《NET CLR via C#》笔记---第一章（CLR，托管模块，程序集，JIT，AOT，IL，FCL，CTS，CLS）

公共语言运行时（Comon Languague Runtitle, CLR）

是一个可由多种编程语言使用的“运行时”，CLR的核心功能（例如内存管理、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，事实上在运行时，CLR根本不关心用哪种语言写源代码，只要编译器是面向CLR的，例如：

  • C++/CLI
  • C#
  • Visual Basic
  • F#
  • IL
    需要注意的是，高级语言通常只公开了CLR全部功能中的一个子集（IL汇编语言开发人员访问CLR的全部功能）。所以，如果你选择的编程语言隐藏了所需要的一个CLR功能，可以换用IL汇编语言或者提供所需功能的另一种语言来实现。

CLR使得“混合语言编程”成为开发项目一个指得慎重考虑的选择。下面列一下C++与C#交互的具体例子：

首先，编写一个简单的C++动态链接库（DLL），其中包含一个函数用于演示：

#include <iostream>

// 导出函数
extern "C" __declspec(dllexport) int Add(int a, int b) 
{
    return a + b;
}

编译这个C++代码生成DLL文件，比如命名为Example.dll。
接下来，在C#中使用P/Invoke来调用这个C++ DLL中的“Add”函数：

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        // 声明来自DLL的函数
        [DllImport("Example.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
        public static extern int Add(int a, int b);

        static void Main(string[] args)
        {
            int result = Add(3, 5);
            Console.WriteLine($"3 + 5 = {result}");
        }
    }
}

详细步骤：

  1. 编写C++代码：编写并编译C++代码生成DLL文件。确保使用extern "C"和__declspec(dllexport)来导出函数。
  2. 编写C#代码：在C#代码中使用[DllImport]属性声明从DLL导入的函数，并调用这个函数。
  3. 运行C#代码：确保C++生成的DLL文件在C#项目的输出目录（如bin/Debug或bin/Release）中，以便C#程序能够找到并加载该DLL。

编译源码

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图1-1展示了编译源码文件的过程：

  1. 可用支持CLR的任何语言创建源代码文件
  2. 用对应的编译器检查语法和分析源代码
  3. 最终会生成托管模块，托管模块是标准的32位Microsoft Windows可移植执行体（PE32）文件，或者是标准的64位Windows可移植执行体（PE32+）文件

托管模块可用简单看作是exe文件，例如我新开个C#应用工程
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点击重新生成解决方案，会在对应的bin/Debug目录下生成PE文件（ConsoleApp1.exe）
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验证方法，可用Microsoft自带的ildasm.exe工具(目录在C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs\Windows\v10.0A\bin\NETFX 4.6.2 Tools下)，该工具专门用来反汇编PE文件，打开ildasm后，将ConsoleApp1.exe文件拖入ildasm中，可以看到看看写的反汇编代码
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要注意的点是，如果exe文件不含有CLR头，则ildasm文件会报错，提示“XXX没有有效的CLR头，无法反汇编”,附下托管模块各个部分的截图
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托管模块

每个面向CLR的编译器生成的都是IL（中间语言，托管代码）代码，除了生成IL，还会生成完整的元数据（metadata），元数据描述了模块中定义的类型和成员，以及模块引用的类型和成员。
元数据总是与包含IL代码的文件关联（元数据总是嵌入和代码相同的EXE/DLL文件中），这使得二者密不可分。由于编译器同时生成元数据和代码，把它们绑定一起，并嵌入到最终生成的托管模块，所以元数据和它描述的IL代码永远不会失去同步。

Microsoft的C#，Visual Basic，F#和IL汇编器总是生成包含托管代码（IL）和托管数据（可进行垃圾回收的数据类型）的模块。这些模块需要用户安装好CLR（目前作为.NET Framework的一部分提供）
Microsoft的C++编译器则默认生成包含非托管（native）代码的EXE/DLL模块，并在运行时操纵非托管数据（native内存）。这些模块则不需要CLR即可执行。

程序集

CLR实际不和模块工作，它和程序集工作。程序集是一个或多个模块/资源文件的逻辑性分组。其次，程序集是重用、安全性以及版本控制的最小单元。取决于你选择的编译器或工具，既可以生成单文件程序集，也可以生成多文件程序集。在CLR的世界中，程序集相当于“组件”
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图中一些托管模块和资源文件准备交由一个工具处理。工具生成，代表文件逻辑分组的一个PE32(+)文件，这个PE32(+)文件包含了一个名为清单（manifest）的数据块。清单也是元数据表的集合。这些表描述了构成程序集的文件、程序集中的文件所实现的公开（public）导出的类型以及与程序集关联的资源或数据文件。

编译器模块将生成的托管模块转换成程序集，即，C#编译器生成的是含有清单的托管模块。
对于只有一个托管模块而且无资源文件的项目，程序集就是托管模块，生成过程中无需执行任何额外的步骤。但是，如果希望将一组文件合并到程序集中，就必须利用更多的工具。

生成的每个程序集既可以是可执行的应用程序，也可以是DLL（其中含有一组可执行程序使用的类型）。

JIT编译

为了执行方法，首先必须把方法的IL转换成本机（native）CPU指令。这是CLR的JIT（just-in-time）编译器的职责。
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  1. 在Main方法执行前，CLR会检测出Main的代码引用的所有类型，这导致CLR分配一个内部数据结构来管理对引用类型的访问。
  2. 图1-4的Main方法引用了一个Console类型，导致CLR分配了一个内部数据结构。在这个内部数据结构中，Console类型定义的每个方法都有一个对应的记录项，每个记录项都含有一个地址，根据此地址即可找到方法的实现。
  3. 对这个内部数据结构初始化时，CLR将每个记录项都设置成（指向）包含在CLR内部的一个未编档函数 。该函数被称为JITCompiler。
  4. Main方法首次调用WriteLine时，JITCompiler函数会被调用。JITCompiler函数负责将方法的IL代码编译成本机CPU指令。由于IL是“即时”（just-in-time）编译，所以通常将CLR这个组件称为JITer或者JIT编译器。
  5. JITCompiler函数被调用时，它知道要调用的是哪个方法，以及具体是什么类型定义了该方法。然后，JITCompiler会在定义（该类型的）程序集的元数据中查找被调用方法的IL。
  6. 接着，JITCompiler验证IL代码，并将IL代码编译成本机CPU指令，本机CPU指令保存到动态分配的内存块中。
  7. 然后，JITCompiler回到CLR为类型创建的内部数据结构，找到与被调用方法对应的那条记录项，修改最初对JITCompiler的引用，使其指向内存块（其中包含了刚才编译好的本机CPU指令）的地址。
  8. 最后，JITCompiler函数跳转到内存块中的代码，这些代码正是WriteLine方法的具体实现，代码执行完毕并返回时，会回到Main中的方法，并像往常一样继续执行。

（博主的话：7,8应该是编译成本机代码并缓存，这样第二次调用不需要重新JIT编译)
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  1. 现在，Main要第二次调用WriteLine。这一次，由于已对WriteLine的代码进行了验证和编译，所以会直接执行内存块中的代码，完全跳过JITCompiler函数。WriteLine执行完毕后，会再次回到Main。

方法仅在首次调用才会有一些性能损失。以后对该方法的所有调用都以本机代码的形式全速运行，无需重新验证IL并把它编译成本机代码。

JIT编译器将本机CPU指令存储到动态内存中。这意味着一旦应用程序终止，编译好的代码也会被丢弃。还要注意，CLR的JIT编译器会对本机代码进行优化，以C#为例，2个C#编译器开关会影响代码优化：/optimize和/debug。

使用/optimize-，在C#编译器生成的未优化IL代码中，将包含许多NOP（no-operation，空操作）指令，还包含许多跳转到下一行代码的分支指令。Visual Studio利用这些指令在调试期间提供“编辑并继续”功能。另外，利用这些额外的指令，还可在控制流程指令（比如for，while，do，if，else，try，catch和finally语句块）上设置断点，使代码更容易调试。

优化后IL代码，C#编译器会删除多余的NOP和分支指令。代码会难以进行调试，不过优化后的IL代码变得更小，结果EXE/DLL文件也更小，且会更易读。

另外，只有指定/debug(+/full/pdbonly)开关，编译器才会生成Program Database(PDB)文件。PDB文件帮助调试器查找局部变量并将IL指令映射到源代码。/debug:full开关告诉JIT编译器你打算调试程序集，JIT编译器会记录每条IL指令所生成的本机代码。这样一来，就可利用Visual Studio的“即时”调试功能，将调试器连接到正在运行的进程，并方便对源码进行调试。

AOT

.NET Framework SDK配套提供了NGen.exe工具。该工具将程序集的所有IL代码编译成本机代码，并将这些本机代码保存到一个磁盘文件中。在运行加载程序集时，CLR自动判断是否存在该程序集的预编译版本。如果是，CLR就加载预编译代码。这样就避免了运行时进行编译。

不过，NGen.exe对最终执行环境的预设是很保守的，所以，NGen.exe生成的代码不会像JIT编译器生成的代码那样进行高度优化，下面是NGen.exe的使用流程。

安装和准备

  1. 确保.NET Framework安装：ngen.exe是.NET Framework的一部分，因此需要确保系统上安装了相应版本的.NET Framework
  2. 找到ngen.exe，通常位于.NET Framework的安装目录中，例如：
    C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319\ngen.exe（对于32位）C:\Windows\Microsoft.NET\Framework64\v4.0.30319\ngen.exe（对于64位）

使用ngen.exe预编译程序集

假设你有一个名为MyApp.exe的C#应用程序，以下是如何使用ngen.exe预编译它的步骤：

  1. 编译并生成C#应用程序：
    创建一个简单的C#应用程序，编译生成MyApp.exe:
using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine("Hello, World!");
    }
}
  1. 使用ngen.exe生成本机映像：
    打开命令提示符，运行以下命令（假设当前目录包含MyApp.exe）:
C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319\ngen install MyApp.exe

除了NGen.exe以外，还可以考虑System.Runtime.ProfileOptimization类，该类导致CLR检查程序运行时哪些方法被JIT编译，结果被记录到一个文件。程序再次启动时，如果是在多CPU机器上运行，就用其他线程并发编译这些方法。这使得程序运行得更快，因为多个方法并发编译，而且是在应用程序初始化时编译，而不是用户和程序交互时才“即时”编译。

使用NGen.exe工具，可以在应用程序安装到用户计算机上时，将IL代码编译成本机代码。由于代码已经编译好，所以CLR的JIT编译器不需要在运行时编译IL代码，NGen.exe能在以下两种情况下发挥重要作用。

  1. 提供应用程序的启动速度
    因为代码已经编译成本机代码，运行时不需要再花时间编译。
  2. 减小应用程序的工作集
    如果一个程序集同时加载到多个进程中，对该程序集运行NGen.exe可减小应用文件的工作集。NGen.exe将IL编译成本机代码，并将这些代码保存到单独的文件中。该文件可以通过“内存映射”的方式，同时映射到多个进程地址空间中，使代码得到了共享，避免每个进程都需要一份单独的代码拷贝。

NGen.exe会将生成的新文件放到%SystemRoot%\Assembly\NativeImages_v4.0.#####_64这样一个目录下的一个文件夹中。(v4.0表示CLR版本号，64表示64位Windows编译)

NGen.exe，一方面，获得了托管代码的所有好处（垃圾回收、验证、类型安全等）；另一方面，没有托管代码（JIT编译）的所有性能问题。但它并非完美，同样有其他问题。

  1. 也不具有知识版权
    在运行时，CLR要求访问程序集的元数据（用于反射和序列化功能），这就要求发布包含IL和元数据的程序集。此外，如果CLR因为某些原因不能使用NGen生成的文件，CLR会对程序集的IL代码进行JIT编译，所以IL代码必须处于可用状态。
  2. NGen生成的文件可能失去同步
    CLR加载NGen生成的文件时，会将预编译代码的许多特征与当前执行环境进行比较。任何特征不匹配，NGen生成的文件就不能使用。此时要改为使用正常的JIT编译器进程。下面列举了必须匹配的部分特征。
  • CLR版本：随补丁或Service Pack改变
  • CPU类型：升级处理器发生改变
  • Windows操作系统版本：安装新Service Pack后改变
  • 程序集的标识模块版本ID（MVID）：重新编译后改变
  • 引用的程序集的版本ID：重新编译引用的程序集后改变
  • 安全性：吊销了之前授予的权限后，安全性就会发生改变。权限包括：声明性继承（declarative inheritance）、声明性链接时（declarative link-time）、SkipVerification或者UnmanagedCode权限
  1. 较差的执行时性能
    编译代码时，NGen无法像JIT编译器那样对执行环境进行许多假定。这会造成NGen.exe生成较差的代码。测试表明，相较于JIT编译的版本，NGen生成的某些应用程序在执行时反而要慢5%左右。

IL和验证

IL基于栈。这意味着它的所有指令都要将操作数压入（push）一个执行栈，并从栈弹出（pop）结果。

IL指令还是“无类型（typeless）”的。例如，IL提供了add指令将压入栈的最后2个操作数加到一起。add指令不分32位和64位版本。add指令执行时，它判断栈中操作数的类型，并执行恰当的操作。

将IL编译成本机CPU指令时，CLR执行一个名为验证（verification）的过程。这个过程会检查高级IL代码，确定代码所做的一切都是安全的。例如，会核实调用的每个方法都有正确数量的参数，传给每个方法的每个参数都有正确的类型，每个方法的返回值都得到了正确的使用，每个方法都有一个返回语句，等等。托管模块的元数据包含验证过程中要用到的所有方法及类型信息。

Microsoft C#编译器默认生成安全（safe）代码，这种代码的安全性可以验证。然后Microsoft C#编译器也允许开发人员写不安全（unsafe）代码，不安全代码允许直接操作内存地址，并可操作这些地址处的字节。

然而，使用不安全的代码存在重大风险：这种代码可能破坏数据结构，危害安全性，甚至造成新的安全漏洞。下面是unsafe代码的示例：

  1. 包含不安全代码的所有方法都用unsafe关键字标记。
using System;

class Program
{
    unsafe static void ModifyArray(int[] numbers)
    {
        // 使用 fixed 关键字将变量固定在内存中，以确保垃圾回收器（GC）不会在使用指针时移动该变量
        // 具体而言，当你需要操作托管堆中的对象，使用fixed关键字可以将这些对象固定在内存中的特定位置，从而获取其地址并进行安全的指针操作
        // 直到fiexe语句块结束前，会暂停停止移动这些对象，着确保在使用指针操作对象时，内存地址是有效和安全的
        fixed (int *p = numbers)
        {
            *p = 10;
        }
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        int[] numbers = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
        ModifyArray(numbers);
        foreach(var num in numbers)
        {
            Console.WriteLine(num);
        }
    }
}
  1. 在项目设置中启用不安全代码
    在解决方案资源管理器中右键点击你的项目，选择“属性”。
    在项目属性窗口中，选择“生成”选项卡。
    勾选“允许不安全代码”复选框。

当JIT编译器编译一个unsafe方法时，会检查该方法所在的程序集是否被授予了System.Security.Permissions.SecurityPermission权限，且System.Security.Permissions.SecurityPermissionFlag的SkipVerification标志是否被设置。

Microsoft提供了一个名为PEVerify.exe的实用程序，它检查一个程序集的所有方法，并报告其中含有不安全代码的方法。下面提供PEVerify.exe使用方法：

  1. PEVerify.exe 通常随 .NET SDK 安装。可以在 Visual Studio 的安装目录中找到它。例如：
    C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs\Windows\v10.0A\bin\NETFX 4.6.2 Tools
  2. 打开cmd，并导航PEVerify.exe的目录，使用以下命令验证程序集：
    PEVerify.exe <path-to-your-assembly>
  3. 以我上面Program文件为例，Debug目录输出可执行文件后，调用PEVerify.exe查看
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Framework类库（FCL）

.NET Framework包含Framework类库（Framework Class Library，FCL）。FCL是一组DLL程序集的统称，其中含有数千个类型定义，每个类型都公开了些功能。image

通用类型系统（CTS）

CLR一切都围绕类型展开。类型向应用程序和其他类型公开了功能。通过类型，用一种编程语言写的代码能与另一种编程语言写的代码沟通。由于类型是CLR的根本，所以Microsift制定了一个正式的规范来描述类型的定义和行为，这就是“通用类型系统”（Common Type System，CTS）

  1. CTS规范规定，一个类型可以包含零个或者多个成员，例如：
  • 字段
  • 方法
  • 属性
  • 事件
  1. CTS还指定了类型可见性规则以及类型成员的访问规则
  • public
  • private
  • protected
  1. CTS规定：所有类型都必须从预定义的System.Object类型继承

公共语言规范（CLS）

不同语言创建的对象可以通过COM相互通信。CLR则集成了所有语言，用一种语言创建的对象在另一种语言中，利用后者创建的对象具有相同地位。之所以能实现这样的集成，是因为CLR使用了标准类型集、元数据以及公共执行环境。

要创建很任意从其他编程语言中访问的类型，只能从自己语言中挑选其他所有语言都支持的功能。因此，Microsoft定义了“公共语言规范”（Common Language Specification，CLS），它详细定义了一个最小功能集。任何编译器只有支持这个功能集，生成的类型才能兼容由其他符合CLS、面向CLR的语言生成的组件。
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posted @ 2024-07-17 18:00  陈侠云  阅读(285)  评论(0)    收藏  举报
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