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01.由浅入深学习.NET CLR 基础系列之CLR 的执行模型

2024-07-31 21:41:15   217人阅读

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.Net 从代码生成到执行，这中间的一些列过程是一个有别于其他的新技术新概念，那么这是一个什么样的过程呢，有什么样的机制呢，清楚了这些基本的东西我们做.Net的东西方可心中有数。那么，CLR的执行模型是一个什么样的过程呢？   

将源代码编译成托管模块 --> 将托管模块合并成程序集 --> 加载公共语言运行时 --> 执行程序集的代码   

目录
  • 将源代码编译成托管模块
  • 将托管模块合并成程序集
  • 加载公共语言运行时
  • 执行程序集的代码
  • 本地代码生成器：NGen.exe
  • Framwork类库入门
  • 通用类型系统
  • 公共语言规范（CLS）
  • 与非托管代码的互操作性 

  

将源代码编译成托管模块 

首先.Net开发是支持多语言选择或者混合语言编程的，代码的编译是采用编译器面向CLR的机制，即，无论何种语言编写的代码，只要采用的编译器是面向CLR的就可以了。   

Common Language Runtime：公共语言运行时，可由多种编程语言使用的"运行时"。CLR的核心功能（比如内存管理，程序集加载，安全性，异常处理和线程同步）可由面向CLR的所有语言使用。

Managed module：托管模块，即编译器编译的结果都是一个托管模块。

IL：每个面向CLR的编译器生成的都是IL（中间语言）代码。也成为托管代码，因为CLR要管理它的执行。

Native code compiler：本地代码编译器。生成的是面向特定CPU架构（X86、X64、IA64）的代码。

Metadata：元数据。是一种数据表，其中一些数据描述了模块中定义的内容，比如类型和成员；还有些数据描述了模块引用的内容，比如导入的类型及其成员。元数据总是和包含IL代码的文件关联，永远是同步的。

  

  

将托管模块合并成程序集

  

上图显示了托管模块合并成程序集的过程。

程序集（assembly）的理解：一个或者多个模块/资源文件的逻辑性分组；程序集是重用、安全性、版本控制的最小单元。

从上图显示可看出程序集（assembly）包含一个名为"清单"（manifest）的数据块，它是由元数据表构成的另一种集合，描述了构成程序集的文件。

另一个地方就是AL.exe:程序集连接器

  

加载公共语言运行时

  

Windows 检查EXE文件头：

PE32：需要32位地址空间，可在32位/64位地址空间中运行

PE32+：需要64位地址空间

CPU架构信息，确保当前CPU是符合要求的

  

创建32/64/WoW64位进程 ：根据exe文件头创建的

  

加载MSCorEE.dll: 该文件在C:\Windows\SysWow64 或 C:\Windwos\Sys

  

看上面的流程还是比较清晰的。

  

执行程序集的代码  

为了执行一个方法，首先必须把它的IL转换成本地的CPU指令。这是CLR的JIT（just-in-time或者"即时"）编译器的职责。从示意图来分析其过程是如何的。

  1. Mian()执行之前，CLR先检测出Main的代码所引用的所有类型.
  2. 分配内部数据结构，用于管理所引用类型的访问，如图Console类型，Console类型定义的每一个方法都有一个对应的entry（记录项）。每个entry都容纳了一个地址，根据此地址即可找到方法的实现.对这个结构进行初始化时，CLR将每个记录项都设置成（指向）包含在CLR内部的一个未文档化的函数，这个函数即为JITCompiler
  3. Main函数首次调用WriteLine时，JITCompiler函数会被调用。

    JITCompiler 函数调用时，JITCompiler在定义该类型的程序集的元数据中查找被调用方法的IL

    -->验证IL

    -->编译成本地CPU指令

    -->返回到刚才的记录，并修改对JITCompiler的引用，指向刚才编译的内存块的地址

    -->JITCompiler函数跳转到刚才的内存块执行

    -->返回到Mian继续执行

      

  4. Main函数第二次调用WriteLine时

  

本地代码生成器：NGen.exe

NGen.exe：.NET Framework 提供的工具，可以在一个应用程序安装到目标计算机上时，将IL代码编译成本地代码。

  

NGen.exe终于作用：

  1. 加快应用程序的启动速度
  2. 减少应用程序的工作集（working Set）

  

位置：类似C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319

命令语法：

ngen <action> [options]

ngen /? | /help

  

Framework类库  

FCL：Framework Class Library 是一组DLL程序集的统称。

  

通用类型系统 

CTS：Common Type System，它描述了类型的定义和行为。

  

公共语言规范  

CLS：Common Language Specification

相信混合语言的编程才迫使微软制定了CLS。CLS解决的问题是使用不同的语言创建的对象能够相互通信。要创建很容易从其他语言中访问的类型，只能从自己的编程语言中挑选其他语言都确定支持的那些功能。

这就要求任何编译器生成的类型要想兼容于由其他"符合CLS、面向CLR的语言"所生成的组件，就必须支持这个最小功能集。

  

告诉编译器需要检查CLS兼容性的语法

[assembly:CLSCompliant(true)]

namespace SomeLibrary

{

}

  

与非托管代码的互操作性 

为了迎合之前的非托管代码的用户，微软通过CLR提供了一些机制，允许应用程序中同时包含托管和非托管代码。

  1. 托管代码能调用DLL中的非托管函数
  2. 托管代码可使用现有的COM组件（服务器）
  3. 非托管代码可使用托管类型（服务器）

  

本文还是主要学习了一些.NET平台设计的一些架构思想和概念，应该在整体上对.NET有一个基本的认识。

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