原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发布日期: 9/19/2005
原文已经为 Microsoft
删除了,收集过程被发觉许多篇章图都无备,那是盖原文的图都不都,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的所在
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 品种原理
  • 目标实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 措施槽表(Method Slot
    Table)
  • 艺术描述(MethodDesc)
  • 接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface
    Map)
  • 虚分派(Virtual
    Dispatch)
  • 静态变量(Static
    Variables)
  • EEClass
  • 结论

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 对象布局与外存细节。
  • 主意发明布局。
  • 方分派(Method dispatching)。

坐国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创立应用程序的顶梁柱级基础架构,
多掌握点关于CLR的纵深认识会帮助而构建高速的, 工业级健壮的应用程序.
在及时首文章被, 我们会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的摊派, 和形形色色的数据结构.

咱们见面下由C#形容成的非常简单的代码示例,
所以任何针对编程语言的隐式引用都是为C#语言为对象的.
讨论的一部分数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0面临改,
但是绝大多数的定义是不会见转移的. 我们见面采用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够领略CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此底信息. 通篇,
我们见面讨论在Shared Source CLI(SSCLI)中享有相关兑现之类似, 你得从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥及它们.

图表1 会帮助您以摸索一些结构的上到SSCLI中的信息.

ITEM SSCLI PATH
AppDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
AppDomainStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
BaseDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
ClassLoader sscliclrsrcvmclsload.hpp
EEClass sscliclrsrcvmclass.h
FieldDescs sscliclrsrcvmfield.h
GCHeap sscliclrsrcvmgc.h
GlobalStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
HandleTable sscliclrsrcvmhandletable.h
InterfaceVTableMapMgr sscliclrsrcvmappdomain.hpp
Large Object Heap sscliclrsrcvmgc.h
LayoutKind sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropserviceslayoutkind.cs
LoaderHeaps sscliclrsrcincutilcode.h
MethodDescs sscliclrsrcvmmethod.hpp
MethodTables sscliclrsrcvmclass.h
OBJECTREF sscliclrsrcvmtypehandle.h
SecurityContext sscliclrsrcvmsecurity.h
SecurityDescriptor sscliclrsrcvmsecurity.h
SharedDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
StructLayoutAttribute sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropservicesattributes.cs
SyncTableEntry sscliclrsrcvmsyncblk.h
System namespace sscliclrsrcbclsystem
SystemDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
TypeHandle sscliclrsrcvmtypehandle.h

当我们初步前,请留心:本文提供的信息只有针对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1卓有成效(对于Shared Source CLI
1.0啊多数适用,只是当好几交互操作的景况下必小心例外),对于.NET
Framework
2.0会面有变动,所以恳请不要当构建软件时指让这些内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)创建的处

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地方

在CLR执行托管代码的首先推行代码前,会创造三独应用程序域。其中有数个对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能出于CLR启动进程创造,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)。正使 图2
所示,这些地带是系统域(System Domain)和一起享域(Shared
Domain),都是运用了么(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的生命名的所在。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实行映象文件的名字做。其它的地面可以在托管代码中运用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中动用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会根据应用程序的数目创建多个域。

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)

系统域负责创建及初始化共享域和默认应用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围中用的带有或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1受的一个优化特性,它的处理办法显得略微傻,因为CLR没有为程序集时选择是特性。尽管如此,由于在有的应用程序域中对一个特定的记只保留一个对应之字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还负责产生过程范围之接口ID,并因而来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过面临保持跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的意义。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

具非属另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有所应用程序域的用户代码都是必需的。它见面吃自动加载到一道享域中。系统命名空间的中坚项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被被先行加载到本域中。用户代码也得以于加载到此域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时使用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可加载代码到手拉手享域中,方法是行使System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个采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之查找表,这些程序集让加载到默认域(DefaultDomain)和其它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)

沉默寡言认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里头运行。尽管稍应用程序需要在运作时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一之运行时代码生成工作的应用程序),大部分之应用程序在运行期间只有开创一个地区。所有以此域运行的代码都是以地域层次上有上下文限制。如果一个应用程序有差不多只应用程序域,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行使System.ContextBoundObject派生的门类创建。每个应用程序域有和好之安全描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨之加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和次集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的用意是加载不同之运转时CLR部件和优化在域的合生命期内设有的部件。这些堆的加强基于可预测块,这样可使碎片最小化。加载器堆不同为垃圾回收堆(或者对如多处理器上之大多只堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在多次堆上,而比较少看的数据结构如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)。

自从赛层次了解域后,我们准备看看它在一个简练的应用程序的前后文中的物理细节,见
图3。我们于程序运行时停在mc.Method1(),然后采用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
摸底SOS的加载信息)。这里是编后底输出:

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,Sample1.exe,被加载到一个称为也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到同享域,不过因为其是主导系统库,所以也在系统域中列有。每个域会分配一个屡屡堆,低频堆和代理堆。系统域和一道享域使用同样之近乎加载器,而默认应用程序使用好之类似加载器。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸以及就交由尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为从不显得接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由好之加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始经常交由4KB。我们以见面在连续有研究型布局时讨论IVMap的意思。

图2
显示默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和酷目标堆(用于大小相等或超越85000字节的目标),它证明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留到JIT代码堆着。GC堆和那个目标堆是用以托管对象实例化的废料回收堆。

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路原理

型原理

种类是.NET编程中的骨干单元。在C#遭,类型可以使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数项目由程序员显式创建,但是,在特意之竞相操作(interop)情形和长距离对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些有的色涵盖COM和周转时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们由此一个暗含对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开始生命期的地方)。
图4着展示的代码包含一个略的顺序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创建一个SmallClass的种类实例,该种涵盖一个字节数组,用于演示如何以特别目标堆创建对象。尽管当时是一律段子无聊之代码,但是好扶持我们开展座谈。

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 显示了止在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明在或的状下用函数参数通过寄存器传递,而别参数按照从右到左的逐条入栈,然后由为调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在仓房结构被。引用类型变量如smallObj以一定大小(4字节DWORD)保存于栈中,包含了当形似GC堆着分配的对象的地点。对于风俗习惯C++,这是目标的指针;在托管世界被,它是目标的援。不管怎样,它包含了一个目标实例的地址,我们以使用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的仓库结构与堆

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一般GC堆上之smallObj对象实例包含一个号称吧 _largeObj
的字节数组(注意,图被显得的尺寸为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的拍卖同多少目标不同。大目标在雅目标堆(LOH)上分红,而稍目标在形似GC堆上创设,这样可以优化对象的分配与回收。LOH不见面回落,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只会于全GC回收时让回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个声明的品类有一个方法表,而同一档次的具有目标实例都指向同一个方法表。它含有了品种的特征信息(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,方法发明的扇(slot)数目,指向相应实现的槽表。

法表指向一个称作也EEClass的显要数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据遭到创造EEClass。
图4遭到,SmallClass的法表指向其的EEClass。这些组织指向她的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在一块享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦让加载到中,就直到应用程序域卸载时才会消亡。而且,默认的应用程序域不会见叫卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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靶实例

对象实例

恰巧而我们说了之,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。所有的援类型在 GC 堆或者 LOH 上创立。图 6
显示了一个榜首的目标布局。一个目标足以透过以下途径为引述:基于栈的片段变量,在互动操作还是平台调用情况下的句子柄表,寄存器(执行方式时之
this 指针和道参数),拥有终结器( finalizer )方法的目标的终结器队列。
OBJECTREF 不是借助为目标实例的始发位置,而是来一个 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(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连接,所以当得增加表的大小时, CLR
可以当内存中倒是表。 SyncTableEntry 维护一个反向的身故引用,以便 CLR
可以跟 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以以没外强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个对
SyncBlock
的指针,包含了好少要给一个对象的富有实例使用的灵光之音。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据及应用程序域的目。对于多数之目标实例,不会见也实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这同一碰当实施线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的语句时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
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当上述代码中, smallObj 会下 0 作为它们的开局之 syncblk 编号。 lock
语词使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并采用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句并采取 Monitor 类,一个当做同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创设。堆 GetHashCode
的调用会采用对象的哈希编码增加 syncblk 。
在 SyncBlock 中生出外的域,它们当 COM 交互操作及封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采用,不过当下和杰出的目标用处无关。
花色句柄紧跟以对象实例中的 syncblk
编号后。为了保持连续性,我会以验证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在路句柄后。默认情况下,实例域会盖内存最管用使用的方法排列,这样单待极度少之当对一头的填充充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有一些异大小的实例变量。

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 调试器之内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们当图 7 的 return 语句处设置了断点,然后下 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口亮对象实例。前 4 只字节是 syncblk
编号。因为我们从未用另外共同代码用是实例(也并未看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存于栈变量的目标实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个接通一个底排于共同。两独
short 类型变量 s1 和 s2 也吃列于协同。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。字符串是一个特意之花色,因为有包含同样仿标记的字符串,会于次集加载到过程时对一个大局字符串表的平实例。这个过程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的采取。我们之前都提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不克挑是否利用这个历程,尽管未来版的 CLR
可能会见供这么的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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所以默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情状下,词典顺序必须给封存及内存中,这时可以以
StructLayoutAttribute 特性,它产生一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以啊给封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管以 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见如此做)。在彼此操作的情景下,如果你真的要格外的填充充字节和出示的控制域的各个,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起利用。

扣押罢脚的内存内容后,我们采取 SOS 看看对象实例。一个中之命是
DumpHeap
,它好列出所有的积内容以及一个特意类型的享有实例。无需靠寄存器,
DumpHeap 可以显示我们创建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

对象的终究大小是 36 字节,不管字符串多异常, 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,其它 8
独字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地址后,我们可行使 DumpObj 命令输出它的情,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

刚巧使前说罢, C# 编译器对于接近的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织以 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以无比小化填充字节。我们好利用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的半空中,如下所示:

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

比方你打目标图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的高低( 36
字节),就可以得 str 的大小,即 36 字节。让咱输出 str
实例来说明这个结果:

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

苟您用字符串实例的深浅(36字节)加上SimpleClass实例的轻重(36字节),就足以拿走ObjSize命令语的终究大小72字节。

央小心ObjSize不含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1惨遭,CLR不掌握非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它不见面吃这个令语。

本着方法发明底档次句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,CLR查看加载类型,如果无找到,则进行加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后将种句柄值追加到目标实例中。JIT编译器产生的代码在开展艺术分派时使用类句柄来稳定方法表。CLR以急需史可以由此措施表反向顾加载类型时采用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的显示CLR数据结构的情,它是 .NET
Framework 安装程序的均等部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程之前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所于的文书夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口被施行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的片命,关于SOS更多信息,参考这里。

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方法表

方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会以内存中通过艺术表来表示。这是在目标的第一只实例创建前的切近加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到于语言编译器产生的映照到内存的首家数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音信与外挂的音讯可由此System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的项目句柄指向方法发明开位置的偏移处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算在此间对那进展座谈。

图 9
显示了点子发明底典型布局。我们见面证明项目句柄的局部首要的域,但是对于截然的列表,请参见此图。让咱由基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为其直接关系及运行时之内存状态。

图 9 方法表布局

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基实例大小

基实例大小

基实例大小是由接近加载器计算的靶子的大大小小,基于代码中声称的地方。之前已经讨论过,当前GC的兑现内需一个起码12字节的对象实例。如果一个类似没有概念任何的例域,它至少含有额外的4只字节。其它的8只字节被针对象头(可能带有syncblk编号)和项目句柄占用。再说一差,对象的分寸会受到StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3面临展示的MyClass(有星星点点单接口)的方式发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它们跟SOS的出口进行比较。在图9遭逢,对象大小在4字节之摆处,值也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

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道槽表(Method Slot Table)

道槽表(Method Slot Table)

以法发明中涵盖了一个槽表,指向各个艺术的叙述(MethodDesc),提供了品种的行为能力。方法槽表是冲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。

接近加载器在眼前接近,父类和接口的头数据遭到遍历,然后创建方法表。在排列过程被,它替换所有的受掩盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创建新的槽,在得时复制槽。槽复制是不可或缺的,它可叫每个接口有和好的无限小的vtable。但是让复制的槽指向同一的大体实现。MyClass包含接口方法,一个像样构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有产生显式定义构造函数的目标自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转移一个好像构造函数。图10亮了MyClass的艺术发明的布局。布局显示了10只点子,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会展开座谈。图11著了MyClass的办法发明底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()

任何项目的初步4只法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是起System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是还针对相同之计描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别与静态方法以及实例方法分以相同组。

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主意描述(MethodDesc)

方描述(MethodDesc)

道描述(MethodDesc)是CLR知道之点子实现之一个包。有几乎种类型的法门描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互动操作实现之调用。在本文中,我们仅考察图3代码中的托管方描述。方法描述在相近加载过程被生出,初始化为指向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展示了一个杰出的布局,方法发明底扇实际上对代理,而无是实际的法描述数据结构。对于实际的道描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8单附加字节的同一片。这5只字节包含了调用预编译代理程序的一声令下。5字节底舞狮可以从SOS的DumpMT输出从相,因为方法描述总是方法槽表指向的职后的5个字节。在首先破调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5独字节会被超过反至JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12方式描述

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图12的措施表槽指向的代码进行反汇编,显示了针对预编译代理的调用。以下是当
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

今我们实践这措施,然后倒汇编相同之地方:

!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

每当是地点,只有开始5单字节是代码,剩余字节包含了Method2的章程描述的多少。“!u”命令不亮就一点,所以生成的是乱的代码,你可忽略5独字节后的享有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中艺术实现之相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在比如要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。让我们从列有之函数中精选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的道描述的内容:

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

编译后,方法描述的情节如下:

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

主意的是标志域的编码包含了主意的路,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让咱看方法表另外一个繁杂的端:接口实现。它包裹了布局过程具有的错综复杂,让托管环境看就一点圈起大概。然后,我们用证明接口如何进行布局及根据接口的计分派的恰当工作章程。

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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)

每当方式发明底第12许节偏移处是一个要害之指针,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,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一糟糕加载时创造。每个接口的兑现都当接口虚表中产生一个笔录。如果MyInterface1被简单个像样实现,在接口虚表表中即使发生星星点点只记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的上马位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常利用的援。接口虚表是根据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于法发明布局过程中因类的冠数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在章程表中的接口信息记录。在这种情形下,对MyClass实现的少数个接口中之各一个且有半点久记下。第一长达接口信息记录之开端4独字节指向MyInterface1的品类句柄(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代表出于时类似实现)。在表明后的WORD是一个始发槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现之子表。对于MyInterface2,开始槽的价值吗4(从0开始编号),所以槽5和6乘于实现;对于MyInterface2,开始槽的值吗6,所以槽7和8指为实现。类加载器会在待常复制槽来发这样的效能:每个接口有和好之落实,然而物理映射到同一的措施描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2暨MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

基于接口的办法分派通过接口虚表进行,而直接的主意分派通过保留在各个槽的法门描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2单参数在恐的下一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先独参数总是this指针,所以经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

这些反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有采取偏移。JIT编译器把办法描述的地点直接写及代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和直分派相比要一些外加的命令。一个令用来博取接口虚表的地方,另一个博方式槽表中之接口实现之开始槽。而且,把一个目标实例转换为接口就待拷贝this指针到对象的变量。在祈求2着,语句“mi1=mc”使用一个令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现在我们省虚分派,并且和根据接口的摊进行较。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永恒的槽编号发生,和方表指针在一定的近乎(类型)实现层次无关。在道发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对爸爸对象的办法调用被分摊到子对象的实现。反汇编显示了分派通过8哀号槽发生,可以当调试器的内存窗口(如图10所出示)和DumpMT的输出看到就一点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的要组成部分。作为艺术发明的一样局部,它们分配在术发明底槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对此组织以及援的色的静态值对象,通于句柄表中创造的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的语句柄表的靶子引用,它引用了堆积上创造的对象实例。一旦创立后,句柄表内的目标引用会使堆上之对象实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的对象引用,后者对GC堆上之MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在艺术发明创建前开始生活,它跟方式发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个路),只不过因为以频度的不等而被分开。经常以的域放在方法表,而休常下的地区于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和摇头)在EEClass中,但是运行时要之信(如虚表槽和GC信息)在方表中。

本着每一个档会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个让执行引擎跟踪的栽培的节点。CLR使用此网络以EEClass结构面临浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次和类加载顺序的做。在实行托管代码的历程遭到,新的EEClass节点被在,节点的涉及被补充,新的关联让树。在网被,相邻的EEClass还有一个程度的涉。EEClass有三只域用于管理为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惨遭之MyClass上下文中之EEClass的语义,请参见图13

图13但展示了跟这议论相关的一些域。因为我们忽略了布局中之一对地域,我们没有当觊觎备受合适显示偏移。EEClass有一个间接的对于措施发明的援。EEClass也对于默认应用程序域的多次堆分配的方式描述块。在措施发明创建时,对过程堆上分红的地域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以重好的开展内存分页管理,因此削减了办事集。

图13 EEClass 布局

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图13惨遭之其它域在MyClass(图3)的上下文的意思不谈自明。我们今天看望用SOS输出的EEClass的真正的物理内存。在mc.Method1替代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先只参数时模块名,可以起DumpDomain命令得到。现在咱们赢得了EEClass的地方,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暨DumpClass的出口看起了一致。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了于模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从彼此邻链指于名也Program的EEClass,可以清楚贪图13示的凡加载Program时之结果。

MyClass有8只虚表槽(可以叫虚分派的法门)。即使Method1和Method2未是虚方法,它们可以以经过接口进行分摊时吃看是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你晤面得总共10单道。最后列有底凡近乎的少只静态域。MyClass没有实例域。其它地方不称自明。

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Conclusion结论

结论

咱们关于CLR一些尽重大之内在的追旅程算结束了。显然,还有众多问题用涉及,而且要在更不行的层系上谈论,但是我们愿意这好扶持而看到东西如何工作。这里提供的无数之信或会见以.NET框架和CLR的新兴版本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该保障不转换。

趁着通用语言运行时(CLR)即将成为当Windows®生开应用程序的首选架构,对那个进行深刻了解会协助你建中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,方法发明布局,方法分派,基于接口的分担和不同的数据结构。

咱们将使用C#编的简便代码示例,以便任何固有之言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见在Microsoft®
.NET Framework 2.0丁改变,但是关键概念应该保障无转移。我们用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查看本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的里数据结构并出口有因此信息。请参见“Son
of Strike”补充材料,了解哪些将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的长河空间。本文中,我们用叙在共同享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中来照应实现的好像,你可于msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1以扶持您于SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的组织。

每当我们开始前,请小心:本文提供的音讯只有针对在X86平台及运行的.NET Framework
1.1中(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是当好几交互操作的场面下必小心例外),对于.NET
Framework
2.0会见发改动,所以要不要当构建软件时指让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地段

当CLR执行托管代码的第一尽代码前,会创三只应用程序域。其中有数独对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能由CLR启动进程创造,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)。正使图2所示,这些地区是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是以了单个(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的发出命名的地区。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而尽映象文件之讳做。其它的处可以当托管代码中应用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中利用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会根据应用程序的数码创建多个域。

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2 由CLR启动程序创建的地带

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系统域(System Domain)

系统域负责创建及初始化共享域和默认应用程序域。它用系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围里边用的带有或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1被之一个优化特性,它的拍卖方法显得有点昏头转向,因为CLR没有叫程序集时选择是特性。尽管如此,由于当富有的应用程序域中针对一个特定的标志只保留一个应和之字符串,此特性可省内存空间。

系统域还承担产生过程范围之接口ID,并为此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程被保持跟踪所有域,并贯彻加载与卸载应用程序域的功力。

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共享域(Shared Domain)

富有非属其他特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于具有应用程序域的用户代码都是必要的。它会叫电动加载到联合享域中。系统命名空间的基本类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程遭到于优先加载到本域中。用户代码也可以吃加载到这域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时以由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗堪加载代码到一起享域中,方法是运用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个动基地址作为目录的次集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集吃加载到默认域(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)

沉默寡言认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里面运行。尽管小应用程序需要在运转时创造额外的应用程序域(比如小使用插件,plug-in,架构或者进行重要之运行时代码生成工作之应用程序),大部分之应用程序在运行期间只有创造一个地区。所有以此域运行的代码都是在所在层次上起上下文限制。如果一个应用程序有多独应用程序域,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行使System.ContextBoundObject派生的类型创建。每个应用程序域有投机的安描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有好之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的打算是加载不同之周转时CLR部件和优化在域的一体生命期内设有的部件。这些堆的增长基于可预测块,这样好要碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对如多处理器上之大半只堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在频繁堆上,而于少看的数据结构如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)。

打高层次了解域后,我们准备看看它当一个简短的应用程序的左右文中的情理细节,见图3。我们于程序运行时停在mc.Method1(),然后使SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看Son
of
Strike
打听SOS的加载信息)。这里是编写后的输出:

!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

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个叫作也“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一块儿享域,不过盖她是着力系统库,所以呢当系统域中列有。每个域会分配一个频堆,低频堆和代办堆。系统域和齐享域使用相同之类似加载器,而默认应用程序使用好的类加载器。

输出没有显得加载器堆的保留尺寸及曾提交尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为并未出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好之加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始时交由4KB。我们以见面在继续有研究型布局时讨论IVMap的义。

图2亮默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和深目标堆(用于大小相当于或过85000字节的靶子),它说明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留到JIT代码堆中。GC堆和怪目标堆是用来托管对象实例化的垃圾回收堆。

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项目原理

品种是.NET编程中的主干单元。在C#遭到,类型可以使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数色由程序员显式创建,但是,在专门之并行操作(interop)情形和远程对象调用(.NET
Remoting)场合着,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些发生的档次涵盖COM和周转时只是调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们透过一个含对象引用的堆栈开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个靶实例开始生命期的地方)。图4备受展示的代码包含一个简约的顺序,它起一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的型实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何在雅目标堆创建对象。尽管就是同段子无聊的代码,但是可帮助我们开展座谈。

图5显了住在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明在或的景况下用函数参数通过寄存器传递,而别参数按照从右到左的逐一入栈,然后由为调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在库房结构面临。引用类型变量如smallObj以一贯大小(4配节DWORD)保存于栈中,包含了当一般GC堆中分红的对象的地点。对于风俗习惯C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它含了一个目标实例的地方,我们以采取术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

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图5 SimpleProgram的堆栈结构以及堆放

相似GC堆上之smallObj对象实例包含一个称吧_largeObj的字节数组(注意,图中形的轻重也85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超越或顶85000字节的对象的拍卖与微目标不同。大目标在充分目标堆(LOH)上分红,而有点目标在形似GC堆上开创,这样好优化对象的分红和回收。LOH不会见削减,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只会于一点一滴GC回收时于回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个声明的路有一个方法表,而平等种类的兼具目标实例都对准同一个方法表。它含有了型的特征信息(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,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

计表指向一个称呼吧EEClass的要紧数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4遭,SmallClass的法门表指向它们的EEClass。这些组织指向她的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在合享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦受加载到个中,就直到应用程序域卸载时才见面收敛。而且,默认的应用程序域不会见叫卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

澳门蒲京娱乐 32返回页首

靶实例

正好使我辈说罢的,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。所有的援类型在GC堆或者LOH上创设。图6显了一个名列前茅的目标布局。一个目标足以经过以下途径为引述:基于栈的一对变量,在互相操作还是平台调用情况下之语句柄表,寄存器(执行办法时的this指针和方式参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是依为目标实例的开头位置,而是发一个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(从1始计数的syncblk编号。因为经索引进行连续,所以在得增加表的分寸时,CLR可以在内存中活动是表。SyncTableEntry维护一个反向的辞世引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以以尚未其余强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了老少用给一个靶的拥有实例使用的得力的音信。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据及应用程序域的目录。对于大多数的对象实例,不会见否实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这无异于沾当实践线程遇到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的语句时会发生变化,如下所示:

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

每当上述代码中,smallObj会如用0作为其的发端的syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并运用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩展为try-finally语句并使Monitor类,一个当做同步的Monitor对象在syncblk上创设。堆GetHashCode的调用会动用对象的哈希编码增加syncblk。

于SyncBlock中出另外的域,它们于COM交互操作与封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,不过就与典型的靶子用处无关。

类型句柄紧跟以对象实例中的syncblk编号后。为了保障连续性,我会以印证实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟以项目句柄后。默认情况下,实例域会为内存最可行利用的道排列,这样就待极少的作为对伙同的填充充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有有见仁见智大小的实例变量。

图8展示了以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,然后采用ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口亮对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们从未用任何共同代码用这实例(也没看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存于栈变量的目标实例,指为起始位置的4单字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3跟b4叫一个连缀一个之排列于一块儿。两个short类型变量s1和s2也为排在联合。字符串变量str是一个4字节之OBJECTREF,指于GC堆中分红的实际的字符串实例。字符串是一个专程之类,因为具有包含同样仿标记的字符串,会于先后集加载到过程时对一个大局字符串表的如出一辙实例。这个进程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的应用。我们事先曾经提过,在NET Framework
1.1吃,程序集不克选是否用是历程,尽管未来版本的CLR可能会见提供这样的力量。

于是默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的情下,词典顺序必须给封存至内存中,这时可以下StructLayoutAttribute特性,它产生一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以吗吃封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管当.NET
Framework 1.1受到,它从未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0恐怕会见这样做)。在互动操作的场面下,如果您实在用额外的填充字节和显示的控制域的相继,LayoutKind.Explicit可以和域层次之FieldOffset特性一起行使。

扣押罢脚的内存内容后,我们采用SOS看看对象实例。一个得力的命令是DumpHeap,它好列出所有的积内容以及一个专程类型的所有实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以显示我们创建的绝无仅有一个实例的地方。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322\mscorwks.dll"
Address       MT     Size
00a8197c 00955124       36
Last good object: 00a819a0
total 1 objects
Statistics:
MT    Count TotalSize Class Name
955124        1        36 SimpleClass

靶的毕竟大小是36字节,不管字符串多分外,SimpleClass的实例只含一个DWORD的目标引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8单字节包括项目句柄(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

刚刚而之前说了,C#编译器对于类似的默认布局使用LayoutType.Auto(对于组织以LayoutType.Sequential);因此类加载器重新排列实例域以无比小化填充字节。我们可下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)

万一您打目标图的全局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重(36字节),就可以取得str的高低,即36字节。让咱们输出str实例来证实这个结果:

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

苟您以字符串实例的分寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可以收获ObjSize命令语的究竟大小72字节。

吁小心ObjSize不分包syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1着,CLR不清楚非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此她不会见叫这个命令语。

针对方法发明的门类句柄在syncblk编号后分配。在靶实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则开展加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后拿种句柄值追加至目标实例中。JIT编译器产生的代码在拓展艺术分派时行使项目句柄来定位方法表。CLR以用史可以经过措施表反向顾加载类型时采取类句柄。

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方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会以内存中通过艺术表来表示。这是在目标的率先单实例创建前之好像加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到给语言编译器产生的炫耀到内存的处女数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音以及外挂的音方可由此System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的门类句柄指向方法发明开位置的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算当这里针对其开展讨论。

图9显了方发明的一枝独秀布局。我们见面证明项目句柄的一部分第一的域,但是于截然的列表,请参见此图。让咱由基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为其直接关系及运行时之内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由于接近加载器计算的目标的轻重,基于代码中扬言的地段。之前曾经讨论过,当前GC的实现需要一个至少12字节的目标实例。如果一个近乎没有概念任何的例域,它至少含有额外的4个字节。其它的8单字节被针对象头(可能包含syncblk编号)和项目句柄占用。再说一软,对象的轻重缓急会中StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3遭受展示的MyClass(有三三两两只接口)的不二法门发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将它和SOS的输出进行比。在图9遭,对象大小在4字节的偏移处,值吗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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法槽表(Method Slot Table)

于章程发明中隐含了一个槽表,指向各个艺术的叙述(MethodDesc),提供了种类的行为能力。方法槽表是依据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。

接近加载器在手上相近,父类和接口的头数据中遍历,然后创建方法表。在列过程遭到,它替换所有的叫埋的虚方法和让躲的父类方法,创建新的槽,在待时复制槽。槽复制是必要的,它好被每个接口有自己之极其小的vtable。但是让复制的槽指向同之情理实现。MyClass包含接口方法,一个近似构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为拥有没有发显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转一个看似构造函数。图10显示了MyClass的章程发明的布局。布局显示了10只艺术,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会展开座谈。图11著了MyClass的措施发明底SOS的出口。

其余类型的初始4只章程总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是都针对相同的点子描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别同静态方法及实例方法分在平组。

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道描述(MethodDesc)

艺术澳门蒲京娱乐描述(MethodDesc)是CLR知道之计实现之一个包装。有几乎栽类型的措施描述,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,我们惟有考察图3代码中之托管方描述。方法描述在类似加载过程遭到出,初始化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12显示了一个突出的布局,方法发明的扇实际上对代理,而未是实际的不二法门描述数据结构。对于实际的方式描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8单附加字节的同样有些。这5只字节包含了调用预编译代理程序的指令。5字节之舞狮可以自SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的位置后的5只字节。在率先涂鸦调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5单字节会被超过反至JIT编译后的x86代码的义务跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

本着图12底方式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于JIT编译前底相反汇编的简化显示。

!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

现我们实践之措施,然后倒汇编相同之地方:

!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

当此地点,只有开始5只字节是代码,剩余字节包含了Method2的法描述的数据。“!u”命令不知底这或多或少,所以生成的凡烂的代码,你得忽略5个字节后底保有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中方法实现的相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在随要求编译后,CLR以编译后底代码地址更新此域。让咱从列有之函数中摘一个,然后据此DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的道描述的始末:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

艺术的这个标志域的编码包含了艺术的项目,例如静态,实例,接口方法要COM实现。让我们看方法表另外一个犬牙交错的上面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境看就一点关押起大概。然后,我们将说明接口如何开展布局和因接口的道分派的合适工作法。

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接口虚表图和接口图

于方式发明底次第12许节偏移处是一个主要之指针,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,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次等加载时创造。每个接口的兑现都于接口虚表中产生一个笔录。如果MyInterface1被简单个像样实现,在接口虚表表中不怕发生少单记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的开端位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常以的援。接口虚表是根据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于方发明布局过程遭到因类的老大数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在方式表中的接口信息记录。在这种状态下,对MyClass实现之蝇头单接口中的各国一个且发出些许漫漫记下。第一漫漫接口信息记录的起来4独字节指向MyInterface1的项目句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个表明占用(0意味从今父类派生,1表示由于时看似实现)。在表明后的WORD是一个开始槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的价为4(从0开始编号),所以槽5和6依赖为实现;对于MyInterface2,开始槽的价值为6,所以槽7和8凭借为实现。类加载器会以急需常复制槽来起这样的作用:每个接口有友好之兑现,然而物理映射到同一的办法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2暨MyInterface2.Method2会指向相同的实现。

依据接口的法分派通过接口虚表进行,而直接的道分派通过保留在逐个槽的计描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2单参数在可能的早晚一般通过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”语句子看到这或多或少:

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

这些反汇编显示了直调用MyClass的实例方法无使用偏移。JIT编译器把艺术描述的地点直接写及代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和直接分派相比要有的额外的授命。一个命令用来抱接口虚表的地方,另一个拿走方式槽表中的接口实现的上马槽。而且,把一个目标实例转换为接口就需要拷贝this指针到对象的变量。在祈求2遇,语句“mi1=mc”使用一个下令把mc的目标引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

现在我们省虚分派,并且与基于接口的摊派进行较。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一定的槽编号发生,和章程表指针在特定的接近(类型)实现层次无关。在法发明布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的落实。结果,对爹爹对象的点子调用被分派到子对象的兑现。反汇编显示了分派通过8声泪俱下槽发生,可以以调试器的内存窗口(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要紧组成部分。作为艺术发明的如出一辙局部,它们分配在点子发明底槽数组后。所有的原来静态类型是内联的,而于组织以及援的类别的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句子柄表的目标引用,它引用了堆积如山上创办的靶子实例。一旦创立后,句柄表内的对象引用会要堆上的目标实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的靶子引用,后者对GC堆上之MyString。

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EEClass

EEClass在方发明创建前开始在,它同方发明组成起来,是种声明的CLR版本。实际上,EEClass和道表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个类),只不过因为使用频度的不比而给分开。经常用的域放在方法表,而非常以的所在于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时需要之音讯(如虚表槽和GC信息)在道表中。

本着各国一个种会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个于执行引擎跟踪的造的节点。CLR使用是网络以EEClass结构面临浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次与类加载顺序的构成。在履托管代码的进程被,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌为填补,新的涉及被起。在网中,相邻之EEClass还有一个水准的关系。EEClass有三单域用于管理于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着的MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13。

图13仅显示了跟此讨论有关的一些域。因为咱们忽略了布局中的有些所在,我们从来不当图备受合适显示偏移。EEClass有一个间接的对于措施发明底援。EEClass也对于默认应用程序域的多次堆分配的方法描述块。在法发明创建时,对过程堆上分红的地域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以另行好的展开内存分页管理,因此削减了办事集。

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图13 EEClass 布局

图13遭遇之其它域在MyClass(图3)的上下文的意思不讲话自明。我们今天探视用SOS输出的EEClass的真正的物理内存。在mc.Method1替代码行设置断点后,运行图3的次。首先使命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地方。

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

Name2EE的首先只参数时模块名,可以起DumpDomain命令得到。现在咱们赢得了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以及DumpClass的出口看起了等同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了于模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从互动邻链指于名吧Program的EEClass,可以清楚贪图13显的是加载Program时的结果。

MyClass有8独虚表槽(可以吃虚分派的章程)。即使Method1和Method2勿是虚方法,它们得以在经过接口进行摊派时于认为是虚函数并在到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面落总共10只措施。最后列有之凡相仿的少个静态域。MyClass没有实例域。其它地方不谈自明。

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Conclusion结论

咱俩关于CLR一些太要的内在的探究旅程算终止了。显然,还有多问题需要涉及,而且亟需以再次甚的层系上讨论,但是我们想就足以拉而见到东西如何工作。这里提供的过剩之音讯或会见于.NET框架和CLR的新生版被改,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能移,概念应该维持无转移。

Hanu Kommalapati举凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的一模一样称作架构师。他在微软今底角色是帮客户基于.NET框架建立可扩大的组件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
举凡微软支付支持高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他于北卡罗来州的夏洛特,可以通过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司的软件工程师,习惯以C++和C#出应用程序。闲暇时外爱音乐,旅游同怀旧游戏,并且愿意帮助MSDN翻译更多之章与其它开发者共享。可以透过ecaijw@msn.com联系他。