C#进阶系列01 CLR的执行模型——一个Hello World的故事

Posted 2020-06-17

好吧，废话少说，先上一章Hello World图：

我们有了一个Hello world程序，如此之简单，再加上我今天没有用汉字编程o(>﹏<)o，所以一切很简单明了。

故事开始：

编译：

一个程序写完肯定要编译，以前什么C啊什么的都是编译成本机的CPU指令，但是我们的C#不是。

C#，VB.NET都会把它们编译成托管模块，托管模块在一个标准的可移植的PE文件中。（那些懵懂的少年肯定慌了，这是什么鬼，又是托管模块又是PE文件的。莫慌，所有你听不懂的高大上的术语其实都很简单，你现在不需要懂，听我慢慢道来）

所谓PE文件，就是可移植执行体，简单来讲就是.EXE和.DLL这种鬼东西（这个exe和C语言生成的有区别的）。这个PE文件里的托管模块，你可以当做一个对象，对象里有四个属性，一个PE头（描述文件），一个CLR头（描述这个对象的整体的一些信息，比如main入口），元数据（这个很关键，一种元数据表包含源代码中定义的那些那些类型和成员的描述信息，另一种包含引用的类型和成员的描述信息），IL代码（就是你的源代码被编译后的代码，又称中间语言）。

如果觉得麻烦，前面两个属性你可以忘掉了，记住后面两个就好：元数据和IL代码（简单来讲，就是代码的描述信息和编译后的代码）。

但是一个PE文件可不只一个托管模块，它可以由几个托管模块组成。编译器会把多个托管模块和资源文件合并成一个包含清单的程序集，这才是最后的PE文件。

运行：

但是这个托管模块也就是PE文件并不能直接运行，他需要CLR。

CLR常用简写词语，CLR是公共语言运行库(Common Language Runtime)和Java虚拟机一样也是一个运行时环境，它负责资源管理（内存分配和垃圾收集等），并保证应用和底层操作系统之间必要的分离。CLR存在两种不同的翻译名称：公共语言运行库和公共语言运行时。

此描述及以后的描述均来自百度百科，我懒得手打。

CLR的核心功能包括：内存管理，程序集加载，安全性，异常处理和线程同步。

这个东西又称为公共语言运行时。

前面的说到不能直接运行的时候，这里有懵懂的少年肯定说，我生成的exe文件明明可以直接运行。

这是因为你的电脑上安装了.NET Framework。当你在打开exe程序的时候你的进程的主线程会调用MSCorEE.dll的一个方法，这个方法会初始化CLR，再加载exe程序集，然后调用入口方法即main函数。

所以说实际上你的代码运行是需要在CLR上的。

那么CLR到底是怎么玩我们的Hello world的？

它会在运行时编译我们的IL代码。（先别吐槽为什么要编译两次，后面有讲）

早在Main函数执行之前，CLR就会检测Main的代码所引用的所有类型，然后生成了一个内部的数据结构来管理引用类型的访问。

在这个内部结构中，每个类型比如Console的每个方法都会有一个入口，每个入口都有一个地址（这里叫地址A吧），这个地址A就可以找到方法的实现代码。

而在这个内部数据结构初始化的时候，所有的这些入口的地址都会被设置成一个叫JITCompiler的函数。

就比如上面图中的hello world代码第一句，CLR在执行这句代码的时候会跑进JITCompiler这个函数中，这是内部操作：

1. 会跑进托管模块，然后根据元数据匹配类名和方法名，获取你要执行的Console这个类里面Writeline这个函数在IL代码里面的地址B。
2. 然后编译这段IL代码变成本机的CPU指令放到一块内存空间中，地址为C。（在这个编译之前还会进行验证哦，验证这个IL代码是否安全）
3. 接着修改元数据中地址A的值变为地址C的值。
4. 最后跳转到地址C开始执行地址C的cpu指令。

那么如果我们第二次去执行Writeline函数呢？此时内部结构中Writeline函数入口的地址指向的已经是编译好的CPU指令的地址了，所以也就不会去执行JITCompiler这个函数。

千万不要认为这样一定会很慢哦，除了第一次运行时JITCompiler的编译可能需要花费掉编译和优化的时间，后来执行的就是本地CPU指令哦。再加上JITCompiler的这个编译会根据你的机器的CPU不同可能会去生成一些专属于本CPU的特殊指令去优化IL代码，有的这种托管程序可能还要比非托管程序快。

好了，本章的精髓就是上面这些了。

现在我们想想为什么要编译两次？

因为这样的话，无论用C#、VB、F#这些东西你都可以生成一样的包含IL代码的托管程序集，然后这个托管程序集在CLR上运行，也就是说可以混合写代码，一个C#代码可以调用VB代码的DLL，用最适合的语言做最适合的事情。

并且在CLR监视之下执行的IL代码因为在执行前会进行安全校验，所以会提高程序的健壮性和可靠性。