深刻探索,NET框架之中掌握CLR怎么样成立运行时对象

SOS能够理解CLR内部的数据结构,对象实例

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发表日期: 9/19/2005
原稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中窥见众多小说图都不全,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。
  • 目的布局和内存细节。
  • 艺术表布局。
  • 方法分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上成立应用程序的主角级基础架构,
多了然点关于CLR的深浅认识会襄助您构建连忙的, 工业级健壮的施用程序.
在这篇作品中, 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, 基于接口的摊派, 和各式各类的数量结构.

俺们会动用由C#写成的非凡简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为目的的.
探究的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
然则绝大多数的概念是不会变的. 大家会动用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数目结构.
SOS可以明白CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音信. 通篇,
我们会研究在Shared Source CLI(SSCLI)中所有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会帮忙你在物色一些构造的时候到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

在我们开始前,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,只是在少数交互操作的境况下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时依赖于这么些内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

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,会创设两个应用程序域。其中六个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由CLR启动进程创制,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 图2
所示,这么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是利用了单件(Singleton)形式。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。其它的域可以在托管代码中应用AppDomain.CreateDomain方法成立,或者在非托管的代码中利用ICORRuntimeHost接口创造。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数据成立四个域。

图 2 由CLR启动程序创设的域 ↓

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系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创造和开头化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍贵过程范围之中接纳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,它的拍卖方法显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选取此特性。即便如此,由于在有着的行使程序域中对一个一定的记号只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还担负爆发过程范围的接口ID,并用来创设每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保持跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的效率。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

享有不属于其他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。它会被活动加载到共享域中。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时接纳由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,方法是选取System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明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倚重关系的查找表,这个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他在托管代码中开创的采取程序域。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)

默认域是拔取程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其中运行。固然有些应用程序需要在运行时创立额外的施用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举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行期间只创立一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假设一个应用程序有五个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制新闻方可运用System.ContextBoundObject派生的类型创设。每个应用程序域有和好的平安描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨的加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功效是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的整套生命期内存在的构件。这多少个堆的增长基于可预测块,这样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的两个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平日访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在多次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次精通域后,大家准备看看它们在一个简易的应用程序的光景文中的大体细节,见
图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后采纳SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
询问SOS的加载信息)。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();
    }
}

俺们的控制台程序,山姆ple1.exe,被加载到一个名为”萨姆ple1.exe”的使用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是骨干系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个往往堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用相同的类加载器,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交付尺寸。高频堆的初阶化大小是32KB,每一次提交4KB。SOS的输出也从不出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域开端化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,开始时提交4KB。我们将会在延续部分商讨项目布局时探究IVMap的意思。

图2
彰显默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目标堆(用于大小相等依然超越85000字节的靶子),它申明了这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堆和大目标堆是用于托管对象实例化的排泄物回收堆。

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花色原理

体系原理

品类是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型能够使用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数体系由程序员显式创立,然则,在专门的互动操作(interop)意况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,那一个暴发的体系涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们经过一个富含对象引用的栈开端研商.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开首生命期的地点)。
图4中呈现的代码包含一个简约的顺序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创办一个SmallClass的项目实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大指标堆创设对象。即便那是一段无聊的代码,不过可以帮忙咱们举行座谈。

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 彰显了截至在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,而任何参数依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以定点大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分配的靶子的地点。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。不管如何,它涵盖了一个目的实例的地点,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。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

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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,图中呈现的轻重为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的处理和小目标不同。大目的在大目标堆(LOH)上分红,而小目标在形似GC堆上创造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会压缩,而GC堆在GC回收时举办削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个注明的档次有一个方法表,而同样类型的具备目的实例都针对同一个方法表。它蕴含了类其余性状音信(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。

办法表指向一个名为EEClass的最紧要数据结构。在点子表创立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的不二法门表指向它的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。加载器堆和利用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到个中,就直到应用程序域卸载时才会消失。而且,默认的施用程序域不会被卸载,所以这一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

正如大家说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的引用类型在 GC 堆或者 LOH 上创设。图 6
突显了一个优秀的靶子布局。一个对象可以经过以下途径被引述:基于栈的有的变量,在互动操作依然平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行模式时的
this 指针和方法参数),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上马地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起首计数的 syncblk
编号。因为经过索引举办连续,所以在急需增添表的深浅时, CLR
可以在内存中移动这多少个表。 SyncTableEntry 维护一个反向的弱引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以在并未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兼具实例使用的有用的音讯。这个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和利用程序域的目录。对于大多数的对象实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在实施线程际遇如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的言辞时会暴发变化,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 会动用 0 作为它的初叶的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创造一个 syncblk 入口并行使相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会增添为 try-finally 语句并应用 Monitor 类,一个当做同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会使用对象的哈希编码扩张 syncblk 。
在 SyncBlock 中有任何的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时使用,可是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。为了保全连续性,我会在证实实例变量后商量类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在类型句柄后。默认情状下,实例域会以内存最实惠运用的章程排列,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 包含有一对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,然后接纳 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口呈现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们从没用其他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,指向开首地方的 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。五个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
堆中分红的其实的字符串实例。字符串是一个特另外档次,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一致实例。那么些历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的采纳。大家前面曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以选取是否利用这些过程,尽管未来版本的 CLR
可能会提供那样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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于是默认状况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的境况下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以采用StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,即便在 .NET Framework 1.1
中,它从不影响托管的布局(可是 .NET Framework 2.0
可能会这样做)。在互相操作的图景下,假设你实在需要十分的填充字节和出示的控制域的次第,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)Offset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们使用 SOS 看看对象实例。一个实用的指令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专程类型的具有实例。无需倚重寄存器,
DumpHeap 可以呈现大家创设的唯一一个实例的地方。

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

目标的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只包含一个
DWORD 的靶子引用。 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,我们可以动用 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

正如此前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团采用 LayoutType.Sequential
);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以动用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空中,如下所示:

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

一旦您从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的高低( 36
字节),就足以获取 str 的大小,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

若是你将字符串实例的深浅(36字节)加上SimpleClass实例的轻重(36字节),就足以博得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不了解非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被那一个命令报告。

针对方法表的系列句柄在syncblk编号后分配。在目标实例成立前,CLR查看加载类型,倘诺没有找到,则举行加载,得到方法表地址,创制对象实例,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举办情势分派时利用项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史能够由此艺术表反向访问加载类型时行使项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩充程序用于本文化的显示CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一局部,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程以前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文本夹到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 窗口中举办 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一些限令,关于SOS更多音讯,参考这里

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方法表

方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。这是在对象的率先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是状态,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暴发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信息能够通过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的品种句柄指向方法表初步地点的偏移处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC音信。大家不打算在这里对其进展座谈。

图 9
显示了办法表的名列前茅布局。我们会评释项目句柄的局部着重的域,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)起先,因为它直接关系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目的的分寸,基于代码中声称的域。以前早已探究过,当前GC的贯彻需要一个起码12字节的目的实例。假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(可能包含syncblk编号)和系列句柄占用。再说三遍,对象的大大小小会遭到StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中显示的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的出口举办相比。在图9中,对象大小位于4字节的撼动处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!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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形式槽表(Method Slot Table)

方法槽表(Method Slot Table)

在章程表中富含了一个槽表,指向各类艺术的描述(MethodDesc),提供了序列的行为能力。方法槽表是依据方法实现的线性链表,依照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当前类,父类和接口的元数据中遍历,然后创制方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮盖的虚方法和被隐形的父类方法,创造新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必要的,它可以让每个接口有温馨的纤维的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)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并开首化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10呈现了MyClass的模式表的布局。布局彰显了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会进展座谈。图11来得了MyClass的主意表的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()

另外类型的发端4个措施总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,但是都指向相同的格局描述。代码突显定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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主意描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的措施实现的一个包装。有几体系型的艺术描述,除了用于托管实现,分别用于不同的交互操作实现的调用。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,开始化为指向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突显了一个天下无双的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的法子描述数据结构。对于实际的办法描述,这是-5字节的舞狮,是每个方法的8个叠加字节的一有的。这5个字节包含了调用预编译代理程序的一声令下。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的职务前面的5个字节。在第一次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12艺术描述

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图12的点子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

现今我们履行此措施,然后反汇编相同的地点:

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

在此地点,只有最先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的情势描述的数码。“!u”命令不领悟这一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的具备东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中方法实现的对立虚地址(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甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的点子描述的情节:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

艺术的那个标志域的编码包含了点子的品类,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让我们看方法表此外一个犬牙交错的上边:接口实现。它包裹了布局过程具有的纷繁,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,我们将讲明接口怎样进展布局和基于接口的法门分派的适当工作章程。

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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字节偏移处是一个根本的指针,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,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型首次加载时成立。每个接口的落实都在接口虚表中有一个笔录。假若MyInterface1被多少个类实现,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起来地方,如图9所示。这是接口方法分派爆发时行使的引用。接口虚表是遵照方法表内含的接口图信息创制,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据创建。一旦类型加载成功,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章程表中的接口信息记录。在这种状态下,对MyClass实现的七个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的始发4个字节指向MyInterface1的门类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0象征从父类派生,1代表由近年来类实现)。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,起首槽的值为4(从0起初编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,伊始槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来发出如此的效用:每个接口有协调的贯彻,但是物理映射到平等的格局描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

遵照接口的措施分派通过接口虚表举行,而直接的艺术分派通过保留在逐个槽的不二法门描述地址举行。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起先2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一个参数总是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

那么些反汇编展现了直白调用MyClass的实例方法没有运用偏移。JIT编译器把艺术描述的地点直接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表暴发,和直接分派比较需要一些卓殊的吩咐。一个指令用来收获接口虚表的地点,另一个拿到形式槽表中的接口实现的起头槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到目的的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的对象引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现在我们看看虚分派,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恒定的槽编号暴发,和办法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在点子表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的法子调用被分派到子对象的兑现。反汇编彰显了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这一点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的基本点组成部分。作为艺术表的一有些,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,而对于协会和引用的品类的静态值对象,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。一旦创建后,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在情势表成立前开端生活,它和办法表组成起来,是项目注明的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档次),只然而因为使用频度的不等而被分手。平常应用的域放在方法表,而不平常利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和摇头)在EEClass中,不过运行时需要的音讯(如虚表槽和GC音信)在艺术表中。

对每一个连串会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用那个网络在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结合。在执行托管代码的进程中,新的EEClass节点被参预,节点的涉及被填补,新的关联被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的关系。EEClass有多少个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13只体现了和这一个钻探有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们从未在图中得当展现偏移。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一再堆分配的法子描述块。在点子表创立时,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信息。EEClass在运用程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的展开内存分页管理,由此减弱了劳作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。咱们现在看望使用SOS输出的EEClass的确实的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的先后。首先利用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.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。现在咱们赢得了EEClass的地方,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的出口看起来完全一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以知道图13出示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的形式)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们得以在通过接口举办分摊时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor参预到列表中,你会赢得总共10个格局。最终列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

咱俩关于CLR一些最重大的内在的探究旅程终于截至了。分明,还有为数不少问题亟待涉及,而且需要在更深的层次上钻探,不过我们盼望这足以扶助您看看事物如何行事。这里提供的无数的音信可能会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,可是即使本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保障不变。

乘胜通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其展开深切驾驭会帮忙你建立可行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,基于接口的摊派和见仁见智的数据结构。

我们将使用C#编排的粗略代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处研究的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是根本概念应该保持不变。我们运用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩张Son of Strike
(SOS)来查看本文商讨的数据结构。SOS领悟CLR的中间数据结构并出口有用信息。请参见“Son
of Strike”补充材料,精通哪些将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,大家将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有相应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将匡助你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的社团。

在我们初叶前,请留意:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1行之有效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的状况下必须小心例外),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么些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创制多少个使用程序域。其中三个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只好由CLR启动进程创制,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如图2所示,这么些域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是应用了单件(Singleton)形式。第多少个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可进行映象文件的名字组成。此外的域能够在托管代码中利用AppDomain.CreateDomain方法创设,或者在非托管的代码中利用ICORRuntimeHost接口创设。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码创立两个域。

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2 由CLR启动程序成立的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创设和初步化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍贵过程范围里边使用的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,它的拍卖措施显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选取此特性。尽管如此,由于在富有的施用程序域中对一个一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。

系统域还肩负爆发过程范围的接口ID,并用来制造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保持跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的功效。

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共享域(Shared Domain)

拥有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是必备的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的着力项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被先行加载到本域中。用户代码也可以被加载到这些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时行使由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也足以加载代码到共享域中,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性注解Main方法。共享域还管理一个施用基地址作为目录的程序集映射图,此映射图作为管理共享程序集倚重关系的查找表,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其余在托管代码中开创的利用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

默认域是接纳程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。即使有些应用程序需要在运作时创建额外的接纳程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一的运行时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运作期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。倘使一个应用程序有四个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息可以动用System.ContextBoundObject派生的类别成立。每个应用程序域有谈得来的日喀则描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结的加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。

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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部件和优化在域的凡事生命期内存在的预制构件。这么些堆的加强基于可预测块,这样能够使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的两个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。日常访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在多次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次通晓域后,我们准备看看它们在一个简练的应用程序的光景文中的情理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的音讯。(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,Sample1.exe,被加载到一个名为“Sample1.exe”的使用程序域。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。

输出没有展现加载器堆的保留尺寸和已交由尺寸。高频堆的先导化大小是32KB,每一遍提交4KB。SOS的出口也从没显得接口虚表堆(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先导化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,起先时提交4KB。大家将会在连续部分探讨项目布局时探究IVMap的意义。

图2来得默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相等如故超越85000字节的目的),它表明了那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堆和大目标堆是用来托管对象实例化的污染源回收堆。

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品类原理

类型是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以动用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数档次由程序员显式创设,可是,在特其余相互操作(interop)情形和长距离对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这个发生的门类涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个涵盖对象引用的栈开头钻探.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例开首生命期的地点)。图4中显示的代码包含一个简易的主次,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创建一个SmallClass的花色实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目标堆创设对象。虽然这是一段无聊的代码,可是可以协助我们开展座谈。

图5突显了停止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注脚在可能的气象下将函数参数通过寄存器传递,而其余参数遵照从右到左的各种入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以固定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在形似GC堆中分配的目标的地方。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,它含有了一个对象实例的地点,我们将动用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

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图5 SimpleProgram的栈结构和堆

诚如GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为_largeObj的字节数组(注意,图中显得的尺寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的对象的处理和小目标不同。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的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目标方法表。每个声明的连串有一个方法表,而同等类别的有所目的实例都指向同一个方法表。它包含了品种的表征新闻(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的重中之重数据结构。在措施表创造前,CLR类加载器从元数据中创设EEClass。图4中,SmallClass的不二法门表指向它的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。加载器堆和使用程序域关联,那里提到的数据结构一旦被加载到中间,就直到应用程序域卸载时才会消退。而且,默认的采纳程序域不会被卸载,所以这一个代码的生存期是截止CLR关闭截至。

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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上创制。图6来得了一个出色的目标布局。一个目的足以由此以下途径被引用:基于栈的部分变量,在互相操作依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先导地方,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。因为经过索引举行连续,所以在需要扩展表的分寸时,CLR可以在内存中活动这多少个表。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对象的所有实例使用的管事的音信。那一个消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和应用程序域的目录。对于大多数的对象实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这点在推行线程遭遇如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言辞时会暴发变化,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作为它的起先的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关键字会扩充为try-finally语句并选用Monitor类,一个作为同步的Monitor对象在syncblk上创办。堆GetHashCode的调用会采纳对象的哈希编码扩充syncblk。

在SyncBlock中有其它的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时选拔,可是这和典型的对象用处无关。

项目句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了保障连续性,我会在认证实例变量后探究类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认意况下,实例域会以内存最实用利用的艺术排列,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包含有一对不同尺寸的实例变量。

图8显示了在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,然后拔取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。因为大家从未用其它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。保存在栈变量的目标实例,指向起初地点的4个字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3和b4被一个接一个的排列在共同。六个short类型变量s1和s2也被排列在协同。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分配的实在的字符串实例。字符串是一个专程的品种,因为具备包含同样文字标记的字符串,会在程序集加载到过程时指向一个大局字符串表的相同实例。这一个过程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的运用。我们事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以接纳是否采纳那么些过程,即使将来版本的CLR可能会提供这样的力量。

就此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情形下,词典顺序必须被保留到内存中,这时能够选用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,它从未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0或者会这么做)。在相互操作的情景下,假若你确实需要十分的填充字节和显示的控制域的顺序,LayoutKind.Explicit可以和域层次的菲尔德(Field)(Field)Offset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。一个有效的通令是DumpHeap,它能够列出所有的堆内容和一个专门类型的持有实例。无需看重寄存器,DumpHeap可以展现我们创造的绝无仅有一个实例的地方。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:\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的对象引用。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实例的地点后,大家可以动用DumpObj命令输出它的内容,如下所示:

!DumpObj 0x00a8197c
Name: SimpleClass
MethodTable 0x00955124
EEClass 0x02ca33b0
Size 36(0x24) bytes
FieldDesc*: 00955064
MT    Field   Offset                 Type       Attr    Value Name
00955124  400000a        4         System.Int64   instance      31 l1
00955124  400000b        c                CLASS   instance 00a819a0 str
<< some fields omitted from the display for brevity >>
00955124  4000003       1e          System.Byte   instance        3 b3
00955124  4000004       1f          System.Byte   instance        4 b4

正如在此以前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于社团接纳LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以动用ObjSize来输出包含被str实例占用的半空中,如下所示:

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

若果你从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重(36字节),就能够赢得str的高低,即36字节。让我们输出str实例来证实那一个结果:

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

倘诺你将字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可以得到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不明了非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这一个命令报告。

本着方法表的类型句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创造前,CLR查看加载类型,如若没有找到,则举行加载,拿到方法表地址,创设对象实例,然后把项目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使用项目句柄来定位方法表。CLR在急需史可以通过措施表反向访问加载类型时接纳项目句柄。

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方法表

各类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造前的类加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术表表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的炫耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的信息可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中能够通过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的项目句柄指向方法表开头地方的晃动处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在这里对其展开座谈。

图9显示了点子表的出众布局。我们会注解项目句柄的一部分第一的域,可是对于截然的列表,请参见此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)最先,因为它一向关乎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统计的目的的大小,基于代码中声称的域。在此之前早已啄磨过,当前GC的贯彻内需一个足足12字节的靶子实例。假诺一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和连串句柄占用。再说五次,对象的分寸会境遇StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有多个接口)的办法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办比较。在图9中,对象大小位于4字节的晃动处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

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

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办法槽表(Method Slot Table)

在模式表中涵盖了一个槽表,指向各样艺术的叙述(MethodDesc),提供了连串的行为能力。方法槽表是按照方法实现的线性链表,依照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当前类,父类和接口的元数据中遍历,然后成立方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮盖的虚方法和被隐形的父类方法,创造新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必要的,它可以让每个接口有自己的细微的vtable。然而被复制的槽指向同一的情理实现。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#编译器为持有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为大家定义并起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的不二法门表的布局。布局显示了10个措施,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边咱们会开展研讨。图11来得了MyClass的点子表的SOS的出口。

其它项目的起先4个章程总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都对准相同的格局描述。代码突显定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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方法描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)是CLR知道的措施实现的一个装进。有三种档次的不二法门描述,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发出,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展现了一个优异的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的点子描述数据结构。对于实际的点子描述,这是-5字节的偏移,是各样方法的8个附加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的通令。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面的5个字节。在首次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的义诊跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的措施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

现行大家履行此办法,然后反汇编相同的地点:

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

在此地方,只有最先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的点子描述的数目。“!u”命令不知底那或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的保有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让我们从列出的函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的措施描述的始末:

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

编译后,方法描述的情节如下:

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

方式的那一个标志域的编码包含了办法的品种,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让我们看方法表另外一个犬牙交错的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得这点看起来大概。然后,大家将表达接口怎样举行布局和按照接口的不二法门分派的适当工作措施。

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接口虚表图和接口图

在措施表的第12字节偏移处是一个重点的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个行使程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创建。每个接口的贯彻都在接口虚表中有一个记录。如若MyInterface1被多少个类实现,在接口虚表表中就有两个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的开首地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时使用的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图信息创建,接口图在措施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字节地方的接口图会指向内含在艺术表中的接口新闻记录。在这种情景下,对MyClass实现的五个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口新闻记录的上马4个字节指向MyInterface1的品类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0意味从父类派生,1表示由最近类实现)。在声明后的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,开端槽的值为4(从0先导编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起先槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来暴发这样的功力:每个接口有和好的实现,但是物理映射到同一的措施描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

按照接口的点子分派通过接口虚表举办,而一直的法门分派通过保留在挨家挨户槽的法门描述地址举行。如从前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,先河2个参数在可能的时候一般经过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,能够在“mov
ecx,esi”语句看到这点:

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

这多少个反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有使用偏移。JIT编译器把措施描述的地点直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表暴发,和直接分派相比需要一些极度的指令。一个指令用来赢得接口虚表的地方,另一个收获情势槽表中的接口实现的起来槽。而且,把一个对象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”使用一个指令把mc的目的引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

当今大家看看虚分派,并且和遵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恒定的槽编号爆发,和办法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在点子表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的情势调用被分派到子对象的兑现。反汇编突显了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那或多或少。

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静态变量

静态变量是格局表数据结构的重中之重组成部分。作为艺术表的一有些,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,而对此协会和引用的品类的静态值对象,通在句柄表中创造的对象引用来针对。方法表中的目的引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上成立的靶子实例。一旦成立后,句柄表内的对象引用会使堆上的目标实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在点子表创制前先导生活,它和章程表组成起来,是项目注脚的CLR版本。实际上,EEClass和艺术表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品种),只但是因为运用频度的两样而被分手。平时使用的域放在方法表,而不通常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音信(如名字,域和摇头)在EEClass中,不过运行时索要的消息(如虚表槽和GC音讯)在艺术表中。

对每一个档次会加载一个EEClass到利用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这一个网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的组成。在进行托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被补充,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有三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只体现了和那个议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,我们从未在图中正好呈现偏移。EEClass有一个直接的对于艺术表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的屡屡堆分配的办法描述块。在艺术表创设时,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音信。EEClass在接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,因而缩短了劳作集。

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图13 EEClass 布局

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。我们前些天看看使用SOS输出的EEClass的实在的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先利用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:\Working\test\ClrInternals\Sample1.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。现在大家收获了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的出口看起来完全一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以知道图13展现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的艺术)。即便Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口进行分摊时被认为是虚函数并插足到列表中。把.cctor和.ctor插足到列表中,你会拿到总共10个法子。最后列出的是类的两个静态域。MyClass没有实例域。其它域不言自明。

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Conclusion结论

俺们关于CLR一些最重大的内在的追究旅程终于终止了。分明,还有不少题目亟需涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,可是大家希望这能够援救你看来东西如何是好事。那里提供的浩大的音讯或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,不过即使本文提到的CLR数据结构可能改动,概念应该维持不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(Hughes顿)的一名架构师。他在微软前些天的角色是赞助客户基于.NET框架建立可扩张的机件框架。可以通过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发辅助高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩充(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛蒂(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。闲暇时光他欣赏音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意扶助MSDN翻译更多的稿子和任何开发者共享。可以透过ecaijw@msn.com联系她。