原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发表日期: 9/19/2005
原文已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发觉众多著作图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

本页内容

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前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目的布局和内存细节。
  • 措施表布局。
  • 艺术分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上制造应用程序的主角级基础架构,
多领悟点关于CLR的深浅认识会拉扯您构建快捷的, 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, 和形形色色的数额结构.

我们会动用由C#写成的相当简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为目的的.
研讨的有些数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过大多数的概念是不会变的. 我们会动用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS可以领略CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音讯. 通篇,
我们会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中负有相关兑现的类, 你能够从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会协助你在摸索一些结构的时候到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

在我们起先前,请留心:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1立竿见影(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的事态下必须注意例外),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一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)创立的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创立多少个应用程序域。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启动进程成立,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,这些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是行使了单件(Singleton)情势。第五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,默认的域名由可举办映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中使用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中应用ICORRuntimeHost接口创立。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造七个域。

图 2 由CLR启动程序创立的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创设和起先化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍视过程范围里边选拔的蕴藏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没有给程序集机会接纳此特性。即便如此,由于在具备的接纳程序域中对一个特定的号子只保留一个相应的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还背负爆发过程范围的接口ID,并用来创建每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中保障跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的效果。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

持有不属于另外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。用户代码也可以被加载到那个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时选择由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,方法是拔取System.LoaderOptimizationAttribute特性评释Main方法。共享域还管理一个选取基地址作为目录的先后集映射图,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)和此外在托管代码中创制的采取程序域。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。即使有些应用程序需要在运行时创制额外的施用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一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。假诺一个应用程序有六个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音信方可接纳System.ContextBoundObject派生的类型创建。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,接口虚表管理器和程序集缓存。

图片 6
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部件和优化在域的方方面面生命期内设有的预制构件。这多少个堆的增长基于可预测块,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六个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。常常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)。

从高层次了解域后,大家准备看看它们在一个简便的应用程序的前后文中的物理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后采取SOS调试器扩充命令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();
    }
}

大家的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”山姆ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然则因为它是着力系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用同一的类加载器,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付尺寸。高频堆的开始化大小是32KB,每便提交4KB。SOS的输出也尚未出示接口虚表堆(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起头化阶段制造。IVMap保留大小是4KB,最先时提交4KB。我们将会在后续部分探讨项目布局时研讨IVMap的意思。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于依旧超越85000字节的靶子),它注明了这么些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堆和大指标堆是用以托管对象实例化的杂质回收堆。

图片 7
花色原理

花色原理

品类是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以运用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式创设,可是,在特其余相互操作(interop)意况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这多少个发生的类型涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩因此一个带有对象引用的栈起初研讨.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先后,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的连串实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎么样在大目的堆成立对象。固然这是一段无聊的代码,不过足以协助我们开展座谈。

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 展现了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的情形下将函数参数通过寄存器传递,而此外参数依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堆中分红的对象的地方。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管如何,它富含了一个目的实例的地点,大家将利用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

图片 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,图中呈现的大小为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的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目标在形似GC堆上创立,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会回落,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的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个阐明的品类有一个方法表,而同样系列的拥有目的实例都针对同一个方法表。它蕴含了类其余特性音信(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的重要数据结构。在格局表创立前,CLR类加载器从元数据中创建EEClass。
图4中,SmallClass的主意表指向它的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。加载器堆和运用程序域关联,那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破灭。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是停止CLR关闭结束。

图片 9
目的实例

目标实例

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 上创办。图 6
展现了一个超人的目的布局。一个目的足以透过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在互相操作依旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和情势参数),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始发地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开端计数的 syncblk
编号。因为通过索引举办连续,所以在需要扩充表的高低时, CLR
可以在内存中活动那个表。 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 还保留了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个对象的具备实例使用的灵光的音讯。这多少个音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和行使程序域的目录。对于大部分的对象实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在实践线程遭受如
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();

图 6 对象实例布局
图片 10

在以上代码中, smallObj 会动用 0 作为它的开局的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创制一个 syncblk 入口并应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 语句并行使 Monitor 类,一个当作同步的
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 )到非托管代码时使用,可是这和超人的靶子用处无关。
系列句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在证实实例变量后探究类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情形下,实例域会以内存最有效行使的办法排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有一对不一尺寸的实例变量。

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。大家在图 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。因为大家从未用任何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,指向最先地方的 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。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
堆中分配的其实的字符串实例。字符串是一个特意的序列,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模一样实例。这么些进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的采取。我们前面早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可能接纳是否利用那个进程,即便将来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

所以默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的意况下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以应用
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,它没有影响托管的布局(不过 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在互相操作的状态下,假使你真的需要非常的填充字节和体现的控制域的依次,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 Field(Field)Offset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们利用 SOS 看看对象实例。一个有效的命令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专程类型的享有实例。无需倚重寄存器,
DumpHeap 可以显得我们成立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

对象的总大小是 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,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,大家可以运用 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
(对于社团接纳 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家得以行使 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空间,如下所示:

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

假如你从目标图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重( 36
字节),就可以赢得 str 的高低,即 36 字节。让我们输出 str
实例来证实那个结果:

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

假若你将字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可以拿到ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不了然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。

本着方法表的序列句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创造前,CLR查看加载类型,倘若没有找到,则实行加载,得到方法表地址,创造对象实例,然后把品种句柄值追加到对象实例中。JIT编译器爆发的代码在开展情势分派时选取项目句柄来稳定方法表。CLR在需要史可以透过艺术表反向访问加载类型时接纳项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩大程序用于本文化的展现CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一片段,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程此前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文件夹到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 窗口中实践 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一部分发令,关于SOS更多音信,参考这里

图片 12
方法表

方法表

各样类和实例在加载到使用程序域时,会在内存中经过措施表来表示。这是在对象的率先个实例创制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爆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讯可以通过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的类型句柄指向方法表先河地点的偏移处,偏移量默认境况下是12字节,包含了GC音讯。大家不打算在此地对其进展座谈。

图 9
彰显了章程表的一级布局。大家会评释项目句柄的一对至关首要的域,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)起先,因为它一向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括的靶子的深浅,基于代码中声称的域。往日已经研商过,当前GC的实现需要一个至少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。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。再说一回,对象的分寸会遭受StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中呈现的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命令的输出:

!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
办法槽表(Method Slot Table)

主意槽表(Method Slot Table)

在点子表中涵盖了一个槽表,指向各种艺术的描述(MethodDesc),提供了项目标行为能力。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。

类加载器在当下类,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,它替换所有的被遮住的虚方法和被埋伏的父类方法,创制新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必备的,它可以让各个接口有投机的细小的vtable。可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#编译器为保有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为大家定义并先导化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10显示了MyClass的方法表的布局。布局突显了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下面我们会进展座谈。图11来得了MyClass的主意表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
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()

其他类型的起首4个办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,然而都对准相同的方法描述。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。

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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。有两种档次的不二法门描述,除了用于托管实现,分别用于不同的并行操作实现的调用。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来得了一个头名的布局,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。对于实际的主意描述,这是-5字节的偏移,是各种方法的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授命。5字节的舞狮可以从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后边的5个字节。在首先次调用时,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代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12形式描述

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图12的法门表槽指向的代码举办反汇编,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展现。

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

当今大家进行此模式,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

在此地方,只有开端5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的办法描述的数目。“!u”命令不精晓这点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的有所东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的对立虚地址(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编译前后的章程描述的内容:

!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

办法的这一个标志域的编码包含了点子的品类,例如静态,实例,接口方法仍旧COM实现。让我们看方法表此外一个扑朔迷离的上边:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得这点看起来简单。然后,大家将表达接口怎样进展布局和基于接口的格局分派的适度工作方法。

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)

在模式表的第12字节偏移处是一个根本的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个采纳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设。每个接口的落实都在接口虚表中有一个记录。如若MyInterface1被七个类实现,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开首地方,如图9所示。这是接口方法分派爆发时行使的引用。接口虚表是依据方法表内含的接口图音信创立,接口图在点子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措施表中的接口消息记录。在这种场所下,对MyClass实现的五个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的先河4个字节指向MyInterface1的花色句柄(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意味着由近来类实现)。在声明后的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,先导槽的值为4(从0起先编号),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。类加载器会在需要时复制槽来爆发这么的效果:每个接口有协调的兑现,然则物理映射到平等的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

依据接口的情势分派通过接口虚表举办,而直接的方法分派通过保留在逐个槽的法子描述地址举行。如往日提及,.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,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到这一点:

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

这个反汇编呈现了平昔调用MyClass的实例方法没有应用偏移。JIT编译器把办法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暴发,和直接分派相比较需要部分十分的下令。一个下令用来得到接口虚表的地址,另一个拿走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指针到目标的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的目的引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

前几日我们看看虚分派,并且和依照接口的摊派举行对比。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定点的槽编号发生,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贯彻代替父类的贯彻。结果,对父对象的措施调用被分摊到子对象的实现。反汇编突显了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这或多或少。

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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。作为艺术表的一部分,它们分配在点子表的槽数组后。所有的原来静态类型是内联的,而对于协会和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创制的对象引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上创立的靶子实例。一旦创造后,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。

图片 22
EEClass

EEClass

EEClass在艺术表创设前开头生活,它和措施表组成起来,是系列阐明的CLR版本。实际上,EEClass和艺术表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个项目),只不过因为使用频度的不比而被分开。平常采纳的域放在方法表,而不日常使用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的新闻(如名字,域和摇头)在EEClass中,然则运行时需要的音信(如虚表槽和GC消息)在措施表中。

对每一个类型会加载一个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构成。在执行托管代码的历程中,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还有一个水准的关系。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只显示了和这一个议论相关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,大家并未在图中至极显示偏移。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累累堆分配的法门描述块。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新闻。EEClass在应用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,由此削减了工作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们明天探视使用SOS输出的EEClass的的确的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的主次。首先拔取命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.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。现在我们获取了EEClass的地址,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,可以领略图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)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们能够在经过接口举办摊派时被认为是虚函数并到场到列表中。把.cctor和.ctor参预到列表中,你会得到总共10个点子。最终列出的是类的多少个静态域。MyClass没有实例域。别的域不言自明。

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Conclusion结论

结论

大家关于CLR一些最要紧的内在的研讨旅程终于截至了。显著,还有许多题材亟需涉及,而且亟需在更深的层系上探究,但是我们期望这足以扶持您看到东西如何是好事。这里提供的成百上千的新闻或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,然而尽管本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该维持不变。

乘机通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其进展深切领会会帮忙您建立行之有效的工业强度的应用程序。在本文中,大家将探索CLR内部,包括对象实例布局,方法表布局,方法分派,基于接口的分摊和不同的数据结构。

俺们将使用C#编制的大概代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处研商的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是关键概念应该维持不变。大家选择Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩充Son of Strike
(SOS)来查看本文琢磨的数据结构。SOS通晓CLR的其中数据结构并出口有用音讯。请参考“Son
of Strike”补充材料,了解怎样将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,我们将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有对应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将帮扶您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

在大家起始前,请留心:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1可行(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的意况下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改动,所以请不要在构建软件时信赖于这么些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会创制五个使用程序域。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,这个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是运用了单件(Singleton)情势。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,默认的域名由可举行映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中行使AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中动用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额成立多少个域。

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)

系统域负责创制和伊始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,它的拍卖措施显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。即便如此,由于在有着的使用程序域中对一个特定的标记只保留一个应和的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还背负爆发过程范围的接口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。系统域在经过中维系跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的效能。

图片 27回去页首

共享域(Shared Domain)

持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。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的中央项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被事先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时选取由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,方法是接纳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依赖关系的查找表,那些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的行使程序域。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)

默认域是运用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在内部运行。即便有些应用程序需要在运作时缔造额外的施用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一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创造一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。如若一个应用程序有多少个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音讯方可选用System.ContextBoundObject派生的类型成立。每个应用程序域有友好的平安描述符(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 29回来页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功能是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的满贯生命期内存在的预制构件。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。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)。

从高层次精通域后,大家准备看看它们在一个简单的应用程序的内外文中的物理细节,见图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看Son
of
Strike
打听SOS的加载音讯)。这里是编制后的出口:

!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,Sample1.exe,被加载到一个名为“Sample1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是因为它是主题系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用同一的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有呈现加载器堆的保留尺寸和已交付尺寸。高频堆的最先化大小是32KB,每一回提交4KB。SOS的出口也尚未出示接口虚表堆(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起始化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,先导时提交4KB。大家将会在此起彼伏部分研商项目布局时琢磨IVMap的意思。

图2展现默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于还是超过85000字节的对象),它阐明了这多少个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器暴发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。

图片 30回到页首

品类原理

类型是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式创制,但是,在专门的相互操作(interop)境况和远程对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,这个暴发的档次涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们透过一个饱含对象引用的栈起头研讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例先导生命期的地点)。图4中显示的代码包含一个大概的主次,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的门类实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目的堆创造对象。虽然那是一段无聊的代码,可是能够襄助我们举办研讨。

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,它阐明在可能的场合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类入栈,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堆中分红的靶子的地方。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。不管如何,它含有了一个对象实例的地方,大家将运用术语对象实例(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,图中呈现的轻重为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的靶子的处理和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在一般GC堆上创立,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。每个阐明的体系有一个方法表,而相同品种的装有目的实例都指向同一个方法表。它含有了序列的性状音信(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的首要数据结构。在模式表创造前,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。加载器堆和运用程序域关联,那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磨灭。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这一个代码的生存期是截止CLR关闭截至。

图片 32回到页首

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上创立。图6呈现了一个第一名的对象布局。一个目的可以透过以下途径被引述:基于栈的局部变量,在相互操作如故平台调用情形下的句柄表,寄存器(执行形式时的this指针和章程参数),拥有终结器(finalizer)方法的目的的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的起初地方,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起来计数的syncblk编号。因为经过索引进行连接,所以在急需扩张表的大大小时辰,CLR可以在内存中移动那个表。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还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个对象的持有实例使用的灵光的消息。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和利用程序域的目录。对于绝大多数的靶子实例,不会为实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。那点在推行线程境遇如lock(obj)或者obj.GetHashCode的话语时会爆发变化,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作为它的开端的syncblk编号。lock语句使得CLR创立一个syncblk入口并应用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩大为try-finally语句并采用Monitor类,一个当作同步的Monitor对象在syncblk上创办。堆GetHashCode的调用会使用对象的哈希编码增添syncblk。

在SyncBlock中有此外的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时接纳,可是那和非凡的靶子用处无关。

花色句柄紧跟在目的实例中的syncblk编号后。为了保持连续性,我会在证实实例变量后探讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情状下,实例域会以内存最可行选拔的措施排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码彰显了SimpleClass包含有局部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地址在内存窗口呈现对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们没有用此外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,指向先河地方的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协同。五个short类型变量s1和s2也被排列在一道。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。字符串是一个专程的体系,因为有着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相同实例。这一个进程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的行使。我们事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以采用是否使用那多少个进程,即便将来版本的CLR可能会提供这么的力量。

从而默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的动静下,词典顺序必须被保存到内存中,那时可以运用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,固然在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(可是.NET Framework
2.0也许会这么做)。在交互操作的状况下,假设您确实需要非凡的填充字节和体现的控制域的顺序,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。一个卓有效用的通令是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的具备实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以彰显大家成立的绝无仅有一个实例的地点。

!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

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,大家得以行使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

正如此前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于协会采用LayoutType.Sequential);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以行使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)

假如您从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的深浅(36字节),就可以得到str的轻重,即36字节。让我们输出str实例来声明这些结果:

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

万一你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),就可以取得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不包含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;由此它们不会被这么些命令报告。

针对方法表的类型句柄在syncblk编号后分配。在目的实例成立前,CLR查看加载类型,假若没有找到,则举办加载,拿到方法表地址,创立对象实例,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展开情势分派时行使项目句柄来恒定方法表。CLR在需要史可以透过艺术表反向访问加载类型时使用项目句柄。

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方法表

每个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。这是在目的的第一个实例创立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情景,而艺术表表示了表现。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)。方法表包含的音信和外挂的消息方可由此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的体系句柄指向方法表先导地方的舞狮处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC消息。大家不打算在这里对其进行商量。

图9显示了点子表的卓著布局。我们会注明项目句柄的一对要害的域,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)先导,因为它直接涉及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计的对象的轻重缓急,基于代码中宣称的域。在此以前曾经商量过,当前GC的落实内需一个足足12字节的对象实例。如若一个类没有概念任何实例域,它起码含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和体系句柄占用。再说五次,对象的分寸会见临StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中显得的MyClass(有多个接口)的方法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举行相比较。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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措施槽表(Method Slot Table)

在艺术表中隐含了一个槽表,指向各样艺术的讲述(MethodDesc),提供了项目标行为能力。方法槽表是按照方法实现的线性链表,依据如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在近来类,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,创建新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必不可少的,它可以让每个接口有和好的微小的vtable。可是被复制的槽指向平等的大体实现。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#编译器为富有没有显式定义构造函数的靶子自动生成。因为大家定义并先导化了一个静态变量,编译器会转变一个类构造函数。图10展现了MyClass的主意表的布局。布局显示了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下面大家会进行研商。图11显示了MyClass的不二法门表的SOS的出口。

其他类型的开头4个艺术总是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,不过都针对相同的法门描述。代码彰显定义的.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)

模式描述(MethodDesc)是CLR知道的点子实现的一个包裹。有两种档次的主意描述,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生出,起初化为指向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来得了一个天下无双的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的不二法门描述数据结构。对于实际的格局描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的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命令。5字节的撼动能够从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边的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代码的白白跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的点子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显示。

!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

现在我们实践此情势,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,只有起先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的方法描述的数据。“!u”命令不知底这一点,所以生成的是无规律的代码,你能够忽略5个字节后的享有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的相持虚地址(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编译前后的主意描述的始末:

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

编译后,方法描述的始末如下:

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

措施的这多少个标志域的编码包含了办法的连串,例如静态,实例,接口方法依然COM实现。让大家看方法表其余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,让托管环境觉得那点看起来大概。然后,大家将表明接口如何进展布局和依照接口的措施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建。每个接口的落实都在接口虚表中有一个笔录。即使MyInterface1被四个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的先河地点,如图9所示。这是接口方法分派暴发时使用的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图消息创制,接口图在章程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。在这种情景下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口新闻记录的上马4个字节指向MyInterface1的品种句柄(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意味由近年来类实现)。在表明后的WORD是一个方始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开头槽的值为4(从0最先编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起头槽的值为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生这么的功力:每个接口有投机的实现,然则物理映射到同样的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

据悉接口的方法分派通过接口虚表进行,而一直的法子分派通过保留在各样槽的办法描述地址举办。如在此以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,初步2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是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

这么些反汇编显示了一向调用MyClass的实例方法没有动用偏移。JIT编译器把办法描述的地点直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表产生,和直接分派相相比较需要部非常加的下令。一个限令用来取得接口虚表的地址,另一个得到形式槽表中的接口实现的最先槽。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的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

现今大家看看虚分派,并且和依据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恒定的槽编号爆发,和章程表指针在特定的类(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实现代替父类的兑现。结果,对父对象的法门调用被分摊到子对象的贯彻。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的输出看到那一点。

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静态变量

静态变量是措施表数据结构的严重性组成部分。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对象引用,它引用了堆上创立的对象实例。一旦创建后,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指向句柄表的目标引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在措施表创造前开端生活,它和艺术表组成起来,是类别讲明的CLR版本。实际上,EEClass和形式表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品类),只可是因为运用频度的不比而被分手。平时使用的域放在方法表,而不经常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的消息(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时需要的新闻(如虚表槽和GC音信)在艺术表中。

对每一个系列会加载一个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使用这一个网络在EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,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构成。在实践托管代码的过程中,新的EEClass节点被插手,节点的涉嫌被补充,新的涉嫌被确立。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只显示了和这一个议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,大家从没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累累堆分配的艺术描述块。在情势表创建时,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在使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,由此削减了工作集。

图片 42

图13 EEClass 布局

图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们今日看望使用SOS输出的EEClass的实在的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先使用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的位置。

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

Name2EE的率先个参数时模块名,能够从DumpDomain命令得到。现在大家得到了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,可以了解图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的不二法门)。即便Method1和Method2不是虚方法,它们能够在通过接口举行分摊时被认为是虚函数并出席到列表中。把.cctor和.ctor插手到列表中,你会得到总共10个措施。最后列出的是类的四个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

图片 43重返页首

Conclusion结论

俺们关于CLR一些最重大的内在的研商旅程终于终止了。显明,还有许多题材需要涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,不过我们期望这能够襄助你看看东西怎么着工作。这里提供的多多的音信或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,不过就算本文提到的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(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软前几日的角色是帮衬客户基于.NET框架建立可扩充的零件框架。可以经过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发援助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩充(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛蒂(Charlotte),可以由此tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者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。闲暇时间她喜爱音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的稿子和另外开发者共享。可以由此ecaijw@msn.com联系她。

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