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,收集过程中发觉许多小说图都不全,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上创制应用程序的主角级基础架构,
多通晓点关于CLR的纵深认识会帮助你构建高速的, 工业级健壮的运用程序.
在这篇小说中, 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, 基于接口的分担, 和充足多彩的多寡结构.

俺们会使用由C#写成的万分简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为目的的.
研商的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过绝大多数的概念是不会变的. 我们会使用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够知情CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音信. 通篇,
我们会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中兼有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会援助你在探寻一些结构的时候到SSCLI中的音讯.

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

在我们开端前,请留心:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1卓有效能(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的景观下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改动,所以请不要在构建软件时依赖于那几个内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会成立多个应用程序域。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,这些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是选取了单件(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,默认的域名由可进行映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中拔取AppDomain.CreateDomain方法创设,或者在非托管的代码中使用ICORRuntimeHost接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会按照应用程序的数码创设四个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓

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系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创造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,并且爱护过程范围里边使用的含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,它的拍卖方法显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采纳此特性。虽然如此,由于在享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。系统域在过程中保障跟踪所有域,并落实加载和卸载应用程序域的效用。

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共享域(Shared Domain)

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。它会被电动加载到共享域中。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那么些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时利用由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特性注解Main方法。共享域还管理一个采纳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,这个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的使用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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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转时创设额外的施用程序域(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转期间只创建一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。即便一个应用程序有多个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制讯息方可选用System.ContextBoundObject派生的花色创设。每个应用程序域有和好的三门峡描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有自己的加载器堆(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。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效果是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的成套生命期内设有的预制构件。这么些堆的增进基于可预测块,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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次掌握域后,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调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看
Son of
Strike
领会SOS的加载信息)。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();
    }
}

咱俩的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为”山姆(Sam)ple1.exe”的运用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过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。

输出没有呈现加载器堆的保留尺寸和已交由尺寸。高频堆的开端化大小是32KB,每回提交4KB。SOS的出口也不曾显得接口虚表堆(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开始化阶段创造。IVMap保留大小是4KB,最先时提交4KB。我们将会在此起彼伏部分探讨项目布局时探讨IVMap的意义。

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(用于大小约等于仍然抢先85000字节的目的),它表明了这个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器发生x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目标堆是用以托管对象实例化的污物回收堆。

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品类原理

类型原理

项目是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以利用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类型由程序员显式创制,可是,在特另外并行操作(interop)情状和长途对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这个暴发的类别涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们透过一个分包对象引用的栈最先钻探.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例起先生命期的地方)。
图4中显得的代码包含一个粗略的主次,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创立一个SmallClass的门类实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目的堆创立对象。即便这是一段无聊的代码,可是足以扶持我们举办探究。

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 呈现了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的状态下将函数参数通过寄存器传递,而其他参数遵照从右到左的次第入栈,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以稳住大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分红的对象的地址。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么样,它蕴含了一个目标实例的地址,我们将使用术语对象实例(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

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貌似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,是实在的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的处理和小目的不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上制造,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时开展压缩。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。每个声明的项目有一个方法表,而平等品种的具备目的实例都对准同一个方法表。它包含了类其它特征信息(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。

办法表指向一个名为EEClass的重点数据结构。在措施表创造前,CLR类加载器从元数据中成立EEClass。
图4中,SmallClass的方法表指向它的EEClass。这个构造指向它们的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和利用程序域关联,这里提到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消失。而且,默认的运用程序域不会被卸载,所以这个代码的生存期是截止CLR关闭截至。

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对象实例

指标实例

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
显示了一个优异的对象布局。一个目标足以经过以下途径被引用:基于栈的有的变量,在竞相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 指针和方法参数),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开始地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对准 SyncTableEntry 表的目录(从 1
起首计数的 syncblk
编号。因为经过索引举行连接,所以在需要扩充表的轻重时, CLR
可以在内存中活动那一个表。 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
可以在未曾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拥有实例使用的管用的信息。这几个音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和接纳程序域的目录。对于绝大多数的目的实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这一点在实践线程碰着如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的说话时会暴发变化,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
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在以上代码中, smallObj 会利用 0 作为它的发端的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创造一个 syncblk 入口并动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 语句并利用 Monitor 类,一个当作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会动用对象的哈希编码增添 syncblk 。
在 SyncBlock 中有任何的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时行使,但是这和优异的目的用处无关。
花色句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会在证实实例变量后钻探类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在类型句柄后。默认情况下,实例域会以内存最实惠行使的艺术排列,那样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有局部例外尺寸的实例变量。

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,然后选择 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。因为大家从没用其他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,指向起头地方的 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。六个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
堆中分配的其实的字符串实例。字符串是一个专门的门类,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。这个过程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的应用。我们往日早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不能选取是否拔取这个进程,即使未来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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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,这时可以采用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,它从未影响托管的布局(然则 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在竞相操作的动静下,假若你实在需要非凡的填充字节和显示的控制域的一一,
LayoutKind.Explicit 能够和域层次的 菲尔德(Field)(Field)Offset 特性一起行使。

看完底层的内存内容后,大家应用 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特别类型的装有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以呈现大家创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: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 的对象引用。 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

正如从前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于协会采纳 LayoutType.Sequential
);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)

假设你从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大大小小( 36
字节),就可以取得 str 的分寸,即 36 字节。让大家输出 str
实例来证实那么些结果:

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

假设你将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大小(36字节),就可以收获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不晓得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。

针对方法表的系列句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创设前,CLR查看加载类型,假使没有找到,则展开加载,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编译器暴发的代码在进展模式分派时利用项目句柄来定位方法表。CLR在需要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调试器扩充程序用于本文化的展现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加载到过程此前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文本夹到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
获取调试相关的一些发令,关于SOS更多消息,参考这里

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方法表

方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。那是在目的的率先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是场馆,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发生的照耀到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯和外挂的新闻可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以通过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的品类句柄指向方法表起首地点的晃动处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC消息。大家不打算在此地对其展开座谈。

图 9
显示了措施表的一枝独秀布局。我们会评释项目句柄的有些重中之重的域,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)开头,因为它一向涉及到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

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基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器总结的目的的高低,基于代码中声称的域。在此之前早已商讨过,当前GC的贯彻需要一个起码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。其它的8个字节被对象头(可能包含syncblk编号)和类型句柄占用。再说一回,对象的轻重会遭到StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中显示的MyClass(有多个接口)的法门表的内存快照(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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艺术槽表(Method Slot Table)

模式槽表(Method Slot Table)

在点子表中带有了一个槽表,指向各样艺术的讲述(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,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。

类加载器在脚下类,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隐形的父类方法,创制新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必备的,它可以让各类接口有谈得来的细微的vtable。不过被复制的槽指向平等的物理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目标构造函数(.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目的自动生成。因为我们定义并伊始化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10体现了MyClass的格局表的布局。布局显示了10个法子,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下面我们会举行切磋。图11来得了MyClass的主意表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
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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()

另外类型的最先4个方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。那多少个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,不过都指向相同的法子描述。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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措施描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的不二法门实现的一个打包。有三种档次的格局描述,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发出,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显示了一个出色的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实在的法门描述数据结构。对于实际的章程描述,这是-5字节的舞狮,是各样方法的8个叠加字节的一部分。那5个字节包含了调用预编译代理程序的授命。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的岗位后边的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代码的白白跳转指令覆盖。

图 12主意描述

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图12的艺术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

当今大家举办此措施,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

在此地方,唯有开端5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的法门描述的数码。“!u”命令不精通这点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的拥有东西。

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。让我们从列出的函数中采取一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的方法描述的始末:

!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

模式的那多少个标志域的编码包含了章程的门类,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让我们看方法表另外一个繁杂的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的扑朔迷离,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,我们将表明接口怎么样进行布局和依据接口的点子分派的恰到好处工作方法。

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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字节偏移处是一个第一的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个接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在接口类型第四回加载时创建。每个接口的落实都在接口虚表中有一个笔录。倘使MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有两个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的发端地点,如图9所示。这是接口方法分派暴发时采取的引用。接口虚表是依据方法表内含的接口图信息创立,接口图在模式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点子表中的接口消息记录。在这种情状下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口新闻记录的先河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象征由最近类实现)。在表明后的WORD是一个起先槽(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开头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,初始槽的值为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能:每个接口有温馨的实现,可是物理映射到同样的方法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

据悉接口的章程分派通过接口虚表进行,而直接的措施分派通过保留在相继槽的艺术描述地址举办。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,先河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”语句看到那点:

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

这多少个反汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法没有拔取偏移。JIT编译器把措施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,和间接分派相相比较需要一些附加的吩咐。一个限令用来收获接口虚表的地点,另一个得到情势槽表中的接口实现的开头槽。而且,把一个对象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。

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虚分派(Virtual Dispatch)

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位的槽编号暴发,和办法表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在艺术表布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的实现。结果,对父对象的主意调用被分派到子对象的贯彻。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。

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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关键组成部分。作为艺术表的一局部,它们分配在艺术表的槽数组后。所有的本来面目静态类型是内联的,而对于社团和引用的档次的静态值对象,通在句柄表中创立的对象引用来针对。方法表中的目的引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上成立的对象实例。一旦创制后,句柄表内的目标引用会使堆上的目标实例保持生存,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

EEClass在章程表创立前开端生活,它和办法表组成起来,是类别讲明的CLR版本。实际上,EEClass和章程表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档次),只但是因为使用频度的两样而被分手。通常应用的域放在方法表,而不平日利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时需要的信息(如虚表槽和GC音信)在措施表中。

对每一个档次会加载一个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使用这些网络在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咬合。在执行托管代码的历程中,新的EEClass节点被出席,节点的涉及被补充,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有七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只显示了和这多少个议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中的一些域,大家尚无在图中非常呈现偏移。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法门描述块。在格局表创造时,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新闻。EEClass在动用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的开展内存分页管理,因此减弱了办事集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们明日看望使用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的次第。首先利用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在大家赢得了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的出口看起来完全一致。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,能够清楚图13显得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的法子)。固然Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口举行分摊时被认为是虚函数并插手到列表中。把.cctor和.ctor参与到列表中,你会收获总共10个艺术。最后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

结论

俺们关于CLR一些最关键的内在的啄磨旅程终于终止了。显著,还有不少题目亟需涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,不过大家希望这可以扶持您看看东西如何做事。这里提供的累累的信息或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,不过虽然本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保障不变。

乘胜通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其进展深切领悟会支援你建立行之有效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,基于接口的分担和不同的数据结构。

咱俩将使用C#编纂的简约代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处琢磨的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,不过重要概念应该维持不变。大家应用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩充Son of Strike
(SOS)来查阅本文探讨的数据结构。SOS了解CLR的内部数据结构并出口有用信息。请参见“Son
of Strike”补充材料,领会咋样将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的历程空间。本文中,大家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将扶持你在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的社团。

在大家开头前,请小心:本文提供的新闻只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1实惠(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在一些交互操作的状态下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时倚重于这一个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)成立的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创设五个应用程序域。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,这多少个域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)形式。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,默认的域名由可进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方法创造,或者在非托管的代码中采纳ICORRuntimeHost接口成立。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码创造四个域。

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2 由CLR启动程序创制的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创造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,并且体贴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,它的拍卖方法显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会拔取此特性。就算如此,由于在具备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。系统域在经过中保障跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的效益。

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共享域(Shared Domain)

怀有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是必要的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的主干类型,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。用户代码也得以被加载到这多少个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时使用由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特性注明Main方法。共享域还管理一个用到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,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他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。

365bet体育投注 28再次回到页首

默认域(Default Domain)

默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里头运行。尽管有些应用程序需要在运行时创制额外的利用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重点的运转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四个应用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制信息方可应用System.ContextBoundObject派生的品种创造。每个应用程序域有温馨的平安描述符(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。

365bet体育投注 29回到页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的效劳是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的万事生命期内设有的构件。那多少个堆的增强基于可预测块,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。平日访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番两遍堆上,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大概的应用程序的光景文中的物理细节,见图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看Son
of
Strike
了然SOS的加载信息)。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

咱俩的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为“Sample1.exe”的运用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是因为它是中央系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡屡堆,低频堆和代办堆。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。

出口没有呈现加载器堆的保存尺寸和已提交尺寸。高频堆的最先化大小是32KB,每一趟提交4KB。SOS的输出也一贯不显示接口虚表堆(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阶化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,开首时交由4KB。我们将会在继承部分研商项目布局时研究IVMap的意义。

图2呈现默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相当于如故超过85000字节的靶子),它申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垃圾堆回收堆。

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类型原理

品种是.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成立,但是,在专门的相互操作(interop)情状和长途对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这个暴发的品种涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家通过一个含有对象引用的栈起首研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例先导生命期的地点)。图4中体现的代码包含一个简单易行的顺序,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的品类实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示如何在大目标堆成立对象。即便这是一段无聊的代码,可是足以援救我们举办琢磨。

图5显示了截至在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它注脚在可能的境况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点。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,它涵盖了一个目的实例的地方,我们将接纳术语对象实例(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

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,图中体现的轻重缓急为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的靶子的拍卖和小目的不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上成立,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会减价扣,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),指向对应项目的方法表。每个注脚的体系有一个方法表,而平等品种的装有目的实例都指向同一个方法表。它含有了序列的特性信息(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的重中之重数据结构。在模式表创建前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4中,SmallClass的章程表指向它的EEClass。这些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其中,就直到应用程序域卸载时才会烟消云散。而且,默认的运用程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是停止CLR关闭截至。

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上成立。图6展现了一个独立的对象布局。一个目的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状况下的句柄表,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初阶地方,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上马计数的syncblk编号。因为经过索引举办连接,所以在需要增添表的深浅时,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还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个对象的享有实例使用的实用的音信。这一个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和利用程序域的目录。对于绝大多数的目的实例,不会为实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这点在执行线程遭受如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言辞时会暴发变化,如下所示:

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

在以上代码中,smallObj会使用0作为它的苗子的syncblk编号。lock语句使得CLR创造一个syncblk入口并行使相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩大为try-finally语句并应用Monitor类,一个看成同步的Monitor对象在syncblk上创建。堆GetHashCode的调用会动用对象的哈希编码扩大syncblk。

在SyncBlock中有此外的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,但是那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琢磨类型句柄。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办法排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有局部不等尺寸的实例变量。

图8展现了在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,然后选用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。因为大家平昔不用任何共同代码应用此实例(也尚未访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的对象实例,指向起初地方的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联合。六个short类型变量s1和s2也被排列在同步。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分红的实际的字符串实例。字符串是一个专程的类别,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等同实例。这多少个过程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的使用。我们事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以接纳是否采用这一个进程,即使将来版本的CLR可能会提供这么的力量。

就此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的状况下,词典顺序必须被保存到内存中,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,虽然在.NET
Framework 1.1中,它从不影响托管的布局(可是.NET Framework
2.0或者会如此做)。在互相操作的场馆下,假诺你实在需要至极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)(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。一个灵光的授命是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的所有实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以呈现我们创设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,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,大家得以利用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

正如以前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于社团选择LayoutType.Sequential);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们能够利用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)

设若您从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的分寸(36字节),就可以取得str的尺寸,即36字节。让我们输出str实例来验证那个结果:

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

如若您将字符串实例的大小(36字节)加上SimpleClass实例的轻重缓急(36字节),就可以拿走ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不分包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;由此它们不会被那一个命令报告。

本着方法表的系列句柄在syncblk编号后分配。在目的实例创制前,CLR查看加载类型,要是没有找到,则展开加载,拿到方法表地址,成立对象实例,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举行格局分派时使用项目句柄来恒定方法表。CLR在需要史可以因此艺术表反向访问加载类型时采纳项目句柄。

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方法表

各类别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。这是在对象的首先个实例创立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是状况,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照耀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。对象实例包含的档次句柄指向方法表起先地点的偏移处,偏移量默认境况下是12字节,包含了GC音讯。我们不打算在此处对其进展座谈。

图9显示了点子表的出众布局。我们会声明项目句柄的一些第一的域,不过对于截然的列表,请参见此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)起首,因为它一直关系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统计的靶子的分寸,基于代码中评释的域。在此以前已经啄磨过,当前GC的兑现内需一个起码12字节的靶子实例。假诺一个类没有概念任何实例域,它起码含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和类别句柄占用。再说五次,对象的深浅会受到StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中显得的MyClass(有六个接口)的点子表的内存快照(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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主意槽表(Method Slot Table)

在点子表中含有了一个槽表,指向各样艺术的描述(MethodDesc),提供了项目标行为能力。方法槽表是依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。

类加载器在现阶段类,父类和接口的元数据中遍历,然后创制方法表。在排列过程中,它替换所有的被掩盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创造新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必不可少的,它可以让各种接口有协调的很小的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)和目标构造函数(.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对象自动生成。因为我们定义并起头化了一个静态变量,编译器会变动一个类构造函数。图10来得了MyClass的法子表的布局。布局显示了10个办法,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会展开座谈。图11显示了MyClass的法门表的SOS的输出。

任何项目的始发4个办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是都对准相同的法子描述。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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主意描述(MethodDesc)

模式描述(MethodDesc)是CLR知道的不二法门实现的一个包装。有两种档次的情势描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互相操作实现的调用。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爆发,初步化为指向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展现了一个压倒元白的布局,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个附加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。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前边的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代码的无偿跳转指令覆盖。

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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,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

如今我们执行此办法,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

在此地方,只有起始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的章程描述的数额。“!u”命令不了然这一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的装有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有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挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的情势描述的始末:

!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

措施的这个标志域的编码包含了措施的门类,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让大家看方法表此外一个繁杂的方面: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,我们将表达接口如何举办布局和依照接口的办法分派的适合工作办法。

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接口虚表图和接口图

在点子表的第12字节偏移处是一个最首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个施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设。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个笔录。假如MyInterface1被五个类实现,在接口虚表表中就有三个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的启幕地方,如图9所示。这是接口方法分派暴发时接纳的引用。接口虚表是遵照方法表内含的接口图音讯创立,接口图在模式表布局过程中基于类的元数据创制。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

365bet体育投注,第28字节位置的接口图会指向内含在点子表中的接口信息记录。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。第一条接口音讯记录的发端4个字节指向MyInterface1的花色句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0象征从父类派生,1象征由如今类实现)。在讲明后的WORD是一个开头槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开首槽的值为4(从0起始编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起初槽的值为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如此的效能:每个接口有温馨的实现,不过物理映射到同一的不二法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

据悉接口的法门分派通过接口虚表举办,而直接的章程分派通过保留在相继槽的措施描述地址进行。如以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,起头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

这一个反汇编彰显了第一手调用MyClass的实例方法没有采取偏移。JIT编译器把艺术描述的地方直接写到代码中。基于接口的分摊通过接口虚表爆发,和平昔分派比较需要有的分外的通令。一个命令用来获取接口虚表的地方,另一个拿走形式槽表中的接口实现的起先槽。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”使用一个命令把mc的目的引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

前天我们看看虚分派,并且和依据接口的分摊进行比较。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稳定的槽编号发生,和章程表指针在特定的类(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,对父对象的方法调用被分摊到子对象的实现。反汇编呈现了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这点。

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静态变量

静态变量是情势表数据结构的紧要组成部分。作为艺术表的一有些,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对象引用,它引用了堆上创造的对象实例。一旦创设后,句柄表内的目标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在形式表创立前伊始生活,它和章程表组成起来,是连串声明的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种),只可是因为运用频度的不等而被分别。平时使用的域放在方法表,而不平常应用的域在EEClass中。那样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和偏移)在EEClass中,然而运行时索要的信息(如虚表槽和GC音信)在格局表中。

对每一个项目会加载一个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。在执行托管代码的进程中,新的EEClass节点被参与,节点的涉嫌被补充,新的涉嫌被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的关联。EEClass有多少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只显示了和这一个商讨有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,大家从未在图中合适彰显偏移。EEClass有一个间接的对于措施表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的频繁堆分配的法子描述块。在章程表创建时,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在运用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的拓展内存分页管理,由此减弱了办事集。

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图13 EEClass 布局

图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。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。现在我们得到了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的出口看起来完全相同。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,可以清楚图13展现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的点子)。即便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投入到列表中。把.cctor和.ctor出席到列表中,你会取得总共10个方法。最后列出的是类的六个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

俺们关于CLR一些最重大的内在的探索旅程终于终止了。显明,还有不少题目亟需涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,可是大家希望这可以襄助您看到东西如何行事。这里提供的不在少数的音讯或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,可是虽然本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该保障不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(休斯(Hughes)顿)的一名架构师。他在微软前些天的角色是帮扶客户基于.NET框架建立可扩充的机件框架。能够通过hanuk@microsoft.com联系他。

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

翻译者卢克(Luke)是微软公司的软件工程师,习惯使用C++和C#开发应用程序。闲暇时光他欣赏音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意帮助MSDN翻译更多的篇章和其他开发者共享。可以透过ecaijw@msn.com联系她。

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