知识在与温故总结-再读CLR

Posted 2020-11-14 tianqing

序

CLR，通用语言运行时，每个.Net 程序猿，都会第一时间接触到。记得2008年，第一次学习Jeffrey Richter的CLR Via C#，读的懵懵懂懂，大抵因为编码太少，理解的只是概念和皮毛。10年之后，再次找出Jeffrey Richter的CLR Via C#这本书，重读CLR。归纳总结，同时加深自我的底层技术理解和深度。分享给大家自己的总结笔记：

讲在前面的话：

合抱之木，生于毫末；九层之台，起于垒土！

整个.Net 大厦建筑的底层基础技术就是CLR，通用语言运行时。CLR给我们带来JIT、垃圾回收、MSIL、Meta Data、Application Domain等一系列概念，它们共同协作，合力打造了一个与非托管代码完全不同的一个新的开发环境。每个组件如何和谐地与其他组件协作，平稳地运行.Net 应用，只有深入了解CLR，才能“拨开云雾见天日，守得云开见月明”！

总结Part1：CLR是什么？ 我们的源码如何被编译成托管模块的？

  CLR：公共语言运行时（Common Language Runtime，CLR），一个可以由多种不同编程语言使用的运行时。

  Mircosoft面向CLR提供了几种编程语言编译器，包括：C#、VB、J#、C++、Jscript以及一个中间语言（Intermediate Language,IL）等编译器。因此，我们可以使用支持CLR的任何编程语言来创建源代码文件，实现实际的业务逻辑。

  创建源代码文件之后，要使用一个相对应的编译器来检查语法和分析源码，最后编译成一个“托管模块”。

  托管模块是一个标准的32位Microsoft Windows可移植执行体（PE32）文件，后者是一个标准的64位Microsoft Windows可移植执行体（PE32+）文件，这些文件需要CLR才可以执行。

  将源代码编译为托管模块：

  

  所有CLR支持的编译器通过编译生成的都是“中间语言（Intermediate Language，IL）代码”，IL代码有时也称为托管代码，因为CLR会管理它的执行。除了生成IL，编译器还会在每个托管模块中生成完整的元数据，元数据Meta Data是一系列特殊的数据表，描述了模块中定义的内容，比如类型及成员。同时元数据表还记录了当前托管模块引用的内容，比如引用的类型及成员。

  托管模块由哪几个部分组成呢？

  

总结Part2：将托管代码编译为程序集

   将源代码编译为托管模块之后，CLR实际上并不和托管模块一起工作，相反，CLR与程序集一起工作。

   程序集（assembly）是一个抽象的概念，是一个或者多个模块/资源文件的逻辑性分组。同时，程序集是一个最小的重用、安全性以及版本控制单元。

   默认情况下，将托管模块和源文件转换成一个程序集的工作由编译器完成。

   

总结Part3：加载CLR

   我们编译的每个程序集既可以是一个可执行的应用程序，也可以是一个DLL（动态链接库，其中含有一系列有可执行程序使用的类型）。最终由CLR来管理这些程序集中的代码的执行。这就要求主机上必须安装.Net Framework.

   在了解CLR具体如何加载之前，我们先了解下程序集的32位和64位版本问题，及支持X86和X64 Windows平台。在Visual Studio的Project属性Build选项中，可以选择Target Platform，如果选择X86，C#编译器生成的程序集包含一个PE32头，如果选择X64，将包含PE32+头。运行一个可执行文件时，Windows会检查这个EXE文件的头，判断应用程序需要的是32位地址空间，还是64位地址空间，具有PE32头的文件可以在32位和64位地址空间中运行，具有PE32+头的文件则要求一个64位地址空间。

   以下总结了C#编译器指定不同的Platform选项，会得到什么托管模块，以及运行的Windows平台：

   

    Windows会检查EXE文件头，判断是32位进程，还是64位进程，或者Wow64进程之后，Windows在进程的地址空间中加载MSCoreEE.dll的X86、X64或者IA64版本，进程的主线程会调用MSCoreEE.dll内部定义的一个方法，这个方法会初始化CLR，加载EXE程序集，然后调用其入口方法（Main）方法。随即，被托管的应用程序将启动并运行。

    如果一个非托管应用程序通过LoadLibrary来加载一个托管的程序集，Windows会加载并初始化CLR来处理包含在程序集中的代码。

总结Part4：代码执行

   前面我们介绍了，托管程序集同时包含元数据和中间语言（IL），IL是一种与CPU无关的机器语言。

   IL比大多数CPU机器语言要高级的多，IL能访问和操作对象类型，并提供相应的指令来创建和初始化对象，在对象上调用虚方法，并能直接操作数组元素，甚至提供了用于抛出异常和捕获异常的指令，以实现错误处理。因此IL可以被看作是一种面向对象的机器语言。

   开发人员使用C#、VB、C++等高级语言来编程实现业务逻辑，这些高级语言的编译器会将源代码编译为IL。

   为了执行具体的某一个方法，这个方法对应的IL首先必须转换为本地CPU指令。这是CLR的JIT（Just-in-time）即时编译器的职责。

   

    上面这段代码是如何执行的？

    在Main方法执行之前，CLR会检测出Main的代码引用的所有类型，CLR会分配一个内部数据结构，用于管理对引用类型的访问。

    示例代码中，Main方法引用了单一类型Console，CLR为Console分配了一个单独的内部数据结构，Console类型中每个方法都对应一条记录，每条记录都容纳了一个地址，根据这个地址就可以找到方法的实现。CLR对这个内部数据结构初始化的时候，每条记录都设置成CLR内部包含的一个未文档化的函数，这个函数称为JITCompiler。

    Main方法首次调用WriteLine时，会调用JITCompiler函数，JITCompiler函数负责将这个方法的IL代码编译为本地CPU指令，由于IL是“即时”编译的，所以通常将CLR这个即时编译组件称为JIT编译器。

    第一次调用Console.WriteLine这个方法时：

    

　　1. JITCompiler函数被调用时，它知道要调用哪个方法，以及具体的类型定义了该方法。
　　2. 然后，JITCompiler会在程序集的元数据中搜索被调用方法的IL。
　　3. JITCompiler验证IL代码，并将IL代码编译成本地CPU指令，同时本地CPU指令保存在一个动态分配的内存中。
　　4. 然后，JITCompiler回到CLR为类型创建的内部数据结构中，找到与被调用方法对应的那条记录，将最初调用它的那个引用替换成CPU指令内存块的地址。
　　5. 最后，JITCompiler函数会跳转到内存块中的代码（CPU指令），即Console.WriteLine方法的具体实现。
　　6. 代码执行完毕后，返回到Main方法中，继续执行其他代码。

       Main函数第二次调用Console.WriteLine方法

       第二次调用时，由于已经对WriteLine方法进行了验证和编译，所以会直接执行内存块中代码（CPU指令），完全跳过了JITCompiler函数。因此，一个方法只有在第一次调用时才会造成一定的性能消耗。后续对此方法的调用都以本地代码的方法全速运行。

       

     总结：

     1. 一个方法只有在第一次调用时的JIT编译才会造成一定的性能消耗。后续对此方法的调用都以本地代码的方法全速运行

     2. JIT编译器将本地CPU指令保存在动态内存中，一旦应用程序终止，编译好的本地CPU指令代码会被丢弃。所以，如果关闭重新运行应用程序，或者同时启动了应用程序的两个实例（两个不同的进程），JIT编译器必须再次将IL编译成本地CPU指令.

     3. 对于大多数应用程序来说，因JIT编译造成的性能损失并不明显，大多数应用程序倾向于反复调用相同的方法。

     4. 同时，CLR的JIT编译器会对本地代码进行优化。代码在优化后将获得更出色的性能。

   

    先临时写到这，10年后重读CLR Via C#，更多的收获是，对.Net 底层技术原理的理解更深，同时有了更敬畏之心。后续计划再重读更多内容，分享给大家。

    知识在与分享和总结！

 

周国庆

2018/6/9