初稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
初稿发布日期: 9/19/2005
初稿已经于 Microsoft
删除了,收集过程遭到窥见众多篇图都无都,那是坐原文的图都不统,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的地方
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 品类原理
  • 靶实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 主意槽表(Method Slot
    Table)
  • 方描述(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。
  • 靶布局和舅存细节。
  • 措施发明布局。
  • 艺术分派(Method dispatching)。

为国有语言运行时(CLR)即将成为当Windows上创设应用程序的支柱级基础架构,
多掌握点关于CLR的吃水认识会帮忙而构建高速的, 工业级健壮的应用程序.
在即时首文章被, 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, 和形形色色的数据结构.

咱们会动由C#写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以C#语言也目标的.
讨论的片段数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0负改,
但是大多数的概念是不会见转换的. 我们见面动用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够解CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此之信息. 通篇,
我们见面谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中有所相关兑现的类, 你可从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥到它们.

图表1 会帮助而在搜寻一些构造的时光到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

每当我们初步前,请留意:本文提供的信就针对在X86平台及运行的.NET Framework
1.1得力(对于Shared Source CLI
1.0乎多数适用,只是在少数交互操作的景况下要小心例外),对于.NET
Framework
2.0碰头生改变,所以告不要在构建软件时因让这些内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创建的地段

CLR启动程序(Bootstrap)创建的处

每当CLR执行托管代码的率先实行代码前,会创三单应用程序域。其中有数只对托管代码甚至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启动进程的凡shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正而 图2
所示,这些地带是系统域(System Domain)和同享域(Shared
Domain),都是使了么(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,也是唯一的发生命名的地域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实施映象文件之名做。其它的处可以以托管代码中使用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,对于特定的网站会依据应用程序的多寡创建多个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创建与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涵盖或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1遭受的一个优化特性,它的拍卖措施显得有些傻,因为CLR没有受程序集时选择这特性。尽管如此,由于当富有的应用程序域中对一个一定的标志只保留一个相应之字符串,此特性可省内存空间。

系统域还肩负产生过程范围之接口ID,并就此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中保持跟踪所有域,并促成加载与卸载应用程序域的效力。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

具备不属其他特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于有应用程序域的用户代码都是少不了的。它见面于电动加载到手拉手享域中。系统命名空间的为主型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程遭到让优先加载到本域中。用户代码也堪为加载到者域中,方法是当调用CorBindToRuntimeEx时以由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同享域中,方法是使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,这些程序集为加载到默认域(DefaultDomain)和另外在托管代码中创造的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

沉默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。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,架构或者拓展重要的运转时代码生成工作之应用程序),大部分底应用程序在运作期间只创造一个地面。所有在此域运行的代码都是于地面层次上有上下文限制。如果一个应用程序有多单应用程序域,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使用System.ContextBoundObject派生的型创建。每个应用程序域有友好的安描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结之加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和次序集缓存。

图片 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的企图是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的普生命期内设有的预制构件。这些堆的增长基于可预测块,这样好使碎片最小化。加载器堆不同让垃圾回收堆(或者对如多处理器上的大都个堆放),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,分配在屡次堆上,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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次了解域后,我们准备看看它于一个简的应用程序的内外文中的物理细节,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)。这里是编制后底出口:

图3 Sample1.exe

!DumpDomain
System Domain: 793e9d58, LowFrequencyHeap: 793e9dbc,
HighFrequencyHeap: 793e9e14, StubHeap: 793e9e6c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40

Shared Domain: 793eb278, LowFrequencyHeap: 793eb2dc,
HighFrequencyHeap: 793eb334, StubHeap: 793eb38c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40

Domain 1: 149100, LowFrequencyHeap: 00149164,
HighFrequencyHeap: 001491bc, StubHeap: 00149214,
Name: Sample1.exe, Assembly: 00164938 [Sample1],
ClassLoader: 00164a78

using System;

public interface MyInterface1
{
    void Method1();
    void Method2();
}
public interface MyInterface2
{
    void Method2();
    void Method3();
}

class MyClass : MyInterface1, MyInterface2
{
    public static string str = "MyString";
    public static uint   ui = 0xAAAAAAAA;
    public void Method1() { Console.WriteLine("Method1"); }
    public void Method2() { Console.WriteLine("Method2"); }
    public virtual void Method3() { Console.WriteLine("Method3"); }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        MyClass mc = new MyClass();
        MyInterface1 mi1 = mc;
        MyInterface2 mi2 = mc;

        int i = MyClass.str.Length;
        uint j = MyClass.ui;

        mc.Method1();
        mi1.Method1();
        mi1.Method2();
        mi2.Method2();
        mi2.Method3();
        mc.Method3();
    }
}

俺们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个称也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一起享域,不过以它们是基本系统库,所以也于系统域中列有。每个域会分配一个频堆,低频堆和代办堆。系统域和一块享域使用相同之类似加载器,而默认应用程序使用自己之好像加载器。

输出没有显示加载器堆的保留尺寸以及就交给尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为没显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(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,开始经常提交4KB。我们用会见于继承有研究项目布局时讨论IVMap的含义。

图2
显示默认的过程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和特别目标堆(用于大小相等还是超越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指令以保留及JIT代码堆着。GC堆和雅目标堆是用来托管对象实例化的废料回收堆。

图片 7
种类原理

品类原理

类型是.NET编程中之基本单元。在C#受到,类型可以以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,在专门之互动操作(interop)情形与长途对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的发生类型,这些有的类涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们经过一个含有对象引用的库房开始研究.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受到显示的代码包含一个粗略的顺序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创造一个SmallClass的档次实例,该档涵盖一个字节数组,用于演示如何在深目标堆创建对象。尽管就是一样段落无聊之代码,但是足以帮忙我们进行讨论。

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 显示了已在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明在或的情景下用函数参数通过寄存器传递,而任何参数按照从右到左的顺序入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在库结构中。引用类型变量如smallObj以一贯大小(4许节DWORD)保存在栈中,包含了于形似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;在托管世界被,它是目标的援。不管怎样,它含有了一个对象实例的地点,我们拿运用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的库房结构及积聚

图片 8

诚如GC堆上的smallObj对象实例包含一个名叫吧 _largeObj
的字节数组(注意,图备受显示的分寸为85016字节,是实际的储备大小)。CLR对超或等85000字节的对象的拍卖和有些目标不同。大目标在怪目标堆(LOH)上分红,而有点目标在一般GC堆上创造,这样好优化对象的分配与回收。LOH不见面减,而GC堆在GC回收时开展压缩。还有,LOH只会以一齐GC回收时被回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个声明的门类有一个方法表,而平等类型的富有目标实例都对同一个方法表。它蕴含了花色的特点信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现之接口数目,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。

方表指向一个名也EEClass的最主要数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4屡遭,SmallClass的章程表指向她的EEClass。这些构造指向她的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到内,就直到应用程序域卸载时才见面磨。而且,默认的应用程序域不见面被卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

图片 9
靶实例

靶实例

巧使我们说罢的,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 上开创。图 6
显示了一个名列前茅的靶子布局。一个对象可以经以下途径为引用:基于栈的片段变量,在互相操作还是平台调用情况下之语句柄表,寄存器(执行措施时之
this 指针和方参数),拥有终结器( finalizer )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是依靠于目标实例的发端位置,而是发生一个 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
开始计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连接,所以在需要增加表的高低时, CLR
可以在内存中活动是发明。 SyncTableEntry 维护一个反向的身故引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以当未曾外强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个对准
SyncBlock
的指针,包含了好少要为一个对象的备实例使用的中之音。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据和应用程序域的目。对于大部分之目标实例,不会见也实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这同样点于履行线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的说话时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
图片 10

以上述代码中, smallObj 会用 0 作为它们的开端之 syncblk 编号。 lock
语词使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并使用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句子并行使 Monitor 类,一个作为同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会使对象的哈希编码增加 syncblk 。
每当 SyncBlock 中有其他的域,它们于 COM 交互操作与封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时利用,不过当下和超人的目标用处无关。
类句柄紧跟以目标实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在印证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟以列句柄后。默认情况下,实例域会盖内存最实用使用的点子排列,这样单待极度少的当对共同之填充字节。
7
的代码显示了 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 显示了在 Visual Studio 调试器的内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们当图 7 的 return 语句处设置了断点,然后使用 ECX
寄存器保存之 simpleObj 地址以内存窗口展示对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们并未就此其他共同代码用此实例(也没有看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目标实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个属一个的排列于共。两个
short 类型变量 s1 和 s2 也被列于同步。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。字符串是一个特别的门类,因为有着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平等实例。这个历程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的下。我们之前都提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不克挑是否采用此历程,尽管未来版本的 CLR
可能会见提供这样的力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

为此默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的情状下,词典顺序必须让封存至外存中,这时可以动用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以吧吃封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管当 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见如此做)。在彼此操作的气象下,如果你实在要额外的填充充字节和显示的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起行使。

在押罢脚的内存内容后,我们下 SOS 看看对象实例。一个管用之一声令下是
DumpHeap
,它好列出所有的堆内容及一个专程类型的有实例。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址。

!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

目标的终究大小是 36 字节,不管字符串多格外, 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,我们得以使用 DumpObj 命令输出它的情节,如下所示:

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

正而前说过, 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。我们得采取 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)

一经您从目标图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的轻重缓急( 36
字节),就足以获 str 的分寸,即 36 字节。让我们输出 str
实例来验证这个结果:

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

假设您用字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就可以赢得ObjSize命令语的究竟大小72字节。

求留心ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1被,CLR不懂得非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它们不会见为这命令语。

本着方法发明底花色句柄在syncblk编号后分配。在靶实例创建前,CLR查看加载类型,如果没有找到,则展开加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后把路句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在进展艺术分派时行使类句柄来定位方法表。CLR在急需史可以通过措施表反向顾加载类型时使用类句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的显示CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的如出一辙局部,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
所于的公文夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后安装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后以 Immediate 窗口中实践 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的有的发令,关于SOS更多信息,参考这里。

图片 12
方法表

方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会以内存中经过措施表来表示。这是于对象的首先独实例创建前之近乎加载活动的结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到为语言编译器产生的照到内存的首届数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的信与外挂的音可以由此System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中得以经Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的档次句柄指向方法发明开始位置的晃动处,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那进展座谈。

图 9
显示了道发明底天下第一布局。我们见面证明项目句柄的组成部分生死攸关的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让咱们打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它直接涉及及运行时之内存状态。

图 9 方法表布局

图片 13

图片 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类似加载器计算的靶子的深浅,基于代码中宣示的地段。之前已经讨论了,当前GC的贯彻需要一个起码12字节的目标实例。如果一个近似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(可能含syncblk编号)和路句柄占用。再说一差,对象的分寸会遭StructLayoutAttribute的震慑。

看看图3受到显的MyClass(有点儿单接口)的方法发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将它和SOS的出口进行比较。在图9着,对象大小在4字节之皇处,值也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

图片 15
方法槽表(Method Slot Table)

办法槽表(Method Slot Table)

以艺术发明中涵盖了一个槽表,指向各个艺术的叙说(MethodDesc),提供了品种的行为能力。方法槽表是根据方法实现之线性链表,按照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当下类似,父类和接口的首届数据被遍历,然后创建方法表。在排过程遭到,它替换所有的给遮盖的虚方法和受隐形的父类方法,创建新的槽,在用时复制槽。槽复制是不可或缺的,它可给每个接口有好的太小之vtable。但是让复制的槽指向同之情理实现。MyClass包含接口方法,一个近乎构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为保有没有发出显式定义构造函数的目标自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变一个近乎构造函数。图10显了MyClass的计发明的布局。布局显示了10只办法,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面进行座谈。图11著了MyClass的法子发明底SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
图片 16

图11 SOS Dump of MyClass Method Table

!DumpMT -MD 0x9552a0
  Entry  MethodDesc  Return Type       Name
0097203b 00972040    String            System.Object.ToString()
009720fb 00972100    Boolean           System.Object.Equals(Object)
00972113 00972118    I4                System.Object.GetHashCode()
0097207b 00972080    Void              System.Object.Finalize()
00955253 00955258    Void              MyClass.Method1()
00955263 00955268    Void              MyClass.Method2()
00955263 00955268    Void              MyClass.Method2()
00955273 00955278    Void              MyClass.Method3()
00955283 00955288    Void              MyClass..cctor()
00955293 00955298    Void              MyClass..ctor()

外项目的始发4个办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是自System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是还针对相同的措施描述。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在相同组。

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方式描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)

方描述(MethodDesc)是CLR知道的方实现之一个包裹。有几乎栽档次的道描述,除了用于托管实现,分别用于不同之互相操作实现的调用。在本文中,我们仅考察图3代码中之托管方描述。方法描述在类似加载过程中来,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著了一个典型的布局,方法发明的槽实际上对代理,而无是实在的点子描述数据结构。对于实际的主意描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8只叠加字节的一样片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命令。5字节底撼动可以从SOS的DumpMT输出从张,因为方法描述总是方法槽表指向的职位后的5只字节。在率先蹩脚调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5独字节会被超越反到JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12措施描述

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图12的措施表槽指向的代码进行反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反倒汇编的简化显示。

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

现在咱们实施是措施,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

于此地点,只有开始5单字节是代码,剩余字节包含了Method2的道描述的多寡。“!u”命令不亮堂这或多或少,所以生成的凡烂的代码,你可以忽略5单字节后底拥有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中法实现的相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在准要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。让咱从列有底函数中摘一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的办法描述的情节:

!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

办法的这标志域的编码包含了主意的种类,例如静态,实例,接口方法还是COM实现。让咱们看方法表另外一个复杂的面:接口实现。它包裹了布局过程有的错综复杂,让托管环境看就一点拘留起大概。然后,我们用证明接口如何进行布局以及根据接口的措施分派的熨帖工作法。

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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)

于章程发明底第12配节偏移处是一个首要之指针,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之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一破加载时创造。每个接口的兑现还当接口虚表中起一个记录。如果MyInterface1被简单单近乎实现,在接口虚表表中就是闹有限独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的启位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常采取的援。接口虚表是基于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被因类的头条数据创建。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表中的接口信息记录。在这种景象下,对MyClass实现的有数只接口中之各个一个还来些许长长的记下。第一长长的接口信息记录的起来4只字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0意味着从父类派生,1意味出于目前仿佛实现)。在表明后底WORD是一个起来槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的值也4(从0开始编号),所以槽5和6乘为实现;对于MyInterface2,开始槽的价值吗6,所以槽7和8负于实现。类加载器会在待经常复制槽来来这么的功效:每个接口有谈得来之落实,然而物理映射到同样的不二法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2以及MyInterface2.Method2会指向相同之实现。

基于接口的法门分派通过接口虚表进行,而一直的方分派通过保留于相继槽的道描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2个参数在可能的时段一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先个参数总是this指针,所以经ECX寄存器传送,可以于“mov
ecx,esi”语词看到就或多或少:

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

这些反汇编显示了一直调用MyClass的实例方法没有采用偏移。JIT编译器把措施描述的地方直接写及代码中。基于接口的摊派通过接口虚表发生,和直分派相比要有附加的命。一个限令用来取得接口虚表的地点,另一个到手方式槽表中的接口实现之开头槽。而且,把一个对象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惨遭,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)

今天我们看看虚分派,并且与因接口的分摊进行比较。以下是图3中MyClass.Method3的心虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个恒定的槽编号发生,和措施表指针在一定的近乎(类型)实现层次无关。在点子发明布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对爹爹对象的主意调用被分摊到子对象的实现。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所展示)和DumpMT的出口看到就一点。

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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重要性片段。作为艺术发明底同一有,它们分配在法发明底槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对此组织和援的色的静态值对象,通于句柄表中开创的目标引用来对。方法表中的靶子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设的对象实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会如堆上之目标实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的靶子引用,后者对GC堆上的MyString。

图片 22
EEClass

EEClass

EEClass在道发明创建前开生活,它与措施发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和方法表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个路),只不过因为使用频度的例外而让分手。经常使用的域放在方法表,而不经常利用的地段于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,但是运行时需的信(如虚表槽和GC信息)在道表中。

针对各一个类别会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个深受实践引擎跟踪的培养的节点。CLR使用这网络以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-子关系因接口层次以及类加载顺序的咬合。在推行托管代码的进程中,新的EEClass节点被在,节点的涉及被补,新的关联让起。在网被,相邻之EEClass还有一个水准的干。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备受的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13止显示了同此讨论相关的一些域。因为咱们忽略了布局中的有地带,我们尚无于祈求中相当显示偏移。EEClass有一个间接的对于措施发明底援。EEClass也本着于默认应用程序域的屡屡堆分配的法子描述块。在道发明创建时,对过程堆上分红的地面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,这样操作系统可以更好的进行内存分页管理,因此削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

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图13遭逢之其它域在MyClass(图3)的上下文的含义不语自明。我们现在探视用SOS输出的EEClass的着实的物理内存。在mc.Method1替码行设置断点后,运行图3的先后。首先采取命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的率先单参数时模块名,可以于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与DumpClass的出口看起了相同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了当模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指于名吧Program的EEClass,可以知晓贪图13显的凡加载Program时的结果。

MyClass有8只虚表槽(可以让虚分派的办法)。即使Method1和Method2请勿是虚方法,它们得以在经过接口进行摊派时叫认为是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面沾总共10独方法。最后列有底凡看似的片只静态域。MyClass没有实例域。其它地方不言自明。

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Conclusion结论

结论

俺们关于CLR一些绝着重的内在的探讨旅程算终止了。显然,还有好多题目要涉及,而且得以再度可怜的层次上谈论,但是咱想这足以帮你盼东西如何做事。这里提供的森底音可能会见当.NET框架和CLR的新兴本中改,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改,概念应该维持不转移。

趁通用语言运行时(CLR)即将成为当Windows®生支付应用程序的首选架构,对其开展深刻了解会拉您建可行的工业强度的应用程序。在本文中,我们拿探索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。

咱将使用C#修的简便代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见当Microsoft®
.NET Framework 2.0遭受改变,但是要概念应该维持不转换。我们利用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的其中数据结构并出口有因此信息。请参考“Son
of Strike”补充资料,了解怎么用SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的长河空间。本文中,我们将叙在协同享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中来对应实现之好像,你可以从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将救助而在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的组织。

于我们初步前,请留意:本文提供的信就针对以X86平台及运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0呢多数适用,只是在少数交互操作的景下得注意例外),对于.NET
Framework
2.0会晤来反,所以恳请不要在构建软件时因让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地方

以CLR执行托管代码的首先实践代码前,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。它们只能由CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的凡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)和一块享域(Shared
Domain),都是采取了单个(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,也是绝无仅有的有命名的地段。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做。其它的地区可以当托管代码中行使AppDomain.CreateDomain方法创建,或者当非托管的代码中以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量创建多个域。

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2 由CLR启动程序创建的地面

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系统域(System Domain)

系统域负责创建同初始化共享域和默认应用程序域。它以系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围之中采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饱受之一个优化特性,它的拍卖办法显得有点昏头转向,因为CLR没有让程序集时选择这个特性。尽管如此,由于在具备的应用程序域中针对一个特定的记只保留一个遥相呼应的字符串,此特性可节约内存空间。

系统域还担当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。系统域在经过中保持跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的职能。

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共享域(Shared Domain)

享有非属其他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少不了的。它会叫机关加载到一起享域中。系统命名空间的基本类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被受先行加载到本域中。用户代码也可让加载到这个域中,方法是当调用CorBindToRuntimeEx时用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗得加载代码到一块儿享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个使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,这些程序集于加载到默认域(DefaultDomain)和其它在托管代码中创造的应用程序域。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其间运行。尽管有些应用程序需要以运转时创造额外的应用程序域(比如小使用插件,plug-in,架构或者拓展第一之运行时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运转期间就开创一个地区。所有以此域运行的代码都是以地方层次上闹上下文限制。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可以应用System.ContextBoundObject派生的路创建。每个应用程序域有温馨之安康描述符(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。

图片 29回去页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意向是加载不同之周转时CLR部件和优化在域的凡事生命期内存在的构件。这些堆的加强基于可预测块,这样可以假设碎片最小化。加载器堆不同为垃圾回收堆(或者对如多处理器上之几近个堆放),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,分配在频繁堆上,而正如少看的数据结构如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)。

由大层次了解域后,我们准备看看她于一个简约的应用程序的内外文中的情理细节,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来输出域的音讯。(请查看Son
of
Strike
摸底SOS的加载信息)。这里是编制后底出口:

!DumpDomain
System Domain: 793e9d58, LowFrequencyHeap: 793e9dbc,
HighFrequencyHeap: 793e9e14, StubHeap: 793e9e6c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40
Shared Domain: 793eb278, LowFrequencyHeap: 793eb2dc,
HighFrequencyHeap: 793eb334, StubHeap: 793eb38c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40
Domain 1: 149100, LowFrequencyHeap: 00149164,
HighFrequencyHeap: 001491bc, StubHeap: 00149214,
Name: Sample1.exe, Assembly: 00164938 [Sample1],
ClassLoader: 00164a78

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为也“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到手拉手享域,不过因它们是核心系统库,所以呢于系统域中列有。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代办堆。系统域和齐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。

出口没有显示加载器堆的保存尺寸和已交付尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为尚无显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(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,开始时提交4KB。我们以会见于持续有研究项目布局时讨论IVMap的含义。

图2显默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和酷目标堆(用于大小相等还是超过85000字节的靶子),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。

图片 30回去页首

品种原理

花色是.NET编程中的着力单元。在C#惨遭,类型可以采取class,struct和interface关键字展开宣示。大多数类别由程序员显式创建,但是,在特意之互动操作(interop)情形和长途对象调用(.NET
Remoting)场合着,.NET
CLR会隐式的发生类型,这些有的路涵盖COM和运转时只是调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们通过一个带有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惨遭形的代码包含一个简的次,它来一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创立一个SmallClass的种类实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示如何在生目标堆创建对象。尽管就是一律段无聊的代码,但是足以帮忙我们开展座谈。

图5展示了艾以Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明在可能的景况下将函数参数通过寄存器传递,而另外参数按照从右到左的顺序入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内富含在库结构中。引用类型变量如smallObj以定点大小(4许节DWORD)保存在栈中,包含了于一般GC堆着分红的对象的地址。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,它包含了一个对象实例的地址,我们拿采取术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图片 31

图5 SimpleProgram的库结构及积聚

诚如GC堆上的smallObj对象实例包含一个称为也_largeObj的字节数组(注意,图被显示的分寸为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超或当85000字节的目标的处理和有些目标不同。大目标在雅目标堆(LOH)上分红,而略带目标在相似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回收时展开削减。还有,LOH只见面当一齐GC回收时受回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个声明的项目有一个方法表,而平型的具备目标实例都对同一个方法表。它含了品种的特色信息(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。

艺术表指向一个誉为吧EEClass的要害数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4遇,SmallClass的方法表指向她的EEClass。这些组织指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在一块儿享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦被加载到内部,就直到应用程序域卸载时才见面消退。而且,默认的应用程序域不见面被卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

图片 32回到页首

对象实例

正巧而我们说过之,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著了一个名列前茅的对象布局。一个对象足以经以下途径为引用:基于栈的有的变量,在彼此操作还是平台调用情况下之词柄表,寄存器(执行措施时的this指针和法参数),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,而是发生一个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开计数的syncblk编号。因为经索引进行连续,所以在急需增加表的深浅时,CLR可以以内存中移动是发明。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可以在未曾其它强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了异常少得被一个靶的备实例使用的中之音讯。这些信包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据及应用程序域的目。对于绝大多数底靶子实例,不见面吗实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这同一碰在尽线程遇到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言语时会发生变化,如下所示:

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

每当以上代码中,smallObj会如用0作为它们的苗头的syncblk编号。lock语句使得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语句子并使Monitor类,一个作同步的Monitor对象在syncblk上开创。堆GetHashCode的调用会采用对象的哈希编码增加syncblk。

在SyncBlock中生出其他的域,它们于COM交互操作与封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时采取,不过当下和杰出的目标用处无关。

类句柄紧跟以对象实例中的syncblk编号后。为了保全连续性,我会在证实实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟以列句柄后。默认情况下,实例域会盖内存最管用使用的道排列,这样单待极度少的当对同之填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有部分不同尺寸的实例变量。

图8展示了以Visual
Studio调试器的内存窗口被的一个SimpleClass对象实例。我们于图7的return语句处设置了断点,然后用ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口亮对象实例。前4独字节是syncblk编号。因为咱们无就此其他共同代码用这实例(也从未看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存于栈变量的对象实例,指于起始位置的4独字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3及b4叫一个连缀一个底排于联名。两独short类型变量s1和s2也吃列于一道。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指于GC堆中分红的莫过于的字符串实例。字符串是一个特地之类别,因为拥有包含同样仿标记的字符串,会以程序集加载到过程时对一个大局字符串表的一律实例。这个过程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的以。我们事先已提过,在NET Framework
1.1被,程序集不可知选择是否动这进程,尽管未来本的CLR可能会见供这么的能力。

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。在相互操作的动静下,词典顺序必须于保存到外存中,这时可以运用StructLayoutAttribute特性,它产生一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以吧受封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管以.NET
Framework 1.1负,它从不影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0也许会见这样做)。在相互操作的状况下,如果你真的需要分外的填充字节和展示的控制域的次第,LayoutKind.Explicit可以和域层次的FieldOffset特性一起利用。

关押罢脚的内存内容后,我们利用SOS看看对象实例。一个得力之命令是DumpHeap,它可列出所有的积聚内容跟一个专门类型的有所实例。无需依赖寄存器,DumpHeap可以来得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

靶的究竟大小是36字节,不管字符串多良,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的对象引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8只字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地方后,我们可以使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

正要使之前说过,C#编译器对于类似的默认布局使用LayoutType.Auto(对于组织使LayoutType.Sequential);因此类加载器重新排列实例域以无限小化填充字节。我们得以以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)

若果您自目标图的全局大小(72字节)减去SimpleClass的大大小小(36字节),就可赢得str的尺寸,即36字节。让我们输出str实例来说明这个结果:

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

假定您用字符串实例的轻重缓急(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就得落ObjSize命令语的到底大小72字节。

要小心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1遭到,CLR不明白非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它们不会见为这个命令语。

对方法发明底类别句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则开展加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后拿路句柄值追加到对象实例中。JIT编译器产生的代码在展开艺术分派时用类句柄来稳定方法表。CLR以用史可以经过措施表反向顾加载类型时利用类句柄。

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方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会在内存中经艺术表来表示。这是当对象的率先个实例创建前的接近加载活动之结果。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第一数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音与外挂的音信可以经过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中可由此Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的类别句柄指向方法发明开始位置的摇处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算在此处针对那进展座谈。

图9展示了道发明底一流布局。我们见面证明项目句柄的部分重中之重的域,但是于截然的列表,请参考此图。让咱们打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它们直接涉及及运行时之内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由于类似加载器计算的目标的深浅,基于代码中声称的地面。之前就讨论了,当前GC的实现用一个最少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独字节被指向象头(可能含有syncblk编号)和路句柄占用。再说一差,对象的深浅会受StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中形的MyClass(有点儿个接口)的措施发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将它们跟SOS的出口进行比。在图9屡遭,对象大小在4字节的摆处,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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方法槽表(Method Slot Table)

以措施发明中涵盖了一个槽表,指向各个艺术的描述(MethodDesc),提供了花色的行为能力。方法槽表是根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。

类加载器在脚下类似,父类和接口的头条数据遭到遍历,然后创建方法表。在排列过程被,它替换所有的叫遮住的虚方法和让躲的父类方法,创建新的槽,在得时复制槽。槽复制是必不可少的,它好被每个接口有谈得来之极端小的vtable。但是让复制的槽指向同一的大体实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为所有没有起显式定义构造函数的对象自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变卦一个类构造函数。图10展示了MyClass的章程发明底布局。布局显示了10只点子,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会进行讨论。图11显了MyClass的不二法门发明的SOS的出口。

另外类型的开始4个点子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是打System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是都指向相同的法描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别与静态方法以及实例方法分以同等组。

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方法描述(MethodDesc)

方描述(MethodDesc)是CLR知道之办法实现的一个包装。有几种档次的法门描述,除了用于托管实现,分别用于不同的竞相操作实现之调用。在本文中,我们只考察图3代码中之托管方描述。方法描述在看似加载过程遭到发出,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出示了一个典型的布局,方法发明底槽实际上对代理,而无是实际上的不二法门描述数据结构。对于实际的方式描述,这是-5字节的摇,是每个方法的8个叠加字节的一样部分。这5只字节包含了调用预编译代理程序的通令。5字节的晃动可以起SOS的DumpMT输出从张,因为方法描述总是方法槽表指向的职位后的5单字节。在第一涂鸦调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5只字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图片 37

图12 方法描述

针对图12之方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。以下是以Method2让JIT编译前的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

今我们执行这个道,然后倒汇编相同的地址:

!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

以斯地点,只有开始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的章程描述的数。“!u”命令不亮就一点,所以生成的是烂的代码,你可以忽略5个字节后之保有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中法实现的相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在遵照要求编译后,CLR用编译后的代码地址更新此域。让咱从列有底函数中摘一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的方式描述的情节:

!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

方式的斯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。让咱看方法表另外一个错综复杂的方:接口实现。它包裹了布局过程有的复杂性,让托管环境看就一点圈起大概。然后,我们拿证明接口如何进行布局以及因接口的主意分派的贴切工作方式。

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接口虚表图和接口图

当术发明的次序12许节偏移处是一个首要的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一软加载时创造。每个接口的兑现都当接口虚表中产生一个记下。如果MyInterface1被简单单近乎实现,在接口虚表表中就是产生少数独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的始位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常用的援。接口虚表是冲方法发明内含的接口图信息创建,接口图于艺术发明布局过程遭到因类的首数据创建。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措施表中的接口信息记录。在这种景象下,对MyClass实现的星星单接口中之各一个且发出零星漫漫记下。第一修接口信息记录的发端4单字节指向MyInterface1的类型句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从今父类派生,1代表由于时看似实现)。在表明后底WORD是一个开端槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的价值吗4(从0开始编号),所以槽5和6依赖于实现;对于MyInterface2,开始槽的价为6,所以槽7和8拄于实现。类加载器会在用时复制槽来发出如此的效力:每个接口有谈得来之落实,然而物理映射到同一的章程描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2暨MyInterface2.Method2会指向相同之落实。

因接口的不二法门分派通过接口虚表进行,而直白的方法分派通过保留于挨家挨户槽的办法描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2个参数在或的时一般经过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,可以于“mov
ecx,esi”语词看到就一点:

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

这些倒汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法无行使偏移。JIT编译器把方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,和一直分派相比要部分格外的授命。一个令用来取接口虚表的地址,另一个拿走方式槽表中之接口实现的开始槽。而且,把一个靶实例转换为接口就待拷贝this指针到对象的变量。在图2遭,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)

现行咱们省虚分派,并且和依据接口的摊进行比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

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

虚分派总是通过一个定位的槽编号发生,和办法表指针在特定的接近(类型)实现层次无关。在术发明布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的兑现。结果,对父亲对象的措施调用被分派到子对象的实现。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所示)和DumpMT的出口看到这或多或少。

图片 40回到页首

静态变量

静态变量是方法表数据结构的要组成部分。作为艺术发明底相同有的,它们分配在艺术发明底槽数组后。所有的初静态类型是内联的,而于组织及援的项目的静态值对象,通在句柄表中创造的目标引用来针对。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,它引用了堆积上创立的目标实例。一旦创立后,句柄表内的对象引用会如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指于句柄表的对象引用,后者对GC堆上之MyString。

图片 41回去页首

EEClass

EEClass在方式发明创建前开始生活,它和办法发明组成起来,是种声明的CLR版本。实际上,EEClass和方表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个品类),只不过因为用频度的不比而深受分开。经常用的域放在方法表,而非常下的地区于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,但是运行时欲之信(如虚表槽和GC信息)在方式表中。

针对各一个色会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个叫实践引擎跟踪的栽培的节点。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。在尽托管代码的经过中,新的EEClass节点被在,节点的涉及被补充,新的关联让树。在网被,相邻之EEClass还有一个程度的干。EEClass有三个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面临的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13。

图13特显示了跟之讨论相关的一些域。因为咱们忽略了布局中的一些域,我们没以祈求中适当显示偏移。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数堆分配的章程描述块。在艺术发明创建时,对经过堆上分红的地方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,这样操作系统可以再次好之进行内存分页管理,因此削减了办事集。

图片 42

图13 EEClass 布局

祈求13遇之其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不发话自明。我们本看用SOS输出的EEClass的真的的情理内存。在mc.Method1代表码行设置断点后,运行图3的次第。首先利用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地方。

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

Name2EE的率先独参数时模块名,可以于DumpDomain命令得到。现在我们得到了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及DumpClass的出口看起了相同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从互动邻链指于名吧Program的EEClass,可以解贪图13显得的凡加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以于虚分派的法)。即使Method1和Method2休是虚方法,它们得以当经过接口进行摊派时受当是虚函数并进入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面博得总共10单道。最后列有底是相近的片独静态域。MyClass没有实例域。其它地区不出口自明。

图片 43返页首

Conclusion结论

咱俩关于CLR一些无比要的内在的探讨旅程算终止了。显然,还有不少题目亟需涉及,而且亟需以更要命的层次上谈论,但是咱愿意这得扶持你看到东西如何做事。这里提供的不少底音可能会见在.NET框架和CLR的新兴本中改变,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大凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的均等曰架构师。他在微软今的角色是扶持客户基于.NET框架建立可扩大的机件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
凡是微软支付支持高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他当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,习惯使用C++和C#开应用程序。闲暇时间他喜爱音乐,旅游同怀旧游戏,并且愿意帮MSDN翻译更多的文章和任何开发者共享。可以通过ecaijw@msn.com联系他。

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