Bootstrap深远探索.NET框架之中领会CLR怎么样创立运行时对象

默认域(Default Domain)

默认域是使用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在中间运行。即便有些应用程序需要在运作时成立额外的运用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举行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转期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。假诺一个应用程序有多少个使用程序域,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行使System.ContextBoundObject派生的项目缔造。每个应用程序域有温馨的安全描述符(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,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

虚分派(Virtual Dispatch)

近日我们看看虚分派,并且和基于接口的摊派举行比较。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稳定的槽编号爆发,和艺术表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在情势表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的兑现。结果,对父对象的形式调用被分摊到子对象的落实。反汇编展现了分派通过8号槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那或多或少。

品类原理

项目是.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,在特其它互动操作(interop)状况和长距离对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的暴发类型,这多少个爆发的花色涵盖COM和周转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱俩因而一个含有对象引用的栈最先琢磨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例开端生命期的地点)。
图4中显示的代码包含一个简便的次序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创制一个SmallClass的品类实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目标堆创立对象。虽然那是一段无聊的代码,可是足以扶持我们开展座谈。

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 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,它表达在可能的状态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逐条入栈,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++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么着,它富含了一个对象实例的地方,大家将应用术语对象实例(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

Bootstrap 1

相似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为 _largeObj
的字节数组(注意,图中显得的轻重为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超越或等于85000字节的对象的处理和小目的不同。大目的在大目标堆(LOH)上分红,而小目标在相似GC堆上创设,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会回落,而GC堆在GC回收时展开压缩。还有,LOH只会在完全GC回收时被回收。

smallObj的目的实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个阐明的档次有一个方法表,而同等系列的拥有目的实例都对准同一个方法表。它涵盖了项目的风味信息(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。

主意表指向一个名为EEClass的首要性数据结构。在措施表创制前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的艺术表指向它的EEClass。这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。加载器堆和动用程序域关联,这里提到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烟消云散。而且,默认的应用程序域不会被卸载,所以这一个代码的生存期是截至CLR关闭停止。

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功能是加载不同的运转时CLR部件和优化在域的全体生命期内设有的部件。这一个堆的加强基于可预测块,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四个堆),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,分配在频繁堆上,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)。

从高层次精晓域后,我们准备看看它们在一个概括的应用程序的上下文中的情理细节,见
图3。大家在程序运行时停在mc.Method1(),然后利用SOS调试器扩大命令DumpDomain来输出域的音信。(请查看
Son of
Strike
叩问SOS的加载信息)。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();
    }
}

我们的控制台程序,山姆ple1.exe,被加载到一个名为”山姆(Sam)ple1.exe”的利用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,不过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相同的类加载器,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给尺寸。高频堆的起头化大小是32KB,每回提交4KB。SOS的出口也远非彰显接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域初叶化阶段成立。IVMap保留大小是4KB,最先时交由4KB。大家将会在持续部分研讨项目布局时琢磨IVMap的意义。

图2
展现默认的长河堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目的堆(用于大小相等依然超过85000字节的靶子),它表达了这个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器爆发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品回收堆。

共享域(Shared Domain)

抱有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。系统命名空间的骨干类型,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那一个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时利用由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,方法是使用System.LoaderOptimizationAttribute特性阐明Main方法。共享域还管理一个采纳基地址作为目录的顺序集映射图,此映射图作为管理共享程序集倚重关系的查找表,这一个程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和此外在托管代码中开创的行使程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

目录

CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

在CLR执行托管代码的率先行代码前,会创立三个利用程序域。其中多少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,这个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是采用了单件(Singleton)形式。第六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,默认的域名由可实行映象文件的名字组成。此外的域可以在托管代码中利用AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中选取ICORRuntimeHost接口创制。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会遵照应用程序的数额成立四个域。

图 2 由CLR启动程序创制的域 ↓

Bootstrap 2

办法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的方法实现的一个包裹。有几体系型的法子描述,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,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暴发,伊始化为指向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显示了一个独立的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的章程描述数据结构。对于实际的章程描述,那是-5字节的偏移,是每个方法的8个附加字节的一局部。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命令。5字节的舞狮可以从SOS的DumpMT输出从观看,因为方法描述总是方法槽表指向的职位前面的5个字节。在首次调用时,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代码的义诊跳转指令覆盖。

图 12艺术描述

Bootstrap 3

图12的不二法门表槽指向的代码举办反汇编,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

现行我们实践此方法,然后反汇编相同的地点:

!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,只有起始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的章程描述的数据。“!u”命令不亮堂这或多或少,所以生成的是乱套的代码,你可以忽略5个字节后的保有东西。

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编译前后的形式描述的始末:

!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

方法的这几个标志域的编码包含了办法的花色,例如静态,实例,接口方法或者COM实现。让大家看方法表另外一个犬牙交错的方面:接口实现。它包裹了布局过程具有的扑朔迷离,让托管环境觉得这或多或少看起来大概。然后,大家将注明接口怎么着举行布局和依照接口的办法分派的贴切工作章程。

基实例大小

基实例大小是由类加载器统计的靶子的分寸,基于代码中声称的域。在此以前已经研商过,当前GC的贯彻需要一个起码12字节的靶子实例。假诺一个类没有概念任何实例域,它至少含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和档次句柄占用。再说五回,对象的大大小小会惨遭StructLayoutAttribute的影响。

Bootstrap,看看图3中展现的MyClass(有六个接口)的不二法门表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举办比较。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

方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中通过艺术表来表示。这是在目的的首先个实例创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暴发的投射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯和外挂的消息方可由此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中可以通过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的档次句柄指向方法表初阶地方的舞狮处,偏移量默认意况下是12字节,包含了GC消息。大家不打算在此处对其举办商量。

图 9
显示了措施表的一枝独秀布局。我们会注解项目句柄的有些重要的域,但是对于截然的列表,请参考此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)开端,因为它直接涉及到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

Bootstrap 4

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目标布局和内存细节。
  • 主意表布局。
  • 措施分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创立应用程序的主角级基础架构,
多领悟点关于CLR的深度认识会支援你构建高速的, 工业级健壮的应用程序.
在这篇作品中, 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, 和各样各类的多少结构.

俺们会接纳由C#写成的至极简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为对象的.
研究的一对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. 我们会利用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些多少结构.
SOS可以清楚CLR内部的数据结构, 能够dump出有用的消息. 通篇,
我们会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中具备相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会襄助你在搜寻一些构造的时候到SSCLI中的音信.

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

在大家开头前,请留意:本文提供的音信只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1立竿见影(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在少数交互操作的事态下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时依赖于这多少个内部结构的不变性。

静态变量(Static Variables)

静态变量是措施表数据结构的严重性组成部分。作为艺术表的一局部,它们分配在艺术表的槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对于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对象引用,它引用了堆上创设的目的实例。一旦创立后,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。

系统域(System Domain)

系统域负责创设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采纳的蕴藏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,它的拍卖方法显得略微昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选用此特性。固然如此,由于在装有的拔取程序域中对一个一定的号子只保留一个相应的字符串,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。系统域在过程中保持跟踪所有域,并促成加载和卸载应用程序域的功效。

措施槽表(Method Slot Table)

在形式表中涵盖了一个槽表,指向各样艺术的叙述(MethodDesc),提供了项目的行为能力。方法槽表是按照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隐形的父类方法,创立新的槽,在需要时复制槽。槽复制是少不了的,它能够让每个接口有自己的蝇头的vtable。不过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)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为持有没有显式定义构造函数的目标自动生成。因为大家定义并起先化了一个静态变量,编译器会转变一个类构造函数。图10显示了MyClass的措施表的布局。布局展现了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下边我们会进展琢磨。图11来得了MyClass的法子表的SOS的输出。

图10 MyClass MethodTable Layout
Bootstrap 5

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()

其他项目的起首4个点子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是都指向相同的措施描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

目的实例

正如我辈说过的,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
展现了一个一级的对象布局。一个对象可以透过以下途径被引用:基于栈的局部变量,在竞相操作依然平台调用情状下的句柄表,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先导地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
先河计数的 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
可以在内存中活动这多少个表。 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
可以在没有其他强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保留了一个针对性
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音讯。这一个音讯包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和采取程序域的目录。对于绝大多数的目的实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。那点在实践线程遭遇如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的话语时会发生变化,如下所示:

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

图 6 对象实例布局
Bootstrap 6

在以上代码中, smallObj 会使用 0 作为它的序幕的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 创造一个 syncblk 入口并动用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩大为 try-finally 语句并利用 Monitor 类,一个当作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会选用对象的哈希编码增添 syncblk 。
在 SyncBlock 中有任何的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时选取,但是那和卓绝的目标用处无关。
花色句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保全连续性,我会在证实实例变量后商量类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在类型句柄后。默认情况下,实例域会以内存最实惠运用的艺术排列,这样只需要最少的当作对齐的填充字节。
7
的代码突显了 SimpleClass 包含有一些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 展现了在 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,然后采取 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。因为大家从未用别样共同代码应用此实例(也尚未访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的目标实例,指向最先地点的 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共同。两个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在协同。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分红的实在的字符串实例。字符串是一个专门的品类,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一律实例。这些进程称为字符串驻留(
string interning ),设计目标是优化内存的利用。我们事先已经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可能采取是否使用这么些历程,尽管将来版本的 CLR
可能会提供这么的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
Bootstrap 7

之所以默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的情况下,词典顺序必须被保留到内存中,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,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它并未影响托管的布局(不过 .NET Framework 2.0
可能会这么做)。在相互操作的图景下,假若你真正需要额外的填充字节和显示的控制域的逐条,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 菲尔德(Field)Offset 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,我们接纳 SOS 看看对象实例。一个实用的命令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专门类型的拥有实例。无需依靠寄存器,
DumpHeap 可以显得大家创立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
实例的地点后,我们得以采纳 DumpObj 命令输出它的内容,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

正如往日说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团采用 LayoutType.Sequential
);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家得以采用 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)

即便你从目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的尺寸( 36
字节),就能够拿到 str 的深浅,即 36 字节。让我们输出 str
实例来表明那多少个结果:

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

万一你将字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就可以取得ObjSize命令报告的总大小72字节。

请留意ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不知情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。

本着方法表的体系句柄在syncblk编号后分配。在对象实例成立前,CLR查看加载类型,倘若没有找到,则展开加载,得到方法表地址,成立对象实例,然后把项目句柄值追加到目标实例中。JIT编译器暴发的代码在开展情势分派时行使项目句柄来定位方法表。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调试器扩充程序用于本文化的突显CLR数据结构的始末,它是 .NET
Framework 安装程序的一片段,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程以前,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 窗口中实施 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的局部下令,关于SOS更多信息,参考这里

EEClass

EEClass在章程表创设前最先生活,它和章程表组成起来,是序列表明的CLR版本。实际上,EEClass和措施表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只然而因为运用频度的不同而被分手。平日利用的域放在方法表,而不通常利用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的新闻(如名字,域和摇头)在EEClass中,可是运行时索要的信息(如虚表槽和GC音讯)在点子表中。

对每一个品类会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个被实践引擎跟踪的树的节点。CLR使用那么些网络在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整合。在进行托管代码的过程中,新的EEClass节点被投入,节点的关系被填补,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个程度的涉嫌。EEClass有三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只彰显了和这些啄磨有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,我们并未在图中适量展现偏移。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往往堆分配的模式描述块。在艺术表创立时,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信息。EEClass在动用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的开展内存分页管理,由此削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

Bootstrap 8

图13中的其余域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们后日探视使用SOS输出的EEClass的实在的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先采纳命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的第一个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在我们取得了EEClass的地方,大家输出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。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以领略图13体现的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的艺术)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们得以在经过接口举办摊派时被认为是虚函数并出席到列表中。把.cctor和.ctor插足到列表中,你会获取总共10个章程。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。

原文地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原稿发布日期: 9/19/2005
初稿已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发现众多篇章图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface Map)

在点子表的第12字节偏移处是一个重大的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个行使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在接口类型首次加载时创制。每个接口的落实都在接口虚表中有一个记录。如果MyInterface1被六个类实现,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发端地方,如图9所示。那是接口方法分派暴发时采取的引用。接口虚表是依照方法表内含的接口图信息成立,接口图在格局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字节地方的接口图会指向内含在点子表中的接口音信记录。在这种情景下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的起头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代表由目前类实现)。在阐明后的WORD是一个方始槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起先槽的值为4(从0发轫编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起首槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来暴发那样的机能:每个接口有友好的实现,不过物理映射到同一的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

依据接口的法子分派通过接口虚表举行,而一向的办法分派通过保留在一一槽的点子描述地址举行。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通过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

这些反汇编显示了一贯调用MyClass的实例方法没有动用偏移。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暴发,和直接分派相比需要有些非凡的吩咐。一个指令用来收获接口虚表的地方,另一个赢得模式槽表中的接口实现的伊始槽。而且,把一个对象实例转换为接口只需要拷贝this指针到目的的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的目的引用拷贝到mi1。

结论

大家关于CLR一些最根本的内在的追究旅程终于终止了。显明,还有许多题材需要涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,不过我们期望这可以扶助你看到东西如何工作。这里提供的诸多的音信或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该保持不变。

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