NET框架之中明白CLR咋样创建运行时对象,深切探究

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文宣布日期: 9/19/2005
原文已经被 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。
  • 对象布局和内存细节。
  • 模式表布局。
  • 方法分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创制应用程序的主角级基础架构,
多精晓点关于CLR的吃水认识会援助你构建高效的, 工业级健壮的行使程序.
在这篇作品中, 我们会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的分摊, 和五光十色的数据结构.

我们会采纳由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#语言为对象的.
研讨的一部分数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
可是大多数的定义是不会变的. 我们会使用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数码结构.
SOS可以了然CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的信息. 通篇,
大家会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中有着相关落实的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会帮助你在搜寻一些结构的时候到SSCLI中的音信.

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

在大家起首前,请留意:本文提供的消息只对在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情景下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时依赖于那几个内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)成立的域

CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

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,这个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是运用了单件(Singleton)格局。第两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,默认的域名由可举行映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中动用AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中接纳ICORRuntimeHost接口创制。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数目成立四个域。

图 2 由CLR启动程序创设的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责成立和开端化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且爱戴过程范围之中采纳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。即便如此,由于在具有的利用程序域中对一个一定的标记只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还承担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。系统域在过程中维系跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的职能。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

装有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于持有应用程序域的用户代码都是不可或缺的。它会被机关加载到共享域中。系统命名空间的骨干项目,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多少个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时拔取由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是使用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个利用基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,那么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 5
默认域(Default Domain)

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成立额外的运用程序域(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。假使一个应用程序有五个利用程序域,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方可运用System.ContextBoundObject派生的花色创造。每个应用程序域有和好的黑河描述符(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。

图片 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效用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预制构件。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多个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平时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)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了然域后,大家准备看看它们在一个简约的应用程序的上下文中的情理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩大命令DumpDomain来输出域的消息。(请查看
Son of
Strike
打听SOS的加载音讯)。这里是编写后的出口:

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();
    }
}

大家的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为”山姆(Sam)ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过因为它是着力系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个再三堆,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。高频堆的开端化大小是32KB,每趟提交4KB。SOS的出口也从未映现接口虚表堆(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步化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,开头时交由4KB。大家将会在持续部分研商项目布局时商量IVMap的意义。

图2
显示默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相等依然超越85000字节的目的),它表达了这一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堆和大目的堆是用以托管对象实例化的污物回收堆。

图片 7
品种原理

花色原理

序列是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以拔取class,struct和interface关键字展开宣示。大多数门类由程序员显式创设,然而,在特意的相互操作(interop)情状和长途对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这么些暴发的序列涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩因此一个饱含对象引用的栈先导研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例起头生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个概括的程序,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的门类实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目标堆创立对象。尽管那是一段无聊的代码,不过能够帮忙大家开展座谈。

图4 Large Objects and Small Objects

using System;

class SmallClass
{
    private byte[] _largeObj;
    public SmallClass(int size)
    {
        _largeObj = new byte[size];
        _largeObj[0] = 0xAA;
        _largeObj[1] = 0xBB;
        _largeObj[2] = 0xCC;
    }

    public byte[] LargeObj
    {
        get { return this._largeObj; }
    }
}

class SimpleProgram
{
    static void Main(string[] args)
    {
        SmallClass smallObj = SimpleProgram.Create(84930,10,15,20,25);
        return;
    }

    static SmallClass Create(int size1, int size2, int size3,
        int size4, int size5)
    {
        int objSize = size1 + size2 + size3 + size4 + size5;
        SmallClass smallObj = new SmallClass(objSize);
        return smallObj;
    }
}

图5 显示了停止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注明在可能的状态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顺序入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的对象的地址。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么样,它富含了一个对象实例的地址,我们将应用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

图片 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,图中显得的大小为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对领先或等于85000字节的靶子的处理和小目标不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在一般GC堆上创立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会优惠扣,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的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个注明的品种有一个方法表,而相同档次的享有目的实例都对准同一个方法表。它蕴含了档次的特点音讯(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。

形式表指向一个名为EEClass的显要数据结构。在格局表创造前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的措施表指向它的EEClass。那一个构造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。加载器堆和运用程序域关联,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流失。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以那么些代码的生存期是结束CLR关闭截止。

图片 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
显示了一个独立的对象布局。一个对象足以由此以下途径被引述:基于栈的片段变量,在交互操作如故平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行办法时的
this 指针和艺术参数),拥有终结器( finalizer )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目的实例的开端地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起初计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连续,所以在需要扩充表的高低时, 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
可以在尚未此外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的有着实例使用的卓有成效的音信。这一个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和运用程序域的目录。对于多数的目标实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这一点在履行线程境遇如
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
图片 10

在上述代码中, smallObj 会利用 0 作为它的苗头的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创造一个 syncblk 入口并采取相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩大为 try-finally 语句并运用 Monitor 类,一个看作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创立。堆 GetHashCode
的调用会采用对象的哈希编码扩充 syncblk 。
在 SyncBlock 中有此外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采纳,不过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。为了保持连续性,我会在认证实例变量后研究类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在品种句柄后。默认状况下,实例域会以内存最得力应用的法门排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。
7
的代码突显了 SimpleClass 包含有一部分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 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,然后使用 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。因为我们从不用其余共同代码应用此实例(也并未访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目的实例,指向开始地方的 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同步。多少个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一块。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的骨子里的字符串实例。字符串是一个特意的项目,因为兼具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同样实例。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取。大家前面已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以采用是否使用这多少个历程,就算将来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

因而默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的情况下,词典顺序必须被封存到内存中,那时可以应用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(然则 .NET Framework 2.0
可能会这样做)。在互相操作的气象下,假使你真正需要极度的填充字节和出示的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)(Field)Offset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,大家采纳 SOS 看看对象实例。一个立竿见影的一声令下是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的有所实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以突显咱们创设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: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 的目标引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其余 8
个字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地址后,我们得以采取 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

正如往日说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于协会采纳 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以运用 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)

若果你从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的尺寸( 36
字节),就可以拿到 str 的深浅,即 36 字节。让我们输出 str
实例来注解这多少个结果:

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

即使您将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的分寸(36字节),就能够取得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;由此它们不会被这多少个命令报告。

针对方法表的品类句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创立前,CLR查看加载类型,即使没有找到,则开展加载,拿到方法表地址,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展开格局分派时采纳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。

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 安装程序的一部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此以前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文书夹到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
获取调试相关的有的下令,关于SOS更多音信,参考这里

图片 12
方法表

方法表

每个类和实例在加载到使用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目的的第一个实例制造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)。方法表包含的音讯和外挂的信息可以通过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的类型句柄指向方法表开端地点的偏移处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC音信。我们不打算在此处对其进展座谈。

图 9
彰显了艺术表的非凡布局。我们会表明项目句柄的局部紧要的域,不过对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)先河,因为它从来关联到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

图片 13

图片 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的靶子的轻重缓急,基于代码中宣称的域。此前已经探讨过,当前GC的实现需要一个至少12字节的目的实例。假诺一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。此外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和项目句柄占用。再说四回,对象的高低会碰着StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显示的MyClass(有两个接口)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命令的出口:

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

图片 15
主意槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在章程表中蕴藏了一个槽表,指向各样艺术的叙述(MethodDesc),提供了项目的行为能力。方法槽表是按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,它替换所有的被遮住的虚方法和被埋伏的父类方法,成立新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各样接口有谈得来的细微的vtable。可是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#编译器为拥有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并先河化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10展现了MyClass的主意表的布局。布局展现了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,上面我们会展开座谈。图11来得了MyClass的艺术表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
图片 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()

其他类型的起头4个措施总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。那么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举行了复制,不过都对准相同的主意描述。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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主意描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的方法实现的一个包装。有两种档次的法子描述,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,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发生,伊始化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12展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字节的撼动,是每个方法的8个叠加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的一声令下。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的地方后边的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代码的无偿跳转指令覆盖。

图 12艺术描述

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图12的艺术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

现今大家实践此方法,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,唯有先河5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的主意描述的数码。“!u”命令不明了那一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的拥有东西。

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编译前后的措施描述的情节:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

艺术的这些标志域的编码包含了点子的品类,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让我们看方法表其它一个繁杂的上边: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,我们将阐明接口如何进展布局和遵照接口的情势分派的适当工作方法。

图片 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)

在点子表的第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在接口类型第一次加载时创造。每个接口的实现都在接口虚表中有一个笔录。倘若MyInterface1被两个类实现,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开头地点,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音讯创造,接口图在措施表布局过程中基于类的元数据创造。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艺术表中的接口消息记录。在这种状态下,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上马4个字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个阐明占用(0意味着从父类派生,1意味由近期类实现)。在评释后的WORD是一个从头槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,初步槽的值为4(从0开端编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,开端槽的值为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样的功用:每个接口有谈得来的贯彻,然则物理映射到均等的点子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

基于接口的形式分派通过接口虚表举行,而一直的方法分派通过保留在逐一槽的法子描述地址举办。如往日提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起初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

这多少个反汇编突显了直白调用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发生,和直接分派相比较需要有的额外的通令。一个指令用来赢得接口虚表的地方,另一个取得格局槽表中的接口实现的始发槽。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”使用一个命令把mc的目标引用拷贝到mi1。

图片 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

后天我们看看虚分派,并且和遵照接口的分担举办相比较。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原则性的槽编号爆发,和措施表指针在一定的类(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兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的办法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的输出看到这或多或少。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的要紧组成部分。作为艺术表的一局部,它们分配在艺术表的槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对此协会和引用的项目标静态值对象,通在句柄表中创设的对象引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,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对象实例保持生存,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。

图片 22
EEClass

EEClass

EEClass在格局表创立前最先生活,它和形式表组成起来,是连串阐明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个序列),只但是因为使用频度的不等而被分别。日常采用的域放在方法表,而不平日使用的域在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,不过运行时需要的消息(如虚表槽和GC消息)在艺术表中。

对每一个档次会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个被实践引擎跟踪的树的节点。CLR使用那多少个网络在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重组。在实施托管代码的长河中,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还有一个水准的关联。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,请参见图13

图13只彰显了和这些议论相关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,我们一直不在图中突出展现偏移。EEClass有一个直接的对于艺术表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的往往堆分配的措施描述块。在措施表成立时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局消息。EEClass在采取程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的举行内存分页管理,因而削减了工作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们现在看看使用SOS输出的EEClass的的确的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先应用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首个参数时模块名,能够从DumpDomain命令得到。现在大家赢得了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,可以领会图13显得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的点子)。尽管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出席到列表中。把.cctor和.ctor出席到列表中,你会得到总共10个措施。最终列出的是类的多个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

我们关于CLR一些最要害的内在的追究旅程终于终止了。显著,还有为数不少问题需要涉及,而且需要在更深的层系上谈论,可是咱们盼望这足以帮助你看来事物怎么样行事。这里提供的重重的音讯可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,然而虽然本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该保持不变。

乘势通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其进展深远了解会赞助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。

咱俩将使用C#编辑的简约代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处商量的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是最重要概念应该保持不变。我们运用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩充Son of Strike
(SOS)来查看本文探讨的数据结构。SOS领会CLR的中间数据结构并出口有用消息。请参见“Son
of Strike”补充材料,精晓哪些将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的进程空间。本文中,大家将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有照应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将扶持你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的构造。

在我们初阶前,请小心:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1可行(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的情事下必须小心例外),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多少个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创设几个应用程序域。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。它们只好由CLR启动进程创设,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)情势。第多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动用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中采纳ICORRuntimeHost接口创设。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额创立多少个域。

图片 25

2 由CLR启动程序创造的域

图片 26归来页首

系统域(System Domain)

系统域负责创立和起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,并且敬重过程范围之中采纳的盈盈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,它的处理形式显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。即便如此,由于在拥有的利用程序域中对一个特定的标志只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还负责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应。

图片 27再次来到页首

共享域(Shared Domain)

不无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那些域中,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,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性表明Main方法。共享域还管理一个运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,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的施用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 28回来页首

默认域(Default Domain)

默认域是采纳程序域(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转时创建额外的利用程序域(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转期间只创制一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假若一个应用程序有六个使用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制新闻方可应用System.ContextBoundObject派生的品类成立。每个应用程序域有谈得来的安全描述符(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。

图片 29归来页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的遵从是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的整整生命期内存在的构件。这么些堆的加强基于可预测块,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。通常访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在频繁堆上,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)。

从高层次通晓域后,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情理细节,见图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩大命令DumpDomain来输出域的新闻。(请查看Son
of
Strike
摸底SOS的加载新闻)。这里是编辑后的输出:

!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

俺们的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为“山姆ple1.exe”的施用程序域。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。每个域会分配一个屡屡堆,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。

输出没有显示加载器堆的保留尺寸和已交由尺寸。高频堆的最先化大小是32KB,每一回提交4KB。SOS的出口也没有显得接口虚表堆(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起头化阶段制造。IVMap保留大小是4KB,起始时交由4KB。大家将会在延续部分研商项目布局时商量IVMap的意义。

图2体现默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相当于仍旧领先85000字节的靶子),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)编译器爆发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用以托管对象实例化的杂质回收堆。

图片 30回到页首

项目原理

品种是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以采取class,struct和interface关键字展开宣示。大多数门类由程序员显式创设,不过,在专门的竞相操作(interop)情形和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这么些暴发的花色涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们通过一个蕴含对象引用的栈起头探究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例起首生命期的地点)。图4中显示的代码包含一个大概的次第,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创制一个SmallClass的类型实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目的堆创立对象。虽然这是一段无聊的代码,可是可以协理我们举行钻探。

图5映现了截止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它评释在可能的情况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以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目的的地址。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,它包含了一个对象实例的地址,我们将应用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

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图5 SimpleProgram的栈结构和堆

相似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为_largeObj的字节数组(注意,图中显得的大大小小为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超越或等于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,而小目的在一般GC堆上创制,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会优惠扣,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。每个讲明的品种有一个方法表,而同等品种的装有目标实例都指向同一个方法表。它涵盖了档次的特性音信(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。

方法表指向一个名为EEClass的重要数据结构。在章程表成立前,CLR类加载器从元数据中创制EEClass。图4中,SmallClass的情势表指向它的EEClass。这个构造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。加载器堆和动用程序域关联,这里提到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熄灭。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关闭停止。

图片 32回到页首

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体现了一个头名的对象布局。一个目的足以经过以下途径被引述:基于栈的一对变量,在交互操作仍旧平台调用情状下的句柄表,寄存器(执行措施时的this指针和艺术参数),拥有终结器(finalizer)方法的靶子的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的发端地点,而是有一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目录(从1开始计数的syncblk编号。因为经过索引举办连续,所以在需要扩展表的轻重缓急时,CLR可以在内存中活动这么些表。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可以在平昔不任何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具有实例使用的实用的音信。这些音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和行使程序域的目录。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。这一点在履行线程境遇如lock(obj)或者obj.GetHashCode的讲话时会发生变化,如下所示:

SmallClass obj = new SmallClass()
// Do some work here
lock(obj) { /* Do some synchronized work here */ }
obj.GetHashCode();

在以上代码中,smallObj会使用0作为它的先河的syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并使用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩张为try-finally语句并运用Monitor类,一个作为同步的Monitor对象在syncblk上制造。堆GetHashCode的调用会采取对象的哈希编码扩大syncblk。

在SyncBlock中有其他的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时采纳,但是这和优秀的靶子用处无关。

系列句柄紧跟在目的实例中的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。默认情况下,实例域会以内存最有效行使的主意排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。图7的代码展现了SimpleClass包含有一部分见仁见智大小的实例变量。

图8体现了在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,然后采纳ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口体现对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为大家没有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。保存在栈变量的对象实例,指向先河地点的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堆中分配的实际上的字符串实例。字符串是一个专门的项目,因为拥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如出一辙实例。这么些历程称为字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的应用。我们事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可能拔取是否利用这么些过程,即使以后版本的CLR可能会提供这样的能力。

据此默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的状态下,词典顺序必须被保留到内存中,这时可以拔取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(可是.NET Framework
2.0也许会如此做)。在相互操作的情形下,如若您真正需要非凡的填充字节和体现的控制域的依次,LayoutKind.Explicit可以和域层次的菲尔德(Field)Offset特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们采纳SOS看看对象实例。一个灵光的下令是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特意类型的持有实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以显得我们创制的唯一一个实例的地址。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:\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,我们可以运用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

正如从前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于社团拔取LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以运用ObjSize来输出包含被str实例占用的上空,如下所示:

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

假设您从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的深浅(36字节),就足以博得str的轻重,即36字节。让我们输出str实例来注明那个结果:

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

即使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。

请留心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不领悟非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这些命令报告。

本着方法表的体系句柄在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,则举行加载,拿到方法表地址,创制对象实例,然后把品种句柄值追加到目的实例中。JIT编译器发生的代码在举行艺术分派时使用项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史可以通过措施表反向访问加载类型时选取项目句柄。

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方法表

各体系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音信可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以由此Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的连串句柄指向方法表开首地点的晃动处,偏移量默认境况下是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展现了主意表的第一名布局。大家会注解项目句柄的一对至关首要的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起始,因为它一向关联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标的大大小小,基于代码中宣称的域。此前早已研究过,当前GC的实现内需一个最少12字节的目的实例。假若一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。此外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和项目句柄占用。再说一回,对象的深浅会碰到StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有六个接口)的不二法门表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出进行相比。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)

在措施表中带有了一个槽表,指向各类艺术的讲述(MethodDesc),提供了类其余行为能力。方法槽表是按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。

类加载器在脚下类,父类和接口的元数据中遍历,然后创造方法表。在排列过程中,它替换所有的被覆盖的虚方法和被隐形的父类方法,创制新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必要的,它可以让每个接口有协调的纤维的vtable。但是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#编译器为有着没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为大家定义并起先化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10呈现了MyClass的点子表的布局。布局呈现了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,上面我们会展开座谈。图11体现了MyClass的艺术表的SOS的输出。

此外项目标起首4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,不过都针对相同的主意描述。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。

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艺术描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的法子实现的一个打包。有两种档次的办法描述,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,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发生,开头化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12展示了一个典型的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的章程描述数据结构。对于实际的措施描述,那是-5字节的舞狮,是各样方法的8个附加字节的一局部。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后面的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代码的权利跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的不二法门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呈现。

!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

现在大家实施此措施,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

在此地点,唯有起头5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的章程描述的数据。“!u”命令不知晓这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的享有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中方法实现的相对虚地址(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采用一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法子描述的情节:

!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

艺术的这些标志域的编码包含了主意的品类,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让大家看方法表其余一个扑朔迷离的上边:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境觉得这或多或少看起来简单。然后,我们将申明接口如何开展布局和基于接口的主意分派的适度工作情势。

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接口虚表图和接口图

在艺术表的第12字节偏移处是一个重要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个拔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建。每个接口的兑现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。这是接口方法分派发生时接纳的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图消息创设,接口图在格局表布局过程中基于类的元数据成立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在点子表中的接口新闻记录。在那种气象下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的起头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象征从父类派生,1象征由近来类实现)。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,起始槽的值为4(从0先导编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,先导槽的值为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这样的效率:每个接口有温馨的贯彻,但是物理映射到平等的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

按照接口的形式分派通过接口虚表举办,而一贯的方法分派通过保留在相继槽的法子描述地址举办。如以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,伊始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,所以通过ECX寄存器传送,可以在“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

这多少个反汇编展现了直白调用MyClass的实例方法没有使用偏移。JIT编译器把艺术描述的地方直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表暴发,和一贯分派相相比较需要有的额外的命令。一个发令用来拿到接口虚表的地址,另一个拿到形式槽表中的接口实现的启幕槽。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”使用一个指令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

近日大家看看虚分派,并且和依照接口的摊派举办比较。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永恒的槽编号发生,和章程表指针在一定的类(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落实。结果,对父对象的不二法门调用被分摊到子对象的实现。反汇编显示了分派通过8号槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这点。

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静态变量

静态变量是情势表数据结构的重点组成部分。作为艺术表的一部分,它们分配在章程表的槽数组后。所有的固有静态类型是内联的,而对于社团和引用的类型的静态值对象,通在句柄表中开创的目的引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上创设的对象实例。一旦成立后,句柄表内的目的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在模式表创立前起首生活,它和章程表组成起来,是类别表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品类),只然则因为使用频度的不等而被分手。经常选拔的域放在方法表,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,不过运行时需要的信息(如虚表槽和GC消息)在措施表中。

对每一个体系会加载一个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咬合。在履行托管代码的进程中,新的EEClass节点被参与,节点的关联被补充,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水准的涉及。EEClass有四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只展现了和这一个商讨有关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,我们从未在图中正好显示偏移。EEClass有一个直接的对于艺术表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的往往堆分配的法子描述块。在模式表创制时,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在动用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的展开内存分页管理,因而削减了工作集。

图片 42

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。我们前几日看看使用SOS输出的EEClass的确实的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先采用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的位置。

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

Name2EE的第一个参数时模块名,可以从DumpDomain命令获得。现在大家获取了EEClass的地址,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的输出看起来完全平等。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,能够精晓图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的办法)。尽管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投入到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会取得总共10个方法。最终列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

咱俩关于CLR一些最首要的内在的探赜索隐旅程终于终止了。显明,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,可是我们盼望这可以帮衬你见到事物如何工作。这里提供的众多的消息或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,可是即便本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该保持不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软今天的角色是帮忙客户基于.NET框架建立可增添的组件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软支付协助高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩张(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的Charlotte,可以通过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软企业的软件工程师,习惯使用C++和C#支出应用程序。闲暇时光他喜好音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意帮忙MSDN翻译更多的篇章和另外开发者共享。可以通过ecaijw@msn.com联系她。

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