NET框架之中明白CLR怎么着创建运行时对象,深远探索

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发表日期: 9/19/2005
原文已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发觉众多小说图都不全,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。
  • 对象布局和内存细节。
  • 办法表布局。
  • 措施分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创办应用程序的主角级基础架构,
多理解点关于CLR的纵深认识会支援你构建高速的, 工业级健壮的应用程序.
在这篇小说中, 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, 基于接口的摊派, 和形形色色的数量结构.

俺们会动用由C#写成的万分简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为对象的.
讨论的一对数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
然而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)来窥探一些数额结构.
SOS可以领会CLR内部的数据结构, 能够dump出有用的音信. 通篇,
大家会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中所有相关兑现的类, 你能够从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会协助你在物色一些构造的时候到SSCLI中的消息.

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

在我们先河前,请小心:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1实惠(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数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依赖于这些内部结构的不变性。

lovebet爱博体育 1
CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

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,会创设两个应用程序域。其中多少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启动进程成立,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,那多少个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是采纳了单件(Singleton)格局。第六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,默认的域名由可举办映象文件的名字组成。其余的域可以在托管代码中行使AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中动用ICORRuntimeHost接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会按照应用程序的数量创设五个域。

图 2 由CLR启动程序创制的域 ↓

lovebet爱博体育 2

lovebet爱博体育 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创制和开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,并且珍视过程范围之中拔取的涵盖或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的处理格局显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选取此特性。即使如此,由于在所有的应用程序域中对一个特定的标志只保留一个对应的字符串,此特性可以节省内存空间。

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。系统域在经过中保持跟踪所有域,并落实加载和卸载应用程序域的效能。

lovebet爱博体育 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

有着不属于其它特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的中坚类型,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。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是选用System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个利用基地址作为目录的主次集映射图,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)和另外在托管代码中开创的使用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

lovebet爱博体育 5
默认域(Default Domain)

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其中运行。尽管有些应用程序需要在运作时创制额外的运用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者进行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。如若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消息方可拔取System.ContextBoundObject派生的花色创制。每个应用程序域有投机的保山描述符(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,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。

lovebet爱博体育 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效率是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的方方面面生命期内设有的预制构件。这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四个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。通常访问的部件如方法表,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)。

从高层次理解域后,大家准备看看它们在一个简易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调试器扩充命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
打听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,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”萨姆ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是要旨系统库,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。

输出没有显得加载器堆的保留尺寸和已交付尺寸。高频堆的初叶化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的出口也并未出示接口虚表堆(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叶化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,先导时交由4KB。大家将会在持续部分讨论项目布局时商讨IVMap的意思。

图2
显示默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于仍然抢先85000字节的对象),它声明了这多少个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器暴发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用于托管对象实例化的污染源回收堆。

lovebet爱博体育 7
连串原理

序列原理

类型是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式创设,不过,在特意的相互操作(interop)状况和长途对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这几个暴发的品类涵盖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开端探讨.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例先河生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个简约的主次,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创办一个SmallClass的品种实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆创制对象。即便这是一段无聊的代码,然而足以援助大家进行啄磨。

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 突显了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注解在可能的情形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以稳住大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分配的目标的地址。对于价值观C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它涵盖了一个对象实例的地址,大家将运用术语对象实例(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

lovebet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,图中显示的尺寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的目标的处理和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上创制,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会缩减,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。每个表明的品类有一个方法表,而同一系列的有着目的实例都针对同一个方法表。它涵盖了花色的表征新闻(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。

艺术表指向一个名为EEClass的第一数据结构。在章程表制造前,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。这个构造指向它们的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到里面,就直到应用程序域卸载时才会没有。而且,默认的施用程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是截止CLR关闭停止。

lovebet爱博体育 9
目的实例

对象实例

正如我们说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的引用类型在 GC 堆或者 LOH 上开创。图 6
突显了一个超人的目的布局。一个目标足以透过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在相互操作依然平台调用境况下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和格局参数),拥有终结器( finalizer )方法的对象的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目的实例的始发位置,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 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起先计数的 syncblk
编号。因为通过索引举行连续,所以在急需扩充表的轻重时, CLR
可以在内存中移动那么些表。 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
可以在未曾此外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的富有实例使用的有效的新闻。这几个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和运用程序域的目录。对于多数的对象实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在实施线程遭遇如
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
lovebet爱博体育 10

在以上代码中, smallObj 会接纳 0 作为它的原初的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 成立一个 syncblk 入口并使用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩大为 try-finally 语句并运用 Monitor 类,一个当作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会使用对象的哈希编码扩大 syncblk 。
lovebet爱博体育,在 SyncBlock 中有另外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时使用,可是这和超人的靶子用处无关。
序列句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在证实实例变量后研究类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认状况下,实例域会以内存最有效行使的主意排列,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 包含有一对两样尺寸的实例变量。

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 展现了在 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 地址在内存窗口体现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家从未用任何共同代码应用此实例(也从不访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目的实例,指向先导位置的 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块。六个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在联名。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。字符串是一个特此外项目,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。这么些历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的施用。我们事先曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集无法接纳是否采纳这多少个历程,即使未来版本的 CLR
可能会提供这么的能力。

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

故此默认情形下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的意况下,词典顺序必须被保留到内存中,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,虽然在 .NET Framework 1.1
中,它从不影响托管的布局(然而 .NET Framework 2.0
可能会这么做)。在相互操作的意况下,假诺你实在需要卓殊的填充字节和展现的控制域的次第,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 Field(Field)Offset 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,我们运用 SOS 看看对象实例。一个可行的指令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的具备实例。无需看重寄存器,
DumpHeap 能够呈现我们成立的唯一一个实例的地点。

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

目的的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只包含一个
DWORD 的对象引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,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

正如以前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团采纳 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家得以选取 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)

假使你从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大小( 36
字节),就能够收获 str 的轻重缓急,即 36 字节。让大家输出 str
实例来表达这么些结果:

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

万一你将字符串实例的轻重(36字节)加上SimpleClass实例的高低(36字节),就可以赢得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不知情非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被那多少个命令报告。

本着方法表的项目句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创设前,CLR查看加载类型,倘诺没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,创造对象实例,然后把品种句柄值追加到目的实例中。JIT编译器爆发的代码在展开艺术分派时行使项目句柄来定位方法表。CLR在急需史可以因而措施表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器增加程序用于本文化的显示CLR数据结构的情节,它是 .NET
Framework 安装程序的一部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此之前,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, 然后安装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中进行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一些下令,关于SOS更多音讯,参考这里

lovebet爱博体育 12
方法表

方法表

各序列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成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是意况,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映照到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的信息方可经过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以透过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的花色句柄指向方法表先导地点的撼动处,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开展探讨。

图 9
展现了章程表的优良布局。我们会申明项目句柄的一些重点的域,但是对于截然的列表,请参见此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)起初,因为它间接关系到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

lovebet爱博体育 13

lovebet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括的靶子的轻重,基于代码中宣称的域。以前曾经研究过,当前GC的实现需要一个最少12字节的靶子实例。假设一个类没有定义任何实例域,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)和体系句柄占用。再说两遍,对象的尺寸会惨遭StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有六个接口)的法门表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举办相比。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

lovebet爱博体育 15
主意槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在点子表中涵盖了一个槽表,指向各类艺术的描述(MethodDesc),提供了项目标行为能力。方法槽表是遵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,创立新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各类接口有和好的小不点儿的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)和对象构造函数(.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靶子自动生成。因为我们定义并开端化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10展现了MyClass的措施表的布局。布局展现了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边大家会展开座谈。图11来得了MyClass的法子表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
lovebet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()

任何类型的起来4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,然则都指向相同的措施描述。代码呈现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

lovebet爱博体育 17
主意描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的点子实现的一个包装。有三种档次的主意描述,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,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爆发,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彰显了一个典型的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的不二法门描述数据结构。对于实际的不二法门描述,这是-5字节的撼动,是各类方法的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指令。5字节的舞狮可以从SOS的DumpMT输出从观看,因为方法描述总是方法槽表指向的职位前边的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代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12措施描述

lovebet爱博体育 18

图12的形式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彰显。

Method2:

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

明日大家执行此格局,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,只有起首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的措施描述的多寡。“!u”命令不清楚这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的兼具东西。

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选用一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的模式描述的内容:

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

编译后,方法描述的始末如下:

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

措施的那一个标志域的编码包含了措施的门类,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让大家看方法表其余一个扑朔迷离的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的繁杂,让托管环境觉得这点看起来简单。然后,我们将表达接口怎么着举办布局和遵照接口的法子分派的适合工作情势。

lovebet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)

在艺术表的第12字节偏移处是一个着重的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个采取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。每个接口的实现都在接口虚表中有一个记录。假若MyInterface1被几个类实现,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伊始地方,如图9所示。这是接口方法分派暴发时选拔的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图音讯创制,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据创制。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措施表中的接口音信记录。在这种情形下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的最先4个字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0代表从父类派生,1代表由近日类实现)。在注解后的WORD是一个开端槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开首槽的值为4(从0开头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,初阶槽的值为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果:每个接口有投机的贯彻,但是物理映射到平等的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

按照接口的法子分派通过接口虚表举办,而直接的办法分派通过保留在逐个槽的点子描述地址举办。如此前提及,.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。实例方法的率先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,能够在“mov
ecx,esi”语句看到那一点:

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暴发,和一向分派相比需要有些外加的吩咐。一个下令用来收获接口虚表的地址,另一个赢得模式槽表中的接口实现的起首槽。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。

lovebet爱博体育 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

今昔我们看看虚分派,并且和依照接口的分摊举办相比较。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定位的槽编号爆发,和办法表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在章程表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的点子调用被分派到子对象的兑现。反汇编显示了分派通过8号槽暴发,能够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。

lovebet爱博体育 21
静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是形式表数据结构的重大组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在章程表的槽数组后。所有的原有静态类型是内联的,而对于协会和引用的花色的静态值对象,通在句柄表中创设的靶子引用来针对。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,它引用了堆上成立的目标实例。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。

lovebet爱博体育 22
EEClass

EEClass

EEClass在措施表创设前先导生活,它和艺术表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和方式表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只不过因为运用频度的两样而被分开。日常利用的域放在方法表,而不日常利用的域在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,不过运行时索要的信息(如虚表槽和GC信息)在章程表中。

对每一个品类会加载一个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三结合。在履行托管代码的进程中,新的EEClass节点被投入,节点的关系被填补,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个档次的涉嫌。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只显示了和这么些议论相关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,大家没有在图中适当展现偏移。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高频堆分配的措施描述块。在形式表创设时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在行使程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的开展内存分页管理,因而缩小了办事集。

图13 EEClass 布局

lovebet爱博体育 23

图13中的其余域在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的着实的物理内存。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拿到MyClass的EEClass的地方。

!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,可以知晓图13体现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的主意)。固然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出席到列表中,你会博得总共10个措施。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。

lovebet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停止了。分明,还有众多问题亟待涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,可是我们愿意这可以帮助您看看东西咋样行事。这里提供的好多的音讯或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,但是即便本文提到的CLR数据结构可能改动,概念应该保障不变。

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,对其开展深远明白会支援你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,基于接口的分担和见仁见智的数据结构。

咱俩将使用C#编辑的简单代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处探讨的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,然而关键概念应该维持不变。我们采取Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩张Son of Strike
(SOS)来查阅本文探讨的数据结构。SOS领悟CLR的其中数据结构并出口有用信息。请参考“Son
of Strike”补充资料,精晓怎么样将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的过程空间。本文中,我们将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有对应实现的类,你能够从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将帮扶您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

在我们最先前,请小心:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1行之有效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的意况下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,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)成立的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会成立六个应用程序域。其中五个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由CLR启动进程创立,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)形式。第四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运用AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中行使ICORRuntimeHost接口创立。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目成立多少个域。

lovebet爱博体育 25

2 由CLR启动程序成立的域

lovebet爱博体育 26回去页首

系统域(System Domain)

系统域负责创制和着手化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且爱戴过程范围里边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,它的拍卖方法显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选取此特性。尽管如此,由于在具备的行使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。

系统域还担当暴发过程范围的接口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,并落实加载和卸载应用程序域的效率。

lovebet爱博体育 27重返页首

共享域(Shared Domain)

具有不属于其它特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是必不可少的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的着力类型,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么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采纳由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,方法是采纳System.LoaderOptimizationAttribute特性注明Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的主次集映射图,此映射图作为管理共享程序集看重关系的查找表,那么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和任何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。

lovebet爱博体育 28回去页首

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。即便有些应用程序需要在运作时创设额外的使用程序域(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设一个域。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音信方可采纳System.ContextBoundObject派生的系列成立。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,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

lovebet爱博体育 29重返页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效益是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的万事生命期内存在的部件。那些堆的增高基于可预测块,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六个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平常访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番五回堆上,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)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次精晓域后,大家准备看看它们在一个概括的应用程序的左右文中的物理细节,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来输出域的音信。(请查看Son
of
Strike
打听SOS的加载音讯)。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

我们的控制台程序,萨姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为“萨姆(Sam)ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是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。

出口没有彰显加载器堆的保存尺寸和已交付尺寸。高频堆的起始化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的输出也并未显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域初叶化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,先河时交由4KB。我们将会在连续部分钻探项目布局时研商IVMap的含义。

图2来得默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相当于依然超越85000字节的对象),它注明了这一个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器爆发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用于托管对象实例化的垃圾回收堆。

lovebet爱博体育 30回来页首

系列原理

品类是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以利用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类型由程序员显式创立,可是,在专门的交互操作(interop)处境和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,这一个爆发的花色涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们透过一个蕴含对象引用的栈初始探讨.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例起先生命期的地点)。图4中展现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成立一个SmallClass的品类实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目的堆成立对象。即使这是一段无聊的代码,但是足以扶助我们进行商讨。

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,它表达在可能的情况下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数按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以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分红的目的的地址。对于传统C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它含有了一个目标实例的地址,大家将采纳术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

lovebet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,图中显得的轻重为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对抢先或等于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堆上创造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会回落,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个讲明的类型有一个方法表,而同一类型的有着目的实例都对准同一个方法表。它富含了档次的特性信息(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。

艺术表指向一个名为EEClass的紧要数据结构。在点子表创设前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4中,SmallClass的模式表指向它的EEClass。这一个协会指向它们的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,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,默认的采纳程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是结束CLR关闭停止。

lovebet爱博体育 32回去页首

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上创制。图6来得了一个压倒一切的靶子布局。一个目的足以因而以下途径被引用:基于栈的部分变量,在相互操作仍旧平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行情势时的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不是指向目的实例的开头地方,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方始计数的syncblk编号。因为经过索引进行连续,所以在需要扩大表的分寸时,CLR可以在内存中活动那一个表。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可以在尚未其它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标的保有实例使用的得力的音信。这一个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和接纳程序域的目录。对于多数的目的实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这点在实践线程碰到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言辞时会爆发变化,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作为它的开首的syncblk编号。lock语句使得CLR创立一个syncblk入口并应用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会增加为try-finally语句并行使Monitor类,一个用作同步的Monitor对象在syncblk上创设。堆GetHashCode的调用会利用对象的哈希编码增添syncblk。

在SyncBlock中有其余的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时利用,不过这和超绝的对象用处无关。

品种句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了维持连续性,我会在认证实例变量后研讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情状下,实例域会以内存最实用利用的办法排列,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包含有一些不比尺寸的实例变量。

图8展现了在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。因为大家并未用其它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。保存在栈变量的目的实例,指向起初地方的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起。多少个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堆中分配的实际上的字符串实例。字符串是一个特地的门类,因为有着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相同实例。这么些进程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的利用。我们事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以采取是否使用那么些进程,即使将来版本的CLR可能会提供这么的力量。

为此默认情状下,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,这时能够使用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,虽然在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0或者会这么做)。在交互操作的景观下,假诺您确实需要非凡的填充字节和显示的控制域的各种,LayoutKind.Explicit可以和域层次的菲尔德(Field)Offset特性一起行使。

看完底层的内存内容后,大家运用SOS看看对象实例。一个实用的一声令下是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的具备实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以显示大家创造的绝无仅有一个实例的地点。

!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

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

正如此前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会拔取LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以应用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)

假诺你从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的大大小小(36字节),就可以取得str的分寸,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大小(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就可以拿走ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不了然非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被那多少个命令报告。

本着方法表的体系句柄在syncblk编号后分配。在目标实例成立前,CLR查看加载类型,假诺没有找到,则举办加载,得到方法表地址,创制对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器发生的代码在拓展模式分派时选取项目句柄来稳定方法表。CLR在需要史可以因而艺术表反向访问加载类型时利用项目句柄。

lovebet爱博体育 33回到页首

方法表

各类别和实例在加载到使用程序域时,会在内存中经过措施表来表示。这是在对象的率先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是气象,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器发生的映射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的消息能够通过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以透过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的连串句柄指向方法表起初地点的撼动处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算在此间对其进展钻探。

图9展现了措施表的优异布局。大家会评释项目句柄的部分重点的域,然则对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)先导,因为它从来关乎到运行时的内存状态。

lovebet爱博体育 34再次来到页首

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的目标的尺寸,基于代码中讲明的域。从前早已研讨过,当前GC的贯彻需要一个足足12字节的目标实例。要是一个类没有定义任何实例域,它至少含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和项目句柄占用。再说五次,对象的轻重会遭到StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中呈现的MyClass(有两个接口)的方法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行比较。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命令的输出:

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

lovebet爱博体育 35归来页首

方法槽表(Method Slot Table)

在形式表中含有了一个槽表,指向各样艺术的描述(MethodDesc),提供了类别的行为能力。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。

类加载器在时下类,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,它替换所有的被遮盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创建新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必要的,它可以让各种接口有友好的细小的vtable。然则被复制的槽指向同一的大体实现。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#编译器为拥有没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为大家定义并初步化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10呈现了MyClass的章程表的布局。布局突显了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会举办商量。图11来得了MyClass的方法表的SOS的出口。

其他类型的初始4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。那几个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都指向相同的章程描述。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。

lovebet爱博体育 36归来页首

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的点子实现的一个封装。有几类别型的主意描述,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,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发生,初步化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12显示了一个第一名的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的艺术描述数据结构。对于实际的不二法门描述,那是-5字节的偏移,是每个方法的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字节的舞狮可以从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代码的义诊跳转指令覆盖。

lovebet爱博体育 37

图12 方法描述

对图12的法子表槽指向的代码举行反汇编,呈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突显。

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

现在我们履行此办法,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,唯有初始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的不二法门描述的数目。“!u”命令不了解这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的有着东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现的周旋虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让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编译前后的点子描述的始末:

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

编译后,方法描述的始末如下:

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

措施的这么些标志域的编码包含了主意的体系,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上边:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得这一点看起来简单。然后,我们将评释接口咋样开展布局和依照接口的艺术分派的适合工作章程。

lovebet爱博体育 38回到页首

接口虚表图和接口图

在措施表的第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制。每个接口的落实都在接口虚表中有一个笔录。假若MyInterface1被六个类实现,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首地方,如图9所示。那是接口方法分派暴发时利用的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图信息创造,接口图在措施表布局过程中基于类的元数据创制。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形式表中的接口音信记录。在这种情状下,对MyClass实现的多少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的档次句柄(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表示由近年来类实现)。在阐明后的WORD是一个始发槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起初槽的值为4(从0开首编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,初阶槽的值为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生这么的职能:每个接口有协调的兑现,然则物理映射到同一的章程描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

遵照接口的点子分派通过接口虚表举行,而一向的主意分派通过保留在一一槽的法门描述地址举办。如往日提及,.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

这一个反汇编展现了第一手调用MyClass的实例方法没有拔取偏移。JIT编译器把办法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,和一贯分派相相比需要有的非凡的吩咐。一个下令用来收获接口虚表的地址,另一个拿走情势槽表中的接口实现的发端槽。而且,把一个目的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的靶子引用拷贝到mi1。

lovebet爱博体育 39回来页首

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。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稳定的槽编号暴发,和模式表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在艺术表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的措施调用被分摊到子对象的落实。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的输出看到这或多或少。

lovebet爱博体育 40归来页首

静态变量

静态变量是情势表数据结构的要害组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在章程表的槽数组后。所有的本来面目静态类型是内联的,而对此组织和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创建的对象引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上创立的靶子实例。一旦创制后,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。

lovebet爱博体育 41回到页首

EEClass

EEClass在形式表创立前最先生活,它和办法表组成起来,是连串讲明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个序列),只可是因为运用频度的例外而被分别。平日利用的域放在方法表,而不平时采用的域在EEClass中。那样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和偏移)在EEClass中,可是运行时需要的音讯(如虚表槽和GC音讯)在点子表中。

对每一个连串会加载一个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整合。在实施托管代码的经过中,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有五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只展现了和这个啄磨有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,我们从来不在图中合适展现偏移。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高频堆分配的方法描述块。在措施表成立时,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消息。EEClass在动用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,由此裁减了办事集。

lovebet爱博体育 42

图13 EEClass 布局

图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。大家先天探访使用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。首先应用命令Name2EE得到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。现在大家取得了EEClass的地方,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224
MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui 

图13和DumpClass的输出看起来完全相同。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,可以领悟图13显示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(能够被虚分派的方法)。尽管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投入到列表中。把.cctor和.ctor出席到列表中,你会取得总共10个方法。最终列出的是类的四个静态域。MyClass没有实例域。其余域不言自明。

lovebet爱博体育 43回来页首

Conclusion结论

我们关于CLR一些最要紧的内在的探究旅程终于停止了。显著,还有不少题目亟需涉及,而且亟需在更深的层系上研究,可是大家希望这足以匡助您看到东西肿么办事。这里提供的众多的音讯或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,不过即便本文提到的CLR数据结构可能改变,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。他在微软前几日的角色是帮忙客户基于.NET框架建立可扩展的零部件框架。可以因而hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开支襄助高级工程师,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Charlotte,可以经过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#付出应用程序。闲暇时间他欣赏音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意帮助MSDN翻译更多的篇章和其他开发者共享。可以经过ecaijw@msn.com联系她。

相关文章