初稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原稿发表日期: 9/19/2005
原稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中窥见众多稿子图都不全,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。
  • 目标布局和内存细节。
  • 艺术表布局。
  • 格局分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创设应用程序的主角级基础架构,
多理解点关于CLR的深度认识会帮助您构建便捷的, 工业级健壮的行使程序.
在这篇著作中, 咱们会浏览,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, 和充裕多彩的数额结构.

咱俩会利用由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#言语为目标的.
啄磨的片段数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过大部分的概念是不会变的. 我们会利用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数目结构.
SOS可以清楚CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的信息. 通篇,
大家会啄磨在Shared Source CLI(SSCLI)中具备相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会辅助你在追寻一些布局的时候到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

在大家起首前,请留心:本文提供的音信只对在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,只是在某些交互操作的境况下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改观,所以请不要在构建软件时依赖于这一个内部结构的不变性。

365bet体育投注 1
CLR启动程序(Bootstrap)成立的域

CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

在CLR执行托管代码的率先行代码前,会创立多个利用程序域。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,这么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是应用了单件(Singleton)格局。第三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。其余的域可以在托管代码中运用AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中行使ICORRuntimeHost接口创制。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会遵照应用程序的多寡创造多少个域。

图 2 由CLR启动程序制造的域 ↓

365bet体育投注 2

365bet体育投注 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责成立和起首化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍重过程范围里边使用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,它的拍卖措施显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。即使如此,由于在享有的应用程序域中对一个一定的标记只保留一个对应的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还担负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,并贯彻加载和卸载应用程序域的效率。

365bet体育投注 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多少个域中,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,方法是行使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,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和任何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。

365bet体育投注 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

默认域是采用程序域(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转时创建额外的运用程序域(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成立一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。尽管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音信可以行使System.ContextBoundObject派生的品类创设。每个应用程序域有和好的安全描述符(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,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

365bet体育投注 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的职能是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的全部生命期内设有的部件。这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三个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常访问的预制构件如方法表,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)。

从高层次了然域后,我们准备看看它们在一个粗略的应用程序的内外文中的情理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用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的加载音讯)。那里是编写后的出口:

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();
    }
}

咱俩的控制台程序,萨姆ple1.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,然而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。

输出没有出示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),由自己的加载器堆在域最先化阶段创立。IVMap保留大小是4KB,开端时交由4KB。咱们将会在继续部分研讨项目布局时探究IVMap的意思。

图2
突显默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目标堆(用于大小相等仍然超越85000字节的对象),它表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。

365bet体育投注 7
项目原理

项目原理

花色是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以接纳class,struct和interface关键字展开宣示。大多数体系由程序员显式创设,但是,在专门的交互操作(interop)状况和远程对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的产生类型,这么些暴发的档次涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家通过一个蕴含对象引用的栈起初探讨.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中显示的代码包含一个简易的次第,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1开立一个SmallClass的品类实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆成立对象。即使这是一段无聊的代码,但是足以援助大家举行商讨。

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,它表明在可能的动静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以一定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在一般GC堆中分红的对象的地点。对于传统C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管咋样,它包含了一个对象实例的地方,我们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

365bet体育投注 8

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,图中显示的深浅为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的目标的拍卖和小目标不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上创造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会减弱,而GC堆在GC回收时举行压缩。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。每个表明的项目有一个方法表,而同一系列的有所目的实例都针对同一个方法表。它富含了花色的风味消息(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。

措施表指向一个名为EEClass的第一数据结构。在点子表创设前,CLR类加载器从元数据中创制EEClass。
图4中,SmallClass的办法表指向它的EEClass。那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,这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,所以这个代码的生存期是停止CLR关闭截至。

365bet体育投注 9
对象实例

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 上创造。图 6
显示了一个优异的目的布局。一个目的足以由此以下途径被引用:基于栈的部分变量,在相互操作仍旧平台调用情况下的句柄表,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
先导计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连接,所以在需要增添表的分寸时, 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
可以在并未任何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对象的所有实例使用的管事的信息。这些音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和应用程序域的目录。对于大部分的靶子实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。那点在推行线程遭受如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的口舌时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
365bet体育投注 10

在以上代码中, smallObj 会选用 0 作为它的序曲的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并运用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩充为 try-finally 语句并使用 Monitor 类,一个看成同步的
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 )到非托管代码时利用,然而这和典型的目的用处无关。
类型句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在印证实例变量后钻探类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情形下,实例域会以内存最管用使用的情势排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码展现了 SimpleClass 包含有一些不比尺寸的实例变量。

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 地址在内存窗口显示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们从来不用其他共同代码应用此实例(也未尝访问它的哈希编码),
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块儿。两个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在联合。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门类,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等实例。那多少个进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的使用。大家在此以前已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集无法采取是否采取这些历程,即使将来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
365bet体育投注 11

为此默认情形下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的场地下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以动用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 能够为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,即使在 .NET Framework 1.1
中,它从不影响托管的布局(不过 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在相互操作的境况下,假设你实在需要异常的填充字节和出示的控制域的一一,
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,大家接纳 SOS 看看对象实例。一个实惠的通令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的保有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以来得大家创制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,我们得以应用 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

正如往日说过, 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。大家得以应用 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)

假使您从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大大小小( 36
字节),就足以拿走 str 的分寸,即 36 字节。让我们输出 str
实例来证实这些结果:

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

如若你将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大小(36字节),就足以获取ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不明白非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这么些命令报告。

本着方法表的连串句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创立前,CLR查看加载类型,假若没有找到,则举行加载,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编译器暴发的代码在进行艺术分派时利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行使项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器增加程序用于本文化的显示CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一有的,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
所在的文书夹到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 窗口中施行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一些指令,关于SOS更多新闻,参考这里

365bet体育投注 12
方法表

方法表

各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。对象实例表示的是情景,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消息可以通过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以因此Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的花色句柄指向方法表起初地点的晃动处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在此地对其进展座谈。

图 9
凸显了艺术表的卓越布局。我们会声明项目句柄的局部重要的域,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)开端,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

365bet体育投注 13

365bet体育投注 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器统计的目标的分寸,基于代码中声称的域。在此之前已经研讨过,当前GC的落实内需一个至少12字节的对象实例。虽然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)和品种句柄占用。再说四回,对象的高低会面临StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中显得的MyClass(有多少个接口)的主意表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举办比较。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

365bet体育投注 15
方法槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在章程表中富含了一个槽表,指向各种艺术的叙述(MethodDesc),提供了系列的行为能力。方法槽表是按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,它替换所有的被覆盖的虚方法和被隐形的父类方法,成立新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必不可少的,它可以让各类接口有温馨的细小的vtable。不过被复制的槽指向同一的物理实现。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#编译器为具备没有显式定义构造函数的目标自动生成。因为大家定义并起首化了一个静态变量,编译器会变动一个类构造函数。图10显示了MyClass的法门表的布局。布局显示了10个章程,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下面我们会开展座谈。图11显示了MyClass的办法表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
365bet体育投注 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()

其他项目的起头4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被实行了复制,可是都针对相同的办法描述。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。

365bet体育投注 17
艺术描述(MethodDesc)

模式描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)是CLR知道的格局实现的一个打包。有几连串型的方法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互动操作实现的调用。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,起首化为指向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呈现了一个突出的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的主意描述数据结构。对于实际的法门描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8个附加字节的一有些。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命令。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从观看,因为方法描述总是方法槽表指向的职务后边的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代码的白白跳转指令覆盖。

图 12办法描述

365bet体育投注 18

图12的措施表槽指向的代码进行反汇编,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

现在我们履行此形式,然后反汇编相同的地方:

!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,只有起先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的主意描述的多寡。“!u”命令不清楚这点,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编译前包含IL中方法实现的对峙虚地址(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纳一个,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

措施的那些标志域的编码包含了法子的连串,例如静态,实例,接口方法仍然COM实现。让我们看方法表此外一个复杂的方面: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,大家将表明接口怎么着举行布局和按照接口的方法分派的确切工作格局。

365bet体育投注 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字节偏移处是一个至关首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个使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立。每个接口的贯彻都在接口虚表中有一个笔录。倘使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起初地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时利用的引用。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格局表中的接口消息记录。在这种情状下,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的门类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个阐明占用(0意味从父类派生,1意味由如今类实现)。在注脚后的WORD是一个初步槽(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伊始编号),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。类加载器会在急需时复制槽来暴发这么的效益:每个接口有温馨的兑现,然则物理映射到同一的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

遵照接口的法子分派通过接口虚表举办,而一贯的办法分派通过保留在相继槽的点子描述地址举办。如从前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开头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

这一个反汇编显示了一贯调用MyClass的实例方法没有利用偏移。JIT编译器把艺术描述的地方直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表发生,和直接分派相比需要有些额外的指令。一个指令用来赢得接口虚表的地点,另一个到手形式槽表中的接口实现的始发槽。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的目标引用拷贝到mi1。

365bet体育投注 20
虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现行大家看看虚分派,并且和基于接口的摊派举办相比较。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点的槽编号暴发,和措施表指针在特定的类(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实现代替父类的实现。结果,对父对象的法门调用被分派到子对象的兑现。反汇编呈现了分派通过8号槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这一点。

365bet体育投注 21
静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是艺术表数据结构的重点组成部分。作为艺术表的一片段,它们分配在模式表的槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对于社团和引用的品种的静态值对象,通在句柄表中开创的目标引用来针对。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,它引用了堆上创造的对象实例。一旦创造后,句柄表内的目标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。

365bet体育投注 22
EEClass

EEClass

EEClass在点子表创设前开头生活,它和方法表组成起来,是项目讲明的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个序列),只不过因为运用频度的例外而被分开。平时利用的域放在方法表,而不平时选取的域在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,但是运行时索要的音信(如虚表槽和GC消息)在模式表中。

对每一个品种会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个被执行引擎跟踪的树的节点。CLR使用这多少个网络在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三结合。在实践托管代码的长河中,新的EEClass节点被参加,节点的关系被填补,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个程度的涉及。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,请参考图13

图13只展现了和这么些研讨有关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,大家一贯不在图中相当展现偏移。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高频堆分配的不二法门描述块。在措施表创立时,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音信。EEClass在利用程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的进展内存分页管理,因而削减了工作集。

图13 EEClass 布局

365bet体育投注 23

图13中的此外域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。我们先天探视使用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的主次。首先使用命令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命令拿到。现在大家获取了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,可以领会图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的章程)。虽然Method1和Method2不是虚方法,它们可以在经过接口举办摊派时被认为是虚函数并参预到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会拿到总共10个措施。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。

365bet体育投注 24
Conclusion结论

结论

大家关于CLR一些最紧要的内在的探赜索隐旅程终于终止了。彰着,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,不过咱们盼望这可以匡助你见到事物如何工作。这里提供的不在少数的新闻可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,但是固然本文提到的CLR数据结构可能更改,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,对其展开深入精晓会赞助你建立可行的工业强度的应用程序。在本文中,咱们将探索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。

大家将使用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,可是首要概念应该保障不变。我们采纳Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器增加Son of Strike
(SOS)来查看本文商量的数据结构。SOS明白CLR的里边数据结构并出口有用音讯。请参考“Son
of Strike”补充资料,了解怎么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的长河空间。本文中,我们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将救助您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的社团。

在我们开头前,请留心:本文提供的消息只对在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处境下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时看重于那些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)成立的域

在CLR执行托管代码的率先行代码前,会创制两个利用程序域。其中两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启动进程创建,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),都是采用了单件(Singleton)情势。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。此外的域可以在托管代码中利用AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中接纳ICORRuntimeHost接口创设。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会依照应用程序的数量创设五个域。

365bet体育投注 25

2 由CLR启动程序创设的域

365bet体育投注 26回到页首

系统域(System Domain)

系统域负责创设和初阶化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍重过程范围之中接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,它的拍卖措施显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。即使如此,由于在有着的施用程序域中对一个一定的符号只保留一个应和的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还背负暴发过程范围的接口ID,并用来成立每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程中保障跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的意义。

365bet体育投注 27重返页首

共享域(Shared Domain)

怀有不属于此外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是必需的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的中央项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也足以被加载到那个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采纳由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是拔取System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个行使基地址作为目录的顺序集映射图,此映射图作为管理共享程序集看重关系的查找表,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他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。

365bet体育投注 28回到页首

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。虽然有些应用程序需要在运行时创设额外的拔取程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办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行期间只开创一个域。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信息可以动用System.ContextBoundObject派生的品类创设。每个应用程序域有和好的安全描述符(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,接口虚表管理器和次序集缓存。

365bet体育投注 29回来页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的职能是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的整整生命期内设有的预制构件。这么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。平时访问的构件如方法表,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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次领悟域后,大家准备看看它们在一个简练的应用程序的光景文中的物理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器增加命令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

大家的控制台程序,山姆(Sam)ple1.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,然则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存尺寸和已交付尺寸。高频堆的开首化大小是32KB,每一遍提交4KB。SOS的输出也未尝体现接口虚表堆(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成立。IVMap保留大小是4KB,先导时提交4KB。大家将会在延续部分探究项目布局时研商IVMap的含义。

365bet体育投注,图2来得默认的经过堆,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字节的目标),它表明了这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堆和大目标堆是用来托管对象实例化的污染源回收堆。

365bet体育投注 30重回页首

品类原理

类型是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以接纳class,struct和interface关键字展开宣示。大多数门类由程序员显式创设,可是,在专门的互动操作(interop)情状和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的发生类型,这一个暴发的品类涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个富含对象引用的栈最先探究.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例开首生命期的地点)。图4中展现的代码包含一个简短的先后,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创设一个SmallClass的品种实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示如何在大指标堆创设对象。虽然这是一段无聊的代码,不过可以扶助我们开展座谈。

图5来得了停止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注明在可能的动静下将函数参数通过寄存器传递,而另外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++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么着,它涵盖了一个对象实例的地方,我们将动用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

365bet体育投注 31

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

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,图中呈现的高低为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对领先或等于85000字节的指标的拍卖和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目标在相似GC堆上创造,这样可以优化对象的分配和回收。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。每个阐明的花色有一个方法表,而同样档次的兼具目的实例都针对同一个方法表。它蕴含了类别的风味信息(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的重点数据结构。在形式表创制前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4中,SmallClass的法门表指向它的EEClass。这么些协会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。加载器堆和拔取程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到内部,就直到应用程序域卸载时才会破灭。而且,默认的运用程序域不会被卸载,所以那么些代码的生存期是结束CLR关闭结束。

365bet体育投注 32回来页首

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上创办。图6突显了一个天下无双的对象布局。一个目标足以经过以下途径被引用:基于栈的有的变量,在相互操作如故平台调用意况下的句柄表,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起来地点,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起来计数的syncblk编号。因为经过索引举行连续,所以在需要扩大表的深浅时,CLR可以在内存中活动那些表。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。这多少个信息包括对象锁,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,不会为实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这点在履行线程碰着如lock(obj)或者obj.GetHashCode的语句时会暴发变化,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作为它的开局的syncblk编号。lock语句使得CLR创造一个syncblk入口并接纳相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩张为try-finally语句并采纳Monitor类,一个作为同步的Monitor对象在syncblk上创办。堆GetHashCode的调用会利用对象的哈希编码增添syncblk。

在SyncBlock中有其他的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时使用,但是那和顶尖的靶子用处无关。

类别句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了保障连续性,我会在证实实例变量后啄磨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认情形下,实例域会以内存最有效行使的不二法门排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码呈现了SimpleClass包含有一对例外尺寸的实例变量。

图8来得了在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地址在内存窗口映现对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们没有用别样共同代码应用此实例(也远非访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的目标实例,指向最先地点的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同步。六个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堆中分红的其实的字符串实例。字符串是一个特地的体系,因为所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一样实例。这么些进程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的运用。大家以前早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集无法接纳是否采用这多少个进程,就算将来版本的CLR可能会提供这样的能力。

据此默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的情事下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以接纳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,尽管在.NET
Framework 1.1中,它从不影响托管的布局(不过.NET Framework
2.0或者会如此做)。在竞相操作的场所下,假如你实在需要卓殊的填充字节和显示的控制域的次第,LayoutKind.Explicit可以和域层次的Field(Field)Offset特性一起行使。

看完底层的内存内容后,我们应用SOS看看对象实例。一个管用的授命是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的有着实例。无需依靠寄存器,DumpHeap能够来得大家创建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,此外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

正如在此以前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会采取LayoutType.Sequential);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以运用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)

万一你从目的图的全局大小(72字节)减去SimpleClass的尺寸(36字节),就足以得到str的深浅,即36字节。让大家输出str实例来表达这些结果:

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

如果你将字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就足以拿走ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不知底非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这么些命令报告。

本着方法表的门类句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创造前,CLR查看加载类型,假设没有找到,则进行加载,得到方法表地址,创制对象实例,然后把品种句柄值追加到目的实例中。JIT编译器爆发的代码在举办艺术分派时利用项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史可以透过措施表反向访问加载类型时拔取项目句柄。

365bet体育投注 33回到页首

方法表

各类类和实例在加载到应用程序域时,会在内存中经过措施表来表示。这是在对象的第一个实例创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照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方可透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以因此Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的系列句柄指向方法表伊始地点的撼动处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在此地对其开展切磋。

图9显示了点子表的天下第一布局。大家会注明项目句柄的片段着重的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起始,因为它一直关乎到运行时的内存状态。

365bet体育投注 34回来页首

基实例大小

基实例大小是由类加载器总括的靶子的高低,基于代码中宣称的域。以前已经商讨过,当前GC的兑现内需一个最少12字节的靶子实例。要是一个类没有概念任何实例域,它起码含有额外的4个字节。其它的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和档次句柄占用。再说两次,对象的轻重缓急会遭逢StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中显示的MyClass(有多少个接口)的方法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办比较。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,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

365bet体育投注 35归来页首

形式槽表(Method Slot Table)

在情势表中蕴藏了一个槽表,指向各样艺术的叙述(MethodDesc),提供了档次的行为能力。方法槽表是基于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。

类加载器在此时此刻类,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,在急需时复制槽。槽复制是不可或缺的,它可以让各个接口有友好的蝇头的vtable。不过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)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为大家定义并初阶化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10展现了MyClass的不二法门表的布局。布局显示了10个办法,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会举办研商。图11体现了MyClass的章程表的SOS的出口。

其余类型的启幕4个艺术总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这几个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举行了复制,不过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。

365bet体育投注 36回来页首

办法描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的不二法门实现的一个封装。有二种档次的方法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的相互操作实现的调用。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生出,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显得了一个卓绝的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的法门描述数据结构。对于实际的章程描述,这是-5字节的撼动,是每个方法的8个附加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的通令。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的职位前边的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代码的白白跳转指令覆盖。

365bet体育投注 37

图12 方法描述

对图12的艺术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展现。

!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

今日我们履行此形式,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,唯有起首5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法子描述的数目。“!u”命令不领会这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的具备东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的周旋虚地址(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。让大家从列出的函数中选取一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法门描述的情节:

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

编译后,方法描述的始末如下:

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

办法的这么些标志域的编码包含了艺术的档次,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让大家看方法表此外一个犬牙交错的方面: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,我们将表达接口如何举行布局和遵照接口的法门分派的恰当工作章程。

365bet体育投注 38回到页首

接口虚表图和接口图

在章程表的第12字节偏移处是一个重点的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个使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记录。倘使MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有四个记录。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。这是接口方法分派发生时行使的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图音讯创立,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据创立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在章程表中的接口消息记录。在这种意况下,对MyClass实现的五个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的起来4个字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个申明占用(0象征从父类派生,1代表由如今类实现)。在阐明后的WORD是一个先河槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的值为4(从0开首编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,初步槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来暴发这样的效用:每个接口有谈得来的贯彻,然则物理映射到均等的情势描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

依照接口的章程分派通过接口虚表举办,而间接的措施分派通过保留在相继槽的措施描述地址举办。如以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开首2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的第一个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到那或多或少:

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

这么些反汇编呈现了直白调用MyClass的实例方法没有采用偏移。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爆发,和直接分派比较需要有的外加的通令。一个下令用来赢得接口虚表的地点,另一个获取形式槽表中的接口实现的启幕槽。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”使用一个限令把mc的目标引用拷贝到mi1。

365bet体育投注 39回来页首

虚分派(Virtual Dispatch)

现行我们看看虚分派,并且和基于接口的摊派举行相比。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原则性的槽编号暴发,和措施表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在措施表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的不二法门调用被分摊到子对象的落实。反汇编彰显了分派通过8号槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这或多或少。

365bet体育投注 40重临页首

静态变量

静态变量是办法表数据结构的重点组成部分。作为艺术表的一有的,它们分配在措施表的槽数组后。所有的原来静态类型是内联的,而对此协会和引用的品种的静态值对象,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,它引用了堆上创制的对象实例。一旦创立后,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。

365bet体育投注 41回到页首

EEClass

EEClass在模式表创制前开头生活,它和办法表组成起来,是连串注脚的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个连串),只不过因为使用频度的例外而被分手。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编译函数使用的消息(如名字,域和摇头)在EEClass中,可是运行时需要的音信(如虚表槽和GC音信)在艺术表中。

对每一个项目会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和社团。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这多少个网络在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结合。在举办托管代码的历程中,新的EEClass节点被投入,节点的关联被填补,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水准的涉嫌。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,请参考图13。

图13只显示了和这么些议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,我们从不在图中正好展现偏移。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一再堆分配的主意描述块。在措施表创立时,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音信。EEClass在应用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,由此削减了劳作集。

365bet体育投注 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。我们现在看望使用SOS输出的EEClass的真的的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的程序。首先使用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地方。

!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命令拿到。现在大家取得了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,可以领会图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的点子)。就算Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举行摊派时被认为是虚函数并插手到列表中。把.cctor和.ctor参加到列表中,你会拿到总共10个形式。最终列出的是类的多少个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

365bet体育投注 43回到页首

Conclusion结论

大家关于CLR一些最要紧的内在的探赜索隐旅程终于截止了。分明,还有众多问题需要涉及,而且亟需在更深的层系上钻探,可是我们愿意这可以襄助您看到东西怎么样行事。这里提供的洋洋的消息或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,然而即使本文提到的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。他在微软前几天的角色是援助客户基于.NET框架建立可扩展的组件框架。可以由此hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开支匡助高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩大(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛蒂(Charlotte),可以通过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者卢克(Luke)是微软集团的软件工程师,习惯使用C++和C#支付应用程序。闲暇时光他喜爱音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的作品和其他开发者共享。可以因而ecaijw@msn.com联系她。

相关文章

网站地图xml地图