据结构。对于实际的措施描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8个叠加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的指令。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的地点后边的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措施描述

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图12的不二法门表槽指向的代码举办反汇编,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

前日大家履行此措施,然后反汇编相同的地址:

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

在此地方,唯有伊始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的措施描述的数量。“!u”命令不清楚这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你能够忽略5个字节后的持有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的对立虚地址(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挑选一个,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

办法的这些标志域的编码包含了主意的档次,例如静态,实例,接口方法依然COM实现。让我们看方法表其余一个繁杂的下边:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得这点看起来大概。然后,我们将讲明接口咋样开展布局和基于接口的法门分派的适宜工作办法。

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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字节偏移处是一个生死攸关的指针,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。每个接口的落实都在接口虚表中有一个记录。假设MyInterface1被两个类实现,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。接口虚表是基于方法表内含的接口图音讯创造,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据成立。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。在这种场馆下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的开始4个字节指向MyInterface1的门类句柄(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意味着由近年来类实现)。在注解后的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,发轫槽的值为4(从0先导编号),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。类加载器会在急需时复制槽来发出这样的效能:每个接口有温馨的兑现,不过物理映射到同一的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

按照接口的不二法门分派通过接口虚表举办,而直接的方法分派通过保留在相继槽的法子描述地址进行。如在此以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起首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

这个反汇编展现了直白调用MyClass的实例方法没有应用偏移。JIT编译器把措施描述的地点直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表暴发,和一贯分派相比较需要部分非凡的吩咐。一个下令用来收获接口虚表的地方,另一个到手形式槽表中的接口实现的开始槽。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”使用一个下令把mc的目的引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

近期我们看看虚分派,并且和基于接口的摊派举办相比。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一定的槽编号暴发,和艺术表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在格局表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的兑现。结果,对父对象的章程调用被分摊到子对象的贯彻。反汇编展现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到那一点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是艺术表数据结构的关键组成部分。作为艺术表的一片段,它们分配在模式表的槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对于社团和引用的项目标静态值对象,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靶子引用,它引用了堆上创造的对象实例。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指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在措施表成立前开端生活,它和措施表组成起来,是连串注脚的CLR版本。实际上,EEClass和形式表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只不过因为使用频度的不比而被分开。通常应用的域放在方法表,而不平日利用的域在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信息)在措施表中。

对每一个品类会加载一个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使用这些网络在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结合。在执行托管代码的历程中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被补充,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水准的关联。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,请参见图13

图13只显示了和这个研讨有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们从未在图中正好呈现偏移。EEClass有一个间接的对于艺术表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的屡屡堆分配的措施描述块。在模式表创建时,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在利用程序域的低频堆分配,这样操作系统能够更好的展开内存分页管理,因而缩短了工作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。大家现在探访使用SOS输出的EEClass的着实的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先应用命令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,可以从DumpDomain命令得到。现在我们得到了EEClass的地点,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的出口看起来完全等同。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,可以了解图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(能够被虚分派的艺术)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们能够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插足到列表中,你会赢得总共10个章程。最终列出的是类的六个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

咱俩关于CLR一些最重点的内在的探赜索隐旅程终于终止了。显著,还有为数不少题材需要涉及,而且需要在更深的层系上谈论,不过大家期望那可以帮忙您看到东西如何工作。这里提供的过多的音信或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,然则即便本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该维持不变。

趁着通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其进行深刻明白会帮助您建立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。

俺们将使用C#编写的大概代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处钻探的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是关键概念应该维持不变。大家运用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩充Son of Strike
(SOS)来查阅本文钻探的数据结构。SOS理解CLR的中间数据结构并出口有用消息。请参见“Son
of Strike”补充资料,了然如何将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的历程空间。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将帮忙你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的构造。

在大家伊始前,请留心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1实惠(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的景色下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改动,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)创设的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会成立六个使用程序域。其中多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),都是行使了单件(Singleton)情势。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利用AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中采取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数据创制四个域。

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2 由CLR启动程序创造的域

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系统域(System Domain)

系统域负责成立和起先化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且敬服过程范围之中选用的包含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,它的处理格局显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选拔此特性。即使如此,由于在具有的运用程序域中对一个一定的号子只保留一个对应的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还肩负爆发过程范围的接口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。系统域在过程中维系跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的功用。

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共享域(Shared Domain)

持有不属于此外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要的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的骨干类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被事先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是接纳System.LoaderOptimizationAttribute特性注解Main方法。共享域还管理一个利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依赖关系的查找表,这一个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其余在托管代码中创设的施用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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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其间运行。虽然有些应用程序需要在运转时创立额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办重大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。即便一个应用程序有四个使用程序域,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拔取System.ContextBoundObject派生的档次创建。每个应用程序域有和好的自贡描述符(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。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意义是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的成套生命期内设有的预制构件。那一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。日常访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,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简单的应用程序的内外文中的物理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看Son
of
Strike
询问SOS的加载信息)。这里是编写后的出口:

!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

咱俩的控制台程序,萨姆ple1.exe,被加载到一个名为“山姆(Sam)ple1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然则因为它是核心系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代办堆。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。

出口没有出示加载器堆的保存尺寸和已提交尺寸。高频堆的开首化大小是32KB,每一回提交4KB。SOS的输出也从不体现接口虚表堆(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立。IVMap保留大小是4KB,开始时提交4KB。我们将会在持续部分研讨项目布局时探究IVMap的意思。

图2呈现默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目的堆(用于大小相等还是超过85000字节的对象),它申明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堆和大目的堆是用来托管对象实例化的污染源回收堆。

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品种原理

系列是.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创造,但是,在特意的交互操作(interop)情形和长途对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这么些发生的类型涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们经过一个涵盖对象引用的栈初始研商.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例开首生命期的地点)。图4中显示的代码包含一个简练的程序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1成立一个SmallClass的花色实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆创立对象。虽然这是一段无聊的代码,可是足以协理大家开展座谈。

图5显示了停止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的场地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次第入栈,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以一向大小(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。对于传统C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管咋样,它含有了一个对象实例的地点,我们将运用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

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图5 SimpleProgram的栈结构和堆

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,图中呈现的大小为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的靶子的处理和小目的不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在一般GC堆上成立,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在一点一滴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。每个讲明的门类有一个方法表,而同样类型的所有目的实例都指向同一个方法表。它富含了品种的特征音讯(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的紧要数据结构。在点子表创造前,CLR类加载器从元数据中制造EEClass。图4中,SmallClass的法子表指向它的EEClass。这个构造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。加载器堆和动用程序域关联,这里提到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化为乌有。而且,默认的应用程序域不会被卸载,所以那些代码的生存期是截止CLR关闭截至。

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目的实例

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上制造。图6展现了一个非凡的靶子布局。一个对象可以透过以下途径被引述:基于栈的一些变量,在交互操作仍旧平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行办法时的this指针和措施参数),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起初地方,而是有一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目录(从1发端计数的syncblk编号。因为经过索引举办连续,所以在急需扩大表的分寸时,CLR可以在内存中活动这些表。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可以在没有其他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目的的装有实例使用的卓有效用的音信。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和使用程序域的目录。对于大部分的目的实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。那点在执行线程遭受如lock(obj)或者obj.GetHashCode的语句时会暴发变化,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作为它的序幕的syncblk编号。lock语句使得CLR创制一个syncblk入口并接纳相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩大为try-finally语句并采用Monitor类,一个看作同步的Monitor对象在syncblk上创立。堆GetHashCode的调用会采取对象的哈希编码增添syncblk。

在SyncBlock中有此外的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时接纳,不过这和优秀的目的用处无关。

花色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钻探类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在品种句柄后。默认意况下,实例域会以内存最管用使用的主意排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有局部不同大小的实例变量。

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。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地址在内存窗口展示对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们从未用另外共同代码应用此实例(也尚无访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的对象实例,指向开始地点的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一起。多个short类型变量s1和s2也被排列在一齐。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分配的其实的字符串实例。字符串是一个特另外门类,因为所有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模一样实例。这多少个进程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的采纳。大家事先已经提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可能采纳是否利用那个历程,就算将来版本的CLR可能会提供这样的能力。

之所以默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的动静下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以采纳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,即便在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(不过.NET Framework
2.0或许会这么做)。在交互操作的情状下,若是你确实需要异常的填充字节和呈现的控制域的各样,LayoutKind.Explicit可以和域层次的FieldOffset特性一起行使。

看完底层的内存内容后,我们运用SOS看看对象实例。一个使得的授命是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特别类型的具备实例。无需依赖寄存器,DumpHeap可以呈现我们创造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的靶子引用。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实例的地点后,我们得以应用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

正如从前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会选用LayoutType.Sequential);因而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实例占用的长空,如下所示:

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

假使您从目标图的全局大小(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实例来验证那一个结果:

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

只要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不知晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因而它们不会被那个命令报告。

本着方法表的门类句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创制前,CLR查看加载类型,如若没有找到,则举办加载,拿到方法表地址,创设对象实例,然后把品种句柄值追加到目的实例中。JIT编译器爆发的代码在开展艺术分派时行使项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史可以透过措施表反向访问加载类型时使用项目句柄。

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方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目的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,而艺术表表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器发生的投射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的新闻和外挂的音信可以因此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始地点的舞狮处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在这里对其展开商讨。

图9彰显了艺术表的超人布局。大家会注明项目句柄的一部分关键的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)起头,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的目的的轻重缓急,基于代码中宣称的域。从前早已啄磨过,当前GC的实现需要一个至少12字节的靶子实例。如果一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和花色句柄占用。再说四次,对象的尺寸会惨遭StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显示的MyClass(有多少个接口)的艺术表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口进行相比。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命令的出口:

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

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措施槽表(Method Slot Table)

在点子表中涵盖了一个槽表,指向各类艺术的叙述(MethodDesc),提供了品种的行为能力。方法槽表是遵照方法实现的线性链表,依据如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当下类,父类和接口的元数据中遍历,然后创设方法表。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。槽复制是必不可少的,它可以让每个接口有投机的细微的vtable。可是被复制的槽指向平等的大体实现。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#编译器为持有没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为大家定义并起头化了一个静态变量,编译器会转变一个类构造函数。图10体现了MyClass的法子表的布局。布局展现了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,上边我们会进展座谈。图11来得了MyClass的章程表的SOS的出口。

其他类型的起头4个形式总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这多少个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,不过都对准相同的法子描述。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。

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形式描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)是CLR知道的不二法门实现的一个打包。有几系列型的形式描述,除了用于托管实现,分别用于不同的竞相操作实现的调用。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,先河化为指向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突显了一个压倒元白的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的办法描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的舞狮,是各类方法的8个附加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命令。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代码的义务跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的法门表槽指向的代码举行反汇编,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

昨日我们实践此措施,然后反汇编相同的地址:

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

在此地方,惟有起先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的办法描述的多寡。“!u”命令不晓得这或多或少,所以生成的是无规律的代码,你能够忽略5个字节后的具有东西。

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。让我们从列出的函数中精选一个,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

办法的这一个标志域的编码包含了艺术的项目,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让大家看方法表此外一个错综复杂的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得那一点看起来简单。然后,我们将表达接口怎样进展布局和按照接口的艺术分派的适龄工作办法。

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接口虚表图和接口图

在点子表的第12字节偏移处是一个要害的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个施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建。每个接口的落实都在接口虚表中有一个笔录。即便MyInterface1被七个类实现,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发端地方,如图9所示。这是接口方法分派暴发时采用的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图信息创设,接口图在艺术表布局过程中基于类的元数据创设。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在形式表中的接口音讯记录。在那种状态下,对MyClass实现的五个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的启幕4个字节指向MyInterface1的花色句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个注脚占用(0意味从父类派生,1表示由如今类实现)。在阐明后的WORD是一个着手槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起首槽的值为4(从0伊始编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,开头槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来暴发这样的效能:每个接口有和好的兑现,但是物理映射到平等的法子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

据悉接口的情势分派通过接口虚表举办,而直接的方法分派通过保留在依次槽的法子描述地址举行。如往日提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,发轫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,所以经过ECX寄存器传送,可以在“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

那一个反汇编彰显了间接调用MyClass的实例方法没有行使偏移。JIT编译器把措施描述的地点直接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表暴发,和平昔分派比较需要部分万分的指令。一个命令用来赢得接口虚表的地方,另一个得到格局槽表中的接口实现的初叶槽。而且,把一个目的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”使用一个命令把mc的目标引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

先天我们看看虚分派,并且和按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,和艺术表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在形式表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的实现。结果,对父对象的主意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的出口看到那点。

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静态变量

静态变量是措施表数据结构的根本组成部分。作为艺术表的一片段,它们分配在格局表的槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对此社团和引用的门类的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来针对。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,它引用了堆上创设的目的实例。一旦创造后,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指向句柄表的对象引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在章程表创立前开头生活,它和章程表组成起来,是连串表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品种),只不过因为运用频度的不同而被分手。通常使用的域放在方法表,而不通常使用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音信(如名字,域和摇头)在EEClass中,不过运行时索要的音信(如虚表槽和GC音讯)在点子表中。

对每一个门类会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和协会。每个EEClass是一个被实践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整合。在举办托管代码的过程中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被填补,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个程度的关联。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,请参考图13。

图13只显示了和这些议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,大家没有在图中正好展现偏移。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反复堆分配的不二法门描述块。在艺术表创造时,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音信。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展内存分页管理,因而削减了劳作集。

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图13 EEClass 布局

图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。大家现在探访使用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的程序。首先利用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:\Working\test\ClrInternals\Sample1.exe MyClass
MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在大家取得了EEClass的地址,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的出口看起来完全相同。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,可以通晓图13呈现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的艺术)。虽然Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口进行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,你会拿走总共10个章程。最终列出的是类的六个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

咱俩关于CLR一些最着重的内在的探索旅程终于截止了。显明,还有很多题材需要涉及,而且需要在更深的层次上钻探,但是我们目的在于这足以扶持您看看事物如何工作。这里提供的很多的新闻可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,可是即使本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该维持不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软前天的角色是帮扶客户基于.NET框架建立可扩张的零件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软支付襄助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩大(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的Charlotte,可以由此tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司的软件工程师,习惯使用C++和C#支付应用程序。闲暇时间她喜欢音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意协理MSDN翻译更多的篇章和另外开发者共享。可以因而ecaijw@msn.com联系他。

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