原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发表日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发现众多篇章图都不全,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。
  • 目的布局和内存细节。
  • 方法表布局。
  • 主意分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创办应用程序的主角级基础架构,
多精晓点关于CLR的纵深认识会帮忙你构建高速的, 工业级健壮的使用程序.
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, 和各样各个的数额结构.

俺们会利用由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#言语为目的的.
啄磨的一对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. 我们会利用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数额结构.
SOS可以通晓CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的信息. 通篇,
我们会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中颇具相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会帮衬你在追寻一些构造的时候到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,请小心:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1灵光(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在一些交互操作的气象下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时倚重于那多少个内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

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。其中三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,这么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)格局。第五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。另外的域能够在托管代码中拔取AppDomain.CreateDomain方法创制,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,对于特定的网站会依照应用程序的多少成立多少个域。

图 2 由CLR启动程序创造的域 ↓

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系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创建和初叶化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保养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,它的拍卖方法显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采用此特性。即使如此,由于在拥有的接纳程序域中对一个一定的标记只保留一个相应的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还负责暴发过程范围的接口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。系统域在过程中维系跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的效能。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

持有不属于其余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。它会被活动加载到共享域中。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。用户代码也足以被加载到这些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时拔取由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,方法是采纳System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个采用基地址作为目录的次第集映射图,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)和其他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。

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默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

默认域是选拔程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。虽然有些应用程序需要在运作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作期间只开创一个域。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讯可以运用System.ContextBoundObject派生的类型创制。每个应用程序域有协调的平安描述符(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,低频堆和代办堆),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)

加载器堆的效率是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的漫天生命期内存在的预制构件。这个堆的提升基于可预测块,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五个堆),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,分配在反复堆上,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)。

从高层次精通域后,大家准备看看它们在一个简短的应用程序的左右文中的情理细节,见
图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器增加命令DumpDomain来输出域的新闻。(请查看
Son of
Strike
叩问SOS的加载消息)。这里是编辑后的输出:

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();
    }
}

我们的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”山姆ple1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过因为它是着力系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个再三堆,低频堆和代办堆。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。

出口没有显示加载器堆的保存尺寸和已提交尺寸。高频堆的初步化大小是32KB,每一次提交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起先化阶段创立。IVMap保留大小是4KB,起始时交由4KB。我们将会在继续部分探讨项目布局时钻探IVMap的含义。

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(用于大小相等仍旧领先85000字节的目的),它表达了那一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堆和大目的堆是用来托管对象实例化的垃圾堆回收堆。

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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设,但是,在特此外相互操作(interop)情形和长距离对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发生类型,那么些发生的门类涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩由此一个包含对象引用的栈先河探究.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例起先生命期的地方)。
图4中展现的代码包含一个简短的次第,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的档次实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目的堆成立对象。即便那是一段无聊的代码,不过足以襄助我们开展座谈。

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 展现了结束在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表明在可能的气象下将函数参数通过寄存器传递,而其余参数按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堆中分红的靶子的地点。对于传统C++,那是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它包含了一个目的实例的地方,大家将拔取术语对象实例(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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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,图中彰显的轻重缓急为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。大目的在大目标堆(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不会削减,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的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个注解的档次有一个方法表,而平等档次的具有目的实例都对准同一个方法表。它含有了档次的性状音信(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。

办法表指向一个名为EEClass的首要数据结构。在点子表创立前,CLR类加载器从元数据中创立EEClass。
图4中,SmallClass的措施表指向它的EEClass。这一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,默认的拔取程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是结束CLR关闭截至。

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对象实例

目标实例

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 上制造。图 6
呈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:基于栈的局部变量,在互动操作依旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行格局时的
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初步地方,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开首计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连续,所以在需要扩充表的轻重缓急时, CLR
可以在内存中活动这一个表。 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
可以在尚未其它强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目的的有着实例使用的可行的信息。这一个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和使用程序域的目录。对于多数的目的实例,不会为实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在履行线程遭逢如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的口舌时会暴发变化,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 会拔取 0 作为它的开局的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创立一个 syncblk 入口并行使相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩充为 try-finally 语句并利用 Monitor 类,一个当做同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会动用对象的哈希编码扩大 syncblk 。
在 SyncBlock 中有另外的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时使用,但是这和超绝的目的用处无关。
项目句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会在认证实例变量后研究类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在类型句柄后。默认情状下,实例域会以内存最得力应用的措施排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码呈现了 SimpleClass 包含有部分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 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,然后利用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口展现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为大家尚无用别样共同代码应用此实例(也不曾访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,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协同。六个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
堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个专程的体系,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模一样实例。这么些过程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的采纳。我们后面早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可以采用是否利用这些进程,尽管将来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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于是默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的动静下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以行使
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,即便在 .NET Framework 1.1
中,它从不影响托管的布局(然则 .NET Framework 2.0
可能会这样做)。在互相操作的情事下,假若您真的需要额外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 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,我们运用 SOS 看看对象实例。一个实惠的一声令下是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个特意类型的持有实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以显示我们成立的唯一一个实例的地点。

!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,我们可以运用 DumpObj 命令输出它的内容,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
(对于协会拔取 LayoutType.Sequential
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们可以动用 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)

假定你从目的图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的大小( 36
字节),就可以收获 str 的轻重缓急,即 36 字节。让我们输出 str
实例来声明这多少个结果:

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

一经您将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的高低(36字节),就足以获取ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不驾驭非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这几个命令报告。

针对方法表的连串句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创造前,CLR查看加载类型,假如没有找到,则举办加载,获得方法表地址,创立对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器暴发的代码在拓展艺术分派时使用项目句柄来恒定方法表。CLR在急需史可以由此艺术表反向访问加载类型时接纳项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩张程序用于本文化的呈现CLR数据结构的内容,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 窗口中实施 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的片段发令,关于SOS更多新闻,参考这里

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方法表

方法表

各类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创制前的类加载活动的结果。对象实例表示的是情形,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经过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以由此Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的档次句柄指向方法表起始地方的晃动处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC音讯。我们不打算在那边对其展开座谈。

图 9
展现了办法表的首屈一指布局。大家会注脚项目句柄的有些生死攸关的域,可是对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起始,因为它一直关联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

爱博体育,基实例大小是由类加载器总计的目的的大大小小,基于代码中宣称的域。此前早已商量过,当前GC的兑现内需一个最少12字节的目标实例。假设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(可能包含syncblk编号)和体系句柄占用。再说一回,对象的轻重缓急会境遇StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中显示的MyClass(有七个接口)的章程表的内存快照(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)

艺术槽表(Method Slot Table)

在模式表中富含了一个槽表,指向各类艺术的描述(MethodDesc),提供了花色的行为能力。方法槽表是遵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。

类加载器在当前类,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隐形的父类方法,创设新的槽,在需要时复制槽。槽复制是必备的,它可以让各样接口有友好的细微的vtable。不过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)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为有着没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为我们定义并开端化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10显示了MyClass的点子表的布局。布局突显了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下面我们会展开座谈。图11体现了MyClass的艺术表的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()

其它项目标发轫4个点子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都针对相同的主意描述。代码展现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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措施描述(MethodDesc)

模式描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)是CLR知道的办法实现的一个打包。有几类别型的点子描述,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发生,开头化为指向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体现了一个出色的布局,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。对于实际的情势描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8个叠加字节的一有些。这5个字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节的撼动可以从SOS的DumpMT输出从观察,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艺术描述

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图12的办法表槽指向的代码进行反汇编,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显示。

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

现行咱们实施此模式,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,只有先导5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的情势描述的数据。“!u”命令不精晓这点,所以生成的是乱套的代码,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。让我们从列出的函数中挑选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的主意描述的内容:

!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

办法的这一个标志域的编码包含了法子的档次,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繁杂的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得那或多或少看起来简单。然后,我们将阐明接口如何进展布局和按照接口的章程分派的恰当工作办法。

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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,接口虚表指向一个选拔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制造。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个笔录。假使MyInterface1被四个类实现,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起首地点,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信息创制,接口图在点子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。

第28字节地点的接口图会指向内含在章程表中的接口信息记录。在这种景色下,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始发4个字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个评释占用(0代表从父类派生,1代表由目前类实现)。在注明后的WORD是一个从头槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,最先槽的值为4(从0先河编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起首槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来发生这么的效用:每个接口有友好的落实,不过物理映射到均等的点子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的兑现。

基于接口的情势分派通过接口虚表进行,而一直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,起初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

这个反汇编彰显了直接调用MyClass的实例方法没有应用偏移。JIT编译器把办法描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表暴发,和从来分派相相比较需要部分额外的一声令下。一个发令用来取得接口虚表的地址,另一个到服装模特式槽表中的接口实现的起来槽。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”使用一个指令把mc的对象引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现在大家看看虚分派,并且和依据接口的分担举办相比。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稳住的槽编号发生,和方法表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在章程表布局时,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。反汇编显示了分派通过8号槽暴发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是办法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。所有的原来静态类型是内联的,而对于协会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,它引用了堆上创制的对象实例。一旦创造后,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指向句柄表的目的引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在措施表创立前先导生活,它和章程表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个档次),只然而因为运用频度的两样而被分别。日常使用的域放在方法表,而不平时应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时需要的音讯(如虚表槽和GC音信)在艺术表中。

对每一个档次会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和社团。每个EEClass是一个被实践引擎跟踪的树的节点。CLR使用这么些网络在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组合。在实施托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被补充,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个程度的关联。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只展现了和那个啄磨有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,大家没有在图中合适显示偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的屡屡堆分配的不二法门描述块。在格局表成立时,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信息。EEClass在行使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,由此削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。我们前几天探视使用SOS输出的EEClass的真的的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先拔取命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地点。

!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命令得到。现在我们取得了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,能够知道图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)。即使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进入到列表中。把.cctor和.ctor参预到列表中,你会拿走总共10个主意。最终列出的是类的多少个静态域。MyClass没有实例域。其它域不言自明。

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Conclusion结论

结论

俺们关于CLR一些最着重的内在的探究旅程终于截止了。显明,还有为数不少问题需要涉及,而且需要在更深的层系上谈论,不过我们盼望这可以扶持你见到事物怎样工作。这里提供的居多的音信或者会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,可是即使本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该维持不变。

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,对其进展深切精晓会扶助您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,基于接口的分担和见仁见智的数据结构。

咱俩将使用C#编排的简便代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处研讨的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,可是最首要概念应该保持不变。大家使用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩大Son of Strike
(SOS)来查看本文商量的数据结构。SOS通晓CLR的里边数据结构并出口有用音信。请参考“Son
of Strike”补充资料,通晓怎么将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的进程空间。本文中,我们将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有照应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将协理您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的社团。

在大家初阶前,请小心:本文提供的音讯只对在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,只是在一些交互操作的景色下必须注意例外),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多少个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)制造的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会成立两个使用程序域。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。它们只好由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),都是使用了单件(Singleton)形式。第六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利用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中选拔ICORRuntimeHost接口成立。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目创造两个域。

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2 由CLR启动程序成立的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创造和初叶化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且怜惜过程范围之中选取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,它的拍卖情势显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选取此特性。即使如此,由于在具备的运用程序域中对一个一定的符号只保留一个对应的字符串,此特性可以省去内存空间。

系统域还承担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。系统域在经过中保障跟踪所有域,并贯彻加载和卸载应用程序域的功用。

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共享域(Shared Domain)

具备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。它会被机关加载到共享域中。系统命名空间的主导项目,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。用户代码也能够被加载到这些域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采取由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,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性阐明Main方法。共享域还管理一个接纳基地址作为目录的程序集映射图,此映射图作为管理共享程序集看重关系的查找表,这个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中创设的运用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

默认域是行使程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在内部运行。固然有些应用程序需要在运行时创立额外的选拔程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者进行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。倘诺一个应用程序有七个应用程序域,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可以利用System.ContextBoundObject派生的品种创造。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,接口虚表管理器和程序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的成效是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的总体生命期内设有的构件。这么些堆的增进基于可预测块,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。平日访问的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,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)。

从高层次明白域后,大家准备看看它们在一个概括的应用程序的上下文中的物理细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后拔取SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看Son
of
Strike
打听SOS的加载音信)。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

我们的控制台程序,山姆ple1.exe,被加载到一个名为“山姆ple1.exe”的采用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,然而因为它是中心系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代办堆。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。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸和已交给尺寸。高频堆的开头化大小是32KB,每趟提交4KB。SOS的出口也并未呈现接口虚表堆(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开始化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,开头时交由4KB。大家将会在继续部分探讨项目布局时钻探IVMap的意义。

图2呈现默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相等依然抢先85000字节的靶子),它表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堆和大目的堆是用于托管对象实例化的废物回收堆。

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项目原理

品种是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以采纳class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类别由程序员显式创造,不过,在专门的相互操作(interop)情况和远程对象调用(.NET
Remoting)场馆中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这个暴发的项目涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家通过一个带有对象引用的栈起头探究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例起头生命期的地方)。图4中显示的代码包含一个粗略的次第,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创办一个SmallClass的序列实例,该类型涵盖一个字节数组,用于演示怎样在大目的堆创制对象。即使这是一段无聊的代码,不过可以协理大家举行研商。

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,它申明在可能的事态下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数遵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,包含了在相似GC堆中分配的对象的地方。对于价值观C++,那是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管咋样,它富含了一个对象实例的地点,大家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

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对超过或等于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堆上创制,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会削减,而GC堆在GC回收时展开压缩。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),指向对应档次的方法表。每个讲明的项目有一个方法表,而同等系列的保有目的实例都对准同一个方法表。它包含了项目的特性音信(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。

措施表指向一个名为EEClass的紧要数据结构。在艺术表成立前,CLR类加载器从元数据中创制EEClass。图4中,SmallClass的主意表指向它的EEClass。这一个构造指向它们的模块和程序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和动用程序域关联,这里涉及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烟消云散。而且,默认的使用程序域不会被卸载,所以这个代码的生存期是截止CLR关闭结束。

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对象实例

正如大家说过的,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上创建。图6呈现了一个天下无双的目的布局。一个对象足以经过以下途径被引述:基于栈的一对变量,在相互操作仍旧平台调用情状下的句柄表,寄存器(执行措施时的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起来地方,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。因为经过索引举行连续,所以在急需扩展表的轻重缓急时,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可以在没有另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标的持有实例使用的灵光的信息。这么些消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和行使程序域的目录。对于大多数的目标实例,不会为实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这一点在举办线程碰到如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();

在以上代码中,smallObj会使用0作为它的序幕的syncblk编号。lock语句使得CLR成立一个syncblk入口并使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语句并运用Monitor类,一个当作同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会采取对象的哈希编码扩大syncblk。

在SyncBlock中有其余的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时选拔,不过这和超绝的靶子用处无关。

序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研商类型句柄。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法子排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。图7的代码展现了SimpleClass包含有一些见仁见智尺寸的实例变量。

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。我们在图7的return语句处设置了断点,然后拔取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。因为我们从不用别样共同代码应用此实例(也从没访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的目标实例,指向起首地点的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一块儿。多个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堆中分红的其实的字符串实例。字符串是一个专程的系列,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样实例。这些过程称为字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的应用。我们在此以前早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以接纳是否采纳这多少个进程,即便未来版本的CLR可能会提供这样的能力。

故而默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的气象下,词典顺序必须被保存到内存中,那时可以采用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,固然在.NET
Framework 1.1中,它从不影响托管的布局(可是.NET Framework
2.0或许会如此做)。在竞相操作的事态下,即便你实在需要异常的填充字节和体现的控制域的一一,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,大家利用SOS看看对象实例。一个可行的吩咐是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可以体现我们创设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

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,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实例的地点后,咱们得以应用DumpObj命令输出它的内容,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。我们可以利用ObjSize来输出包含被str实例占用的长空,如下所示:

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

假诺你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的分寸,即36字节。让我们输出str实例来证实那么些结果:

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

假定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),就可以收获ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不精晓非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因而它们不会被这么些命令报告。

针对方法表的体系句柄在syncblk编号后分配。在对象实例制造前,CLR查看加载类型,如若没有找到,则展开加载,得到方法表地址,创立对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器暴发的代码在展开艺术分派时选择项目句柄来定位方法表。CLR在急需史可以由此艺术表反向访问加载类型时利用项目句柄。

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方法表

各类类和实例在加载到应用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在对象的首先个实例创造前的类加载活动的结果。对象实例表示的是场馆,而艺术表表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器暴发的照射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音信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。对象实例包含的花色句柄指向方法表伊始地点的偏移处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC音讯。我们不打算在此地对其进展座谈。

图9展现了主意表的头名布局。大家会声明项目句柄的一些最重要的域,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)先河,因为它直接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总括的目的的分寸,基于代码中扬言的域。在此之前已经商讨过,当前GC的贯彻需要一个起码12字节的靶子实例。倘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。此外的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和类型句柄占用。再说五回,对象的轻重会惨遭StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3中显得的MyClass(有三个接口)的措施表的内存快照(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字节的晃动处,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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方法槽表(Method Slot Table)

在点子表中隐含了一个槽表,指向各样艺术的讲述(MethodDesc),提供了类其它行为能力。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。

类加载器在眼前类,父类和接口的元数据中遍历,然后创造方法表。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,在需要时复制槽。槽复制是必需的,它可以让各类接口有和好的小小的vtable。可是被复制的槽指向平等的情理实现。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#编译器为具备没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为我们定义并先导化了一个静态变量,编译器会生成一个类构造函数。图10彰显了MyClass的章程表的布局。布局突显了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会开展研讨。图11展示了MyClass的方法表的SOS的出口。

其他项目标起先4个主意总是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,然则都针对相同的艺术描述。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)

模式描述(MethodDesc)是CLR知道的法门实现的一个包裹。有两种档次的章程描述,除了用于托管实现,分别用于不同的竞相操作实现的调用。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,开首化为指向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体现了一个天下无双的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的法子描述数据结构。对于实际的办法描述,那是-5字节的撼动,是各类方法的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通令。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从观察,因为方法描述总是方法槽表指向的地点后边的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代码的权利跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的章程表槽指向的代码举办反汇编,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

今昔我们履行此格局,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

在此地方,唯有起先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的主意描述的数额。“!u”命令不清楚那一点,所以生成的是无规律的代码,你能够忽略5个字节后的拥有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现的相对虚地址(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编译前后的形式描述的内容:

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

编译后,方法描述的始末如下:

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

方法的这几个标志域的编码包含了艺术的序列,例如静态,实例,接口方法依然COM实现。让我们看方法表另外一个错综复杂的地点:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,我们将注脚接口如何举办布局和遵照接口的点子分派的熨帖工作措施。

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接口虚表图和接口图

在措施表的第12字节偏移处是一个紧要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个运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。每个接口的落实都在接口虚表中有一个记下。假诺MyInterface1被六个类实现,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上马地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时利用的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图讯息制造,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,唯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情势表中的接口音讯记录。在这种情景下,对MyClass实现的三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的档次句柄(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表示由如今类实现)。在注脚后的WORD是一个起来槽(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。类加载器会在急需时复制槽来爆发这样的法力:每个接口有投机的落实,但是物理映射到均等的法子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的兑现。

基于接口的艺术分派通过接口虚表举办,而一贯的不二法门分派通过保留在各个槽的格局描述地址举办。如以前提及,.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

这么些反汇编展现了一向调用MyClass的实例方法没有行使偏移。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发生,和直接分派相比较需要部分十分的命令。一个下令用来得到接口虚表的地址,另一个拿到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指针到指标的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的对象引用拷贝到mi1。

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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,和措施表指针在一定的类(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,对父对象的主意调用被分派到子对象的实现。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

静态变量是方法表数据结构的首要性组成部分。作为艺术表的一有些,它们分配在措施表的槽数组后。所有的固有静态类型是内联的,而对此社团和引用的系列的静态值对象,通在句柄表中创制的目标引用来针对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的句柄表的对象引用,它引用了堆上制造的目标实例。一旦创设后,句柄表内的靶子引用会使堆上的对象实例保持生存,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在章程表创造前起先生活,它和方法表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只可是因为运用频度的不同而被分开。平时利用的域放在方法表,而不日常接纳的域在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,可是运行时索要的信息(如虚表槽和GC音讯)在点子表中。

对每一个品类会加载一个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使用那多少个网络在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咬合。在举行托管代码的进程中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被补充,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的关联。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只显示了和那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,大家没有在图中正好突显偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的往往堆分配的章程描述块。在章程表创造时,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,那样操作系统能够更好的进行内存分页管理,因而削减了办事集。

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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。大家现在探访使用SOS输出的EEClass的的确的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次序。首先利用命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地址。

!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,可以从DumpDomain命令得到。现在大家收获了EEClass的地点,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,能够了解图13呈现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(能够被虚分派的艺术)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们可以在经过接口举行摊派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,你会获取总共10个办法。最终列出的是类的三个静态域。MyClass没有实例域。此外域不言自明。

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Conclusion结论

我们关于CLR一些最根本的内在的探赜索隐旅程终于截至了。显明,还有很多题材需要涉及,而且需要在更深的层次上谈论,不过大家目的在于这足以帮助你看来事物如何做事。这里提供的不少的音讯或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,不过即使本文提到的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(Hughes顿)的一名架构师。他在微软前几日的角色是支援客户基于.NET框架建立可扩张的机件框架。能够经过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开发协助高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器增添(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛蒂,可以透过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。闲暇时间她喜欢音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的作品和另外开发者共享。可以因而ecaijw@msn.com联系她。