原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿公布日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发现许多稿子图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

 

前言

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

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创设应用程序的主角级基础架构,
多了然点关于CLR的深浅认识会帮助你构建快捷的, 工业级健壮的拔取程序.
在这篇著作中, 大家会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的分担, 和各个各个的多寡结构.

大家会利用由C#写成的分外简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#言语为对象的.
探究的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过绝大多数的定义是不会变的. 大家会采取Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数码结构.
SOS可以明白CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的信息. 通篇,
大家会谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中有所相关落实的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会匡助您在摸索一些协会的时候到SSCLI中的消息.

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

在大家起初前,请留意:本文提供的音讯只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1可行(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的情景下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有变动,所以请不要在构建软件时看重于这一个内部结构的不变性。

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CLR启动程序(Bootstrap)成立的域

CLR启动程序(Bootstrap)创制的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会成立六个应用程序域。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,那么些域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是行使了单件(Singleton)情势。第多少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行使AppDomain.CreateDomain方法创设,或者在非托管的代码中动用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数码成立四个域。

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)

系统域负责创制和起始化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍重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,它的拍卖方法显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采用此特性。即使如此,由于在富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,此特性可以节省内存空间。

系统域还肩负爆发过程范围的接口ID,并用来创建每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中维系跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的效益。

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共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

有着不属于此外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是必需的。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的为主项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被事先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这多少个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时行使由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是运用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个行使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倚重关系的查找表,这多少个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和任何在托管代码中创设的采取程序域。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)

默认域是选取程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其中运行。即便有些应用程序需要在运作时创制额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办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多少个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制消息可以使用System.ContextBoundObject派生的门类创设。每个应用程序域有和好的白城描述符(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,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的坚守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。这一个堆的滋长基于可预测块,这样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的多少个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。通常访问的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在多次堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了解域后,大家准备看看它们在一个简练的应用程序的光景文中的情理细节,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来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
问询SOS的加载新闻)。这里是编制后的输出:

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();
    }
}

大家的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为”萨姆ple1.exe”的行使程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可是因为它是骨干系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个反复堆,低频堆和代理堆。系统域和共享域使用同一的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有显得加载器堆的保留尺寸和已交付尺寸。高频堆的开头化大小是32KB,每一次提交4KB。SOS的出口也没有出示接口虚表堆(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开首化阶段创设。IVMap保留大小是4KB,先导时交由4KB。大家将会在延续部分探究项目布局时商量IVMap的含义。

图2
显示默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相等依旧超越85000字节的目的),它注明了那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废物回收堆。

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花色原理

连串原理

品类是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以动用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数档次由程序员显式创立,不过,在专门的并行操作(interop)境况和远程对象调用(.NET
Remoting)场所中,.NET
CLR会隐式的爆发类型,这一个发生的项目涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩通过一个带有对象引用的栈起初探究.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例起始生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个简单易行的主次,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的类别实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目的堆创造对象。即便那是一段无聊的代码,不过可以扶持我们举行座谈。

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 突显了截至在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它阐明在可能的动静下将函数参数通过寄存器传递,而其它参数按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以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目的的地址。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目标的引用。不管怎么样,它涵盖了一个目的实例的地址,大家将动用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

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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,是事实上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的目的的拍卖和小目的不同。大目的在大目标堆(LOH)上分红,而小指标在相似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回收时举行削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个注解的系列有一个方法表,而平等品种的持有目的实例都对准同一个方法表。它含有了项目的特点新闻(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。

主意表指向一个名为EEClass的关键数据结构。在模式表创立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的主意表指向它的EEClass。这么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里头,就直到应用程序域卸载时才会没有。而且,默认的选择程序域不会被卸载,所以这多少个代码的生存期是截止CLR关闭截至。

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目的实例

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 上开创。图 6
显示了一个顶尖的目标布局。一个目的足以透过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在互相操作仍旧平台调用情状下的句柄表,寄存器(执行形式时的
this 指针和情势参数),拥有终结器( finalizer )方法的对象的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目标实例的先河地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开首计数的 syncblk
编号。因为通过索引举行连续,所以在急需扩张表的高低时, CLR
可以在内存中移动这多少个表。 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
可以在未曾另外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个目标的具备实例使用的有效的音讯。那么些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和运用程序域的目录。对于大部分的对象实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在实践线程境遇如
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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在上述代码中, smallObj 会接纳 0 作为它的开场的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创设一个 syncblk 入口并应用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩充为 try-finally 语句并动用 Monitor 类,一个作为同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创立。堆 GetHashCode
的调用会使用对象的哈希编码扩充 syncblk 。
在 SyncBlock 中有任何的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时使用,可是这和独立的对象用处无关。
品类句柄紧跟在目标实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会在验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,实例域会以内存最可行采纳的章程排列,那样只需要最少的当作对齐的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有一对不同尺寸的实例变量。

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 彰显了在 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,然后利用 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。因为大家从不用其他共同代码应用此实例(也从未访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,指向开始地点的 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道。六个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一起。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的实在的字符串实例。字符串是一个特意的项目,因为具有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如出一辙实例。那一个进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的接纳。我们事先已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可能接纳是否利用那么些历程,即便未来版本的 CLR
可能会提供这么的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
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故此默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的事态下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以应用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,就算在 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(可是 .NET Framework 2.0
可能会如此做)。在相互操作的动静下,假如您真的需要至极的填充字节和显示的控制域的依次,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们利用 SOS 看看对象实例。一个立竿见影的吩咐是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的享有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显得大家创制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
实例的地方后,我们得以采纳 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
);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以运用 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)

假诺你从目标图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的尺寸( 36
字节),就可以得到 str 的深浅,即 36 字节。让大家输出 str
实例来表达这一个结果:

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

只要你将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的分寸(36字节),就可以取得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不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;因而它们不会被这多少个命令报告。

本着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,如若没有找到,则开展加载,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行使项目句柄来稳定方法表。CLR在急需史可以由此艺术表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩张程序用于本文化的显示CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程往日,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 窗口中推行 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的局部下令,关于SOS更多新闻,参考这里

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方法表

方法表

每个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。这是在目的的首先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术表表示了表现。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的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信息能够透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以因此Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的门类句柄指向方法表起初地方的晃动处,偏移量默认情状下是12字节,包含了GC音信。大家不打算在这里对其展开座谈。

图 9
显示了法子表的卓越布局。我们会讲明项目句柄的一部分重要的域,不过对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起始,因为它直接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尺寸,基于代码中阐明的域。往日早已琢磨过,当前GC的落实内需一个足足12字节的目的实例。假使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)和花色句柄占用。再说两回,对象的分寸会遭受StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3中显示的MyClass(有五个接口)的法门表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办相比。在图9中,对象大小位于4字节的晃动处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!DumpHeap -type MyClass
 Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
    MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

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办法槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

在格局表中涵盖了一个槽表,指向各种艺术的叙述(MethodDesc),提供了项目标行为能力。方法槽表是遵照方法实现的线性链表,依据如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当前类,父类和接口的元数据中遍历,然后创立方法表。在排列过程中,它替换所有的被遮盖的虚方法和被埋伏的父类方法,成立新的槽,在急需时复制槽。槽复制是少不了的,它可以让各类接口有投机的细小的vtable。但是被复制的槽指向同一的物理实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为我们定义并最先化了一个静态变量,编译器会生成一个类构造函数。图10来得了MyClass的格局表的布局。布局凸显了10个点子,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会举办研讨。图11展现了MyClass的点子表的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()

其他类型的起先4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这一个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举办了复制,不过都针对相同的形式描述。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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艺术描述(MethodDesc)

形式描述(MethodDesc)

主意描述(MethodDesc)是CLR知道的章程实现的一个打包。有三种档次的艺术描述,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生,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体现了一个头名的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的法子描述数据结构。对于实际的办法描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8个叠加字节的一部分。这5个字节包含了调用预编译代理程序的通令。5字节的晃动可以从SOS的DumpMT输出从寓目,因为方法描述总是方法槽表指向的职务后边的5个字节。在率先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12方法描述

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图12的点子表槽指向的代码进行反汇编,展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

现在我们实践此模式,然后反汇编相同的地址:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
                                 ;as !u thinks it as code

在此地方,唯有开端5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的方法描述的数量。“!u”命令不了解这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你能够忽略5个字节后的具有东西。

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甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的主意描述的情节:

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

编译后,方法描述的情节如下:

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

主意的这多少个标志域的编码包含了法子的系列,例如静态,实例,接口方法依然COM实现。让大家看方法表此外一个错综复杂的地方:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂,让托管环境觉得这点看起来大概。然后,我们将表达接口如何开展布局和基于接口的章程分派的贴切工作章程。

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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)

在措施表的第12字节偏移处是一个重中之重的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个用到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。每个接口的实现都在接口虚表中有一个记下。如若MyInterface1被多少个类实现,在接口虚表表中就有六个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的初阶地点,如图9所示。那是接口方法分派发生时行使的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图信息成立,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据创立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在章程表中的接口信息记录。在这种场所下,对MyClass实现的多少个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的始发4个字节指向MyInterface1的品类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从父类派生,1代表由近来类实现)。在申明后的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,先河槽的值为4(从0初始编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起头槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来发出如此的法力:每个接口有谈得来的落实,可是物理映射到同样的法子描述。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行,而直白的不二法门分派通过保留在相继槽的不二法门描述地址举办。如在此以前提及,.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。实例方法的率先个参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到这或多或少:

mi1.Method1();
mov    ecx,edi                 ;move "this" pointer into ecx
mov    eax,dword ptr [ecx]     ;move "TypeHandle" into eax
mov    eax,dword ptr [eax+0Ch] ;move IVMap address into eax at offset 12
mov    eax,dword ptr [eax+30h] ;move the ifc impl start slot into eax
call   dword ptr [eax]         ;call Method1

mc.Method1();
mov    ecx,esi                 ;move "this" pointer into ecx
cmp    dword ptr [ecx],ecx     ;compare and set flags
call   dword ptr ds:[009552D8h];directly call Method1

这么些反汇编展现了直白调用MyClass的实例方法没有运用偏移。JIT编译器把措施描述的地址间接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和直接分派比较需要一些外加的指令。一个下令用来赢得接口虚表的地址,另一个得到格局槽表中的接口实现的开首槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到目标的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个限令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

后日大家看看虚分派,并且和依据接口的分摊举办相比。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定的槽编号暴发,和章程表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在措施表布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对父对象的方法调用被分派到子对象的落实。反汇编突显了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那点。

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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第一组成部分。作为艺术表的一有些,它们分配在章程表的槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对此社团和引用的门类的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上创设的目的实例。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指向句柄表的目的引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在艺术表创立前最先生活,它和格局表组成起来,是项目阐明的CLR版本。实际上,EEClass和方法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个类型),只不过因为运用频度的不比而被分手。平时使用的域放在方法表,而不日常应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音信(如名字,域和偏移)在EEClass中,不过运行时索要的信息(如虚表槽和GC信息)在章程表中。

对每一个连串会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和协会。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用那个网络在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整合。在执行托管代码的进程中,新的EEClass节点被参预,节点的涉及被补充,新的关联被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的关系。EEClass有五个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13只突显了和这多少个探究有关的一些域。因为我们忽视了布局中的一些域,我们一贯不在图中得当展现偏移。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反复堆分配的主意描述块。在点子表创制时,对过程堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局音讯。EEClass在运用程序域的低频堆分配,那样操作系统可以更好的展开内存分页管理,由此削减了办事集。

图13 EEClass 布局

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图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的意思不言自明。我们先天看看使用SOS输出的EEClass的确实的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先应用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.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。现在我们拿到了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和DumpClass的出口看起来完全一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以领悟图13出示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的办法)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举行摊派时被认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor出席到列表中,你会博得总共10个主意。最终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

结论

俺们关于CLR一些最要害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,而且需要在更深的层系上谈论,不过大家目的在于这能够扶持你看来事物如何是好事。这里提供的重重的音讯可能会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,然而即便本文提到的CLR数据结构可能变动,概念应该维持不变。

趁着通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下支付应用程序的首选架构,对其进展长远了然会援救你建立有效的工业强度的应用程序。在本文中,大家将探索CLR内部,包括对象实例布局,方法表布局,方法分派,基于接口的分摊和见仁见智的数据结构。

俺们将使用C#编写的简短代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处研商的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,不过关键概念应该保持不变。大家应用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩张Son of Strike
(SOS)来查阅本文研讨的数据结构。SOS领会CLR的其中数据结构并出口有用音信。请参考“Son
of Strike”补充资料,了然咋样将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,我们将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有照应实现的类,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将协助您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

在我们开端前,请留意:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的情形下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时依赖于那么些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创立的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创建三个应用程序域。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)格局。第多少个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可举行映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中行使AppDomain.CreateDomain方法成立,或者在非托管的代码中动用ICORRuntimeHost接口创造。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数目创立六个域。

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2 由CLR启动程序创建的域

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系统域(System Domain)

系统域负责创建和初阶化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且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,它的处理办法显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选用此特性。固然如此,由于在具备的采用程序域中对一个特定的标志只保留一个相应的字符串,此特性可以节约内存空间。

系统域还肩负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。系统域在经过中维系跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的效率。

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共享域(Shared Domain)

不无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。它会被活动加载到共享域中。系统命名空间的为主类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被先行加载到本域中。用户代码也得以被加载到这个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时采用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是使用System.LoaderOptimizationAttribute特性讲明Main方法。共享域还管理一个运用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依赖关系的查找表,那么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和另外在托管代码中创制的运用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其间运行。即便有些应用程序需要在运作时创建额外的利用程序域(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创制一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。倘使一个应用程序有五个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音信可以使用System.ContextBoundObject派生的系列创制。每个应用程序域有和好的平安描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结的加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),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)

加载器堆的功能是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的整套生命期内设有的部件。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七个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。日常访问的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,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)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了然域后,我们准备看看它们在一个简约的应用程序的上下文中的大体细节,见图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后采取SOS调试器增添命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看Son
of
Strike
叩问SOS的加载音信)。这里是编辑后的输出:

!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

我们的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为“萨姆(Sam)ple1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,可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。

出口没有出示加载器堆的保留尺寸和已提交尺寸。高频堆的起首化大小是32KB,每趟提交4KB。SOS的出口也尚未显得接口虚表堆(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起头化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,起始时交由4KB。我们将会在继承部分研讨项目布局时琢磨IVMap的意思。

图2展现默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目的堆(用于大小相当于仍然超过85000字节的靶子),它注解了这一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堆和大目的堆是用以托管对象实例化的排泄物回收堆。

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花色原理

系列是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式创制,可是,在特其余互动操作(interop)意况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这多少个发生的体系涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

大家经过一个分包对象引用的栈最先琢磨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例起头生命期的地点)。图4中显得的代码包含一个简便的程序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1成立一个SmallClass的门类实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆创设对象。尽管这是一段无聊的代码,不过可以协助我们开展座谈。

图5展现了截止在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它申明在可能的动静下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数依照从右到左的相继入栈,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堆中分配的对象的地方。对于价值观C++,这是目的的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它包含了一个对象实例的地方,我们将运用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地方的数据结构。

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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,图中显示的轻重缓急为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对抢先或等于85000字节的目的的拍卖和小目标不同。大目的在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在相似GC堆上创设,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不会缩小,而GC堆在GC回收时举行压缩。还有,LOH只会在完全GC回收时被回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个阐明的项目有一个方法表,而同一类别的有所目标实例都针对同一个方法表。它富含了品种的风味信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代理),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

措施表指向一个名为EEClass的紧要数据结构。在点子表成立前,CLR类加载器从元数据中创立EEClass。图4中,SmallClass的形式表指向它的EEClass。这多少个构造指向它们的模块和顺序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和运用程序域关联,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消退。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是截至CLR关闭停止。

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对象实例

正如我们说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在GC堆上。所有的引用类型在GC堆或者LOH上成立。图6显示了一个典型的对象布局。一个对象能够透过以下途径被引述:基于栈的局部变量,在相互操作依然平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行措施时的this指针和办法参数),拥有终结器(finalizer)方法的靶子的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的起头地方,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先导计数的syncblk编号。因为通过索引举办连接,所以在急需扩张表的轻重时,CLR可以在内存中移动这么些表。SyncTableEntry维护一个反向的弱引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以在尚未此外强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个对象的拥有实例使用的管用的信息。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。对于绝大多数的对象实例,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的讲话时会发生变化,如下所示:

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

在以上代码中,smallObj会使用0作为它的开端的syncblk编号。lock语句使得CLR制造一个syncblk入口并运用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩张为try-finally语句并使用Monitor类,一个用作同步的Monitor对象在syncblk上创制。堆GetHashCode的调用会采纳对象的哈希编码扩充syncblk。

在SyncBlock中有另外的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时拔取,可是这和典型的靶子用处无关。

品种句柄紧跟在对象实例中的syncblk编号后。为了维持连续性,我会在认证实例变量后探讨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在档次句柄后。默认情形下,实例域会以内存最实用利用的主意排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码彰显了SimpleClass包含有部分例外尺寸的实例变量。

图8显示了在Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。我们在图7的return语句处设置了断点,然后使用ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口呈现对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们从没用此外共同代码应用此实例(也未曾访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的目的实例,指向起初位置的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名。六个short类型变量s1和s2也被排列在共同。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。字符串是一个特另外花色,因为兼具包含同样文字标记的字符串,会在先后集加载到过程时指向一个大局字符串表的相同实例。那多少个进程称为字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的行使。大家事先早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集不可以采用是否使用这个进程,虽然将来版本的CLR可能会提供这么的力量。

因此默认意况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的情形下,词典顺序必须被保存到内存中,这时可以运用StructLayoutAttribute特性,它有一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以为被封送(marshaled)数据保持词典顺序,就算在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(然则.NET Framework
2.0恐怕会如此做)。在交互操作的情景下,假使您确实需要至极的填充字节和显示的控制域的顺序,LayoutKind.Explicit可以和域层次的FieldOffset特性一起行使。

看完底层的内存内容后,大家运用SOS看看对象实例。一个灵光的通令是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个专程类型的具备实例。无需看重寄存器,DumpHeap可以显示大家创设的唯一一个实例的地点。

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

对象的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的靶子引用。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,我们得以行使DumpObj命令输出它的始末,如下所示:

!DumpObj 0x00a8197c
Name: SimpleClass
MethodTable 0x00955124
EEClass 0x02ca33b0
Size 36(0x24) bytes
FieldDesc*: 00955064
MT    Field   Offset                 Type       Attr    Value Name
00955124  400000a        4         System.Int64   instance      31 l1
00955124  400000b        c                CLASS   instance 00a819a0 str
<< some fields omitted from the display for brevity >>
00955124  4000003       1e          System.Byte   instance        3 b3
00955124  4000004       1f          System.Byte   instance        4 b4

正如从前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于社团采用LayoutType.Sequential);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以行使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)

假若您从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的深浅(36字节),就可以博得str的轻重,即36字节。让大家输出str实例来注解这么些结果:

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

一经您将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的分寸(36字节),就可以取得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不带有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。

本着方法表的系列句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创制前,CLR查看加载类型,即便没有找到,则举行加载,拿到方法表地址,创制对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器发生的代码在进展格局分派时采纳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。

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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。那是在对象的首先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是意况,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发生的映照到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音信和外挂的新闻方可因此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以经过Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的花色句柄指向方法表起先地点的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算在此处对其举办研商。

图9呈现了点子表的天下第一布局。大家会阐明项目句柄的一对着重的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让咱们从基实例大小(Base
Instance Size)起初,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类加载器计算的对象的轻重缓急,基于代码中扬言的域。往日曾经探究过,当前GC的落实内需一个足足12字节的靶子实例。假使一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。此外的8个字节被对象头(可能含有syncblk编号)和花色句柄占用。再说一遍,对象的大大小小会惨遭StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3www.997755.com,中显得的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的出口举行相比较。在图9中,对象大小位于4字节的撼动处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的出口:

!DumpHeap -type MyClass
Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

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措施槽表(Method Slot Table)

在章程表中隐含了一个槽表,指向各类艺术的讲述(MethodDesc),提供了项目标行为能力。方法槽表是按照方法实现的线性链表,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。

类加载器在最近类,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,它替换所有的被覆盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创设新的槽,在急需时复制槽。槽复制是少不了的,它可以让各个接口有协调的微乎其微的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#编译器为所有没有显式定义构造函数的对象自动生成。因为大家定义并开头化了一个静态变量,编译器会转移一个类构造函数。图10来得了MyClass的艺术表的布局。布局展现了10个办法,因为Method2槽为接口IVMap举办了复制,下边我们会进展商量。图11体现了MyClass的办法表的SOS的输出。

其他项目标先河4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这几个是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,可是都指向相同的艺术描述。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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艺术描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的主意实现的一个封装。有几序列型的法门描述,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突显了一个卓越的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际的格局描述数据结构。对于实际的形式描述,这是-5字节的偏移,是每个方法的8个附加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的下令。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职务前边的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代码的白白跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的法子表槽指向的代码举行反汇编,彰显了对预编译代理的调用。以下是在Method2被JIT编译前的反汇编的简化显示。

!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

今昔我们实践此格局,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,只有最先5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的不二法门描述的多少。“!u”命令不掌握这点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的有所东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的争持虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让我们从列出的函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的办法描述的内容:

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

编译后,方法描述的内容如下:

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

办法的这些标志域的编码包含了艺术的档次,例如静态,实例,接口方法仍旧COM实现。让我们看方法表此外一个犬牙交错的下边:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得那点看起来简单。然后,大家将表明接口怎样进展布局和按照接口的主意分派的适龄工作章程。

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接口虚表图和接口图

在章程表的第12字节偏移处是一个要害的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个采纳程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创建。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个笔录。假设MyInterface1被两个类实现,在接口虚表表中就有六个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的起始地点,如图9所示。那是接口方法分派暴发时行使的引用。接口虚表是基于方法表内含的接口图消息创制,接口图在点子表布局过程中基于类的元数据成立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地点的接口图会指向内含在章程表中的接口音讯记录。在这种境况下,对MyClass实现的七个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音讯记录的起来4个字节指向MyInterface1的系列句柄(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代表由近年来类实现)。在注解后的WORD是一个着手槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,先河槽的值为4(从0起头编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起始槽的值为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么的效益:每个接口有自己的实现,然则物理映射到同一的形式描述。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举办,而直白的措施分派通过保留在挨家挨户槽的艺术描述地址举行。如此前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,开始2个参数在可能的时候一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到那或多或少:

mi1.Method1();
mov    ecx,edi                 ;move "this" pointer into ecx
mov    eax,dword ptr [ecx]     ;move "TypeHandle" into eax
mov    eax,dword ptr [eax+0Ch] ;move IVMap address into eax at offset 12
mov    eax,dword ptr [eax+30h] ;move the ifc impl start slot into eax
call   dword ptr [eax]         ;call Method1
mc.Method1();
mov    ecx,esi                 ;move "this" pointer into ecx
cmp    dword ptr [ecx],ecx     ;compare and set flags
call   dword ptr ds:[009552D8h];directly call Method1

这一个反汇编显示了从来调用MyClass的实例方法没有利用偏移。JIT编译器把办法描述的地点直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表发生,和直接分派相相比需要部出色加的命令。一个下令用来获得接口虚表的地方,另一个到手格局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)

前天大家看看虚分派,并且和依据接口的分摊举行相比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

mc.Method3();
Mov    ecx,esi               ;move "this" pointer into ecx
Mov    eax,dword ptr [ecx]   ;acquire the MethodTable address
Call   dword ptr [eax+44h]   ;dispatch to the method at offset 0x44

虚分派总是通过一个稳定的槽编号发生,和办法表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在措施表布局时,类加载器用覆盖的子类的落实代替父类的实现。结果,对父对象的不二法门调用被分派到子对象的兑现。反汇编彰显了分派通过8号槽爆发,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

静态变量是办法表数据结构的要紧组成部分。作为艺术表的一有的,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,而对此协会和引用的门类的静态值对象,通在句柄表中开创的靶子引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的句柄表的目的引用,它引用了堆上创制的靶子实例。一旦创造后,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在点子表创造前开始生活,它和方法表组成起来,是连串阐明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品类),只然而因为运用频度的例外而被分别。通常使用的域放在方法表,而不平时使用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音信(如名字,域和摇头)在EEClass中,不过运行时索要的音信(如虚表槽和GC音信)在形式表中。

对每一个体系会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个被执行引擎跟踪的树的节点。CLR使用这么些网络在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重组。在实施托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的涉及被填补,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个水准的关联。EEClass有五个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图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,我们一直不在图中优异展现偏移。EEClass有一个直接的对于艺术表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的往往堆分配的主意描述块。在措施表创造时,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讯。EEClass在选拔程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的举办内存分页管理,因而裁减了工作集。

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图13 EEClass 布局

图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们现在探访使用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的首先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在我们获取了EEClass的地址,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224
MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui 

图13和DumpClass的出口看起来完全一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以领悟图13呈现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的章程)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口实行摊派时被认为是虚函数并插手到列表中。把.cctor和.ctor插足到列表中,你会拿走总共10个法子。最后列出的是类的五个静态域。MyClass没有实例域。其余域不言自明。

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Conclusion结论

俺们关于CLR一些最着重的内在的探赜索隐旅程终于截至了。分明,还有为数不少问题亟待涉及,而且亟需在更深的层次上啄磨,可是我们盼望这足以匡助您看看事物咋样行事。这里提供的累累的信息可能会在.NET框架和CLR的新兴版本中改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保障不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(Hughes顿)的一名架构师。他在微软先天的角色是襄助客户基于.NET框架建立可扩张的零件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开支帮忙高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩张(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的Charlotte,可以因此tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司的软件工程师,习惯使用C++和C#支付应用程序。闲暇时光他喜爱音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的篇章和此外开发者共享。可以通过ecaijw@msn.com联系她。