CLR的執行模型(C#)


好好學習底層運行機制,從CLR via C# 開始。

CLR的執行模型:

    CLR:Common Language Runtime,是一個可由多種編程語言使用的“運行時”。CLR的核心功能(比如內存管理、程序集加載、安全性、異常處理和線程同步)可由面向CLR的所有語言(C#,Visual Basic,F#等)使用。

1.將源代碼編譯成托管模塊:                                                  

    CLR根本不關心開發人員用那一種語言來寫源代碼,說明我我們寫C#代碼的時候肯定還經過一定的步驟才能跟CLR,於是就需要相應的面向CLR的、可以編譯C#代碼的編譯器,以便CLR可以識別你寫的東西。這個編譯器會檢查語法和分析源代碼,產生的是一個托管模塊

 

    托管模塊是一個可以在CLR中執行的PE(Portal Executable)文件。

    書中介紹托管模塊由PE32或PE32+頭、CLR頭、元數據、IL(中間語言)代碼。看的時候個人覺得理解元數據和IL比較重要。

    元數據:包含兩種類型的元數據表:一個表描述源代碼中定義的類型和成員;另一個表描述源代碼引用的類型和成員 。

    IL(中間語言)代碼:編譯器編譯源代碼時生成的代碼。在運行時,CLR將IL編譯成本地CPU指令。(IL代碼有時稱為托管代碼,因為CLR要管理它的執行)

2. 將托管代碼合並成程序集:                                                

“CLR實際不和模塊一起工作。相反,它是和程序集一起工作的。”

    前面說到CLR不會識別你的具體語言,需要相應編譯器生成相應的托管模塊。這會又說實際不和模塊一起工作,引入了程序集的概念。文中說程序集是一個抽象的概念,初學者往往難以把握它的精髓。但我看到程序集(assembly)的時候就有一種無比熟悉的感覺,很經常聽到這個詞,我感覺我離真相又近了一步。 

    就不再抄書中的概念了,抄個圖:

 

 

3. 加載公共語言運行時:                                                     

    你生成的程序集既可以是一個可執行的應用程序,也可以是一個DLL(其中含有一組由可執行程序使用的類型)。最終由CLR管理這些程序集中代碼的執行。

    加載公共語言進行時是window的事,我們可以考慮在window的一系列操作之后會初始化CLR,然后加載exe程序集,然后調用其入口方法(Main)。隨即,托管的應用程序將啟動並運行。

4. 執行程序集的代碼:                                                       

    在第一步,即源代碼編譯成托管模塊的時候提到:元數據總是和包含IL代碼的文件關聯,由於編譯器同時生成元數據和代碼,把它們綁定一起,並嵌入最終生成的托管模塊,所以元數據和它描述的IL代碼永遠不會失去同步。

    可想而知,當你調用入口方法(Main)的時候,元數據也跟着進來了,它們是一對好基友

 

 

    當你調用Console.WriteLine(“Hello”);時,肯定和它的元數據脫不了干系,元數據可是管着着其定義或者引用的數據結構,所以當Main方法引用了一個Console類型時,就導致了CLR分配一個內部結構。在這個內部結構中,Console類型定義的每個方法都有一個對應的記錄項。每個記錄項都容納了一個地址,根據此地址即可找到方法的實現(是不是類似C中的指針?),對這個結構進行初始化時,CLR將每個記錄項設置(指向)包含在一個函數中(JITCompiler),圖例中可以很清楚的獲知JITCompiler 函數的作用。 

    當第二次調用同樣的方法時,如Main第二次調用WriteLine。這一次,由於已對WriteLine的代碼進行了驗證和編譯,所以會直接執行內存塊中的代碼,完全跳過JITCompiler函數。WriteLine方法執行完畢之后,會再次返回Main。所以一個方法只有在首次調用的時候才會造成一些性能損失。以后對該方法的所有調用都以本地代碼的形式全速運行,無需重新驗證IL並把它編譯成本地代碼。 

    JIT編譯器(JITCompiler)將本地CPU指令存儲到動態內存中。一旦應用程序終止,編譯好的代碼也會被丟棄。

 

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