NET CLR via C#读书笔记 - 第一章 CLR执行模型

CLR执行模型

1.1 CLR简介

CLR（Common Language Runtime（公共语言运行时））可以简单理解为是一个支持多种编程语言及多语言互操作，完整的高级虚拟机。

  程序在运行的时候有着惊人数量的运行时依赖。每个有用的程序都需要某些运行时函数库，以便其能跟电脑的其它资源（如用户输入设备，磁盘文件，网络通信等）交互，同时程序也需要转换成计算机硬件可以直接执行的某种格式。这些依赖的数量是多而广的，使得编程语言的设计者通常都引用其它标准来规范它们。例如C++编程语言不会规定C++程序的格式，每个C++编译器都会与特定的硬件架构（如x86架构）关联，与特定的操作系统环境（如Windows，Linux或者Mac OS）关联，这些架构和环境会规定可执行文件的文件格式以及加载的方式。因此，程序员不是在编写一个“C++可执行程序”，而是编写与架构和环境相关的可执行程序，例如“Windows X86可执行程序”或“Power PC Mac OS可执行程序”。
  CLR通过定义一个 [非常完整的规范]ecma-spec来描述一个程序从编译、到部署时绑定依赖、到运行整个生命周期的所有信息。CLR还定义了以下内容：
  ① 一套支持GC，并包含自己的执行程序基本操作的指令集（通用中间语言 - CLI）的虚拟机，这也就意味着CLR不需要依赖指定类型的CPU；
  ② 一套描述程序里声明的元素（如类型、值、变量等等）的元数据，以便编译器在生成其它可执行文件时有足够的信息来从“外部”调用程序里的功能；
  ③ 一个精确描述字节应该如何在文件里布局的文件格式，这样我们在讨论CLR EXE的时候，不与某个特定的操作系统或电脑硬件绑定；
  ④ 进程的生命周期语义，即一个CLR EXE引用其它CLR EXE的机制，和CLR在运行时找到进程依赖文件的规则；
  ⑤ 利用CLR内置功能（如垃圾回收、异常和泛型等）的类库，其除了提供如整形、字符串、数组、列表和字典等基本功能意外，还提供了如文件、网络和UI交互等操作系统服务。
多编程语言支持
  定义、规范和实现这些细节是一个艰巨的任务，这也就是类似CLR的完整抽象非常少的原因。实际上，大部分抽象都是为单个编程语言设计的。例如，Java运行时，Perl解释器或者早期的Visual Basic运行时提供了类似的完整抽象。但CLR跟这些先行者不同之处在于其支持多种编程语言。可能除了Visual Basic（因为它采用了COM对象模型），仅使用单个编程语言的体验是非常好的，但是要与其它编程语言互操作时体验就有点差了。编程语言之间互操作之所以困难，是因为这些编程语言仅能通过操作系统提供的原语来与“外族”编程语言通信。而操作系统的抽象层次太低阶（如操作系统不提供内存垃圾回收），就不得不采用一些复杂的技术。通过提供 通用语言运行时，CLR允许编程语言之间采用高阶结构（如可GC的数据结构）通信，大量减轻了互操作的麻烦。
  由于运行时在 许多 语言之间共享，这就意味着更多的资源可被支持。为一个编程语言实现好的调试器和性能分析工具需要大量的工作，因此只有一些很重要的编程语言才有完整的工具链支持。然而，CLR上实现的编程语言可以共享这些基础架构，实现新的编程语言的工作量也大大缩减了。也许更重要的是，所有在CLR上实现的编程语言都可以访问 所有 在CLR上实现的类库。庞大且不断增长的（严格调试和支持）功能是CLR如此成功的一个重要原因。
  简单来讲，CLR是一个将字节存到文件以创建和运行程序的完整规范。虚拟机可以使用不同编程语言写就的类库来运行这些程序。这个虚拟机，还有运行其上的不断增长的类库，就是我们说的通用语言运行时（CLR）。

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1.2 CLR执行模型

CLR执行模型可以归纳为以下部分：
① 将源代码编译成托管模块
② 将托管模块合并成程序集
③ 加载CLR
④ 执行程序集代码

1.2.1 将源代码编译成托管模块

  将源代码编译成托管模块，此工作由面向CLR的编译器负责完成，托管模块是标准的32位Microsoft Windows可移植执行体（PE）文件，或者是标准的64位Microsoft Windows可移植执行体（PE32+）文件。
编译出来的托管模块包含以下内容：

组成部分	说明
PE32/PE32+头	PE32格式，能在WIN 32或64位版本操作系统中运行。 PE32+格式，只能在WIN 64位版本操作系统中运行。 头信息中包含文件类型标识（GUI，CUI或DLL），时间标识（文件生成时间），如果托管模块中包含本机（native）CPU相关代码，则还需要额外包含本机CPU相关信息。
CLR头	包含CLR版本信息，一些标志信息（flag），托管模块入口函数（main）的方法定义，模块的元数据，资源，强名称以及其它相关信息
元数据	包含元数据表，主要有两种表，一种是记录代码中定义的类型和成员，另一种是代码中引用的类型和成员。
IL代码	面向CLR的编译器编译源代码时生成的代码，该代码在运行时，由CLR加载并编译成本机CPU代码。

补充说明：托管模块中元数据和IL代码是强关联的，元数据与IL代码永远保持同步。

1.2.2 将托管模块合并成程序集

程序集是一个或多个模块/资源文件的逻辑性分组，CLR实际不直接和托管模块工作，实际是和程序集工作，程序集是重用，安全性以及版本控制的最小单元，在CLR中，程序集就相当于“组件”。

关于程序集的描述会在后续的读书笔记中详细描述，此处暂不展开讨论。

1.2.3 加载CLR

  前文简单描述了CLR是什么，所以用户计算机必须先安装好CLR，CLR包含在Microsoft .Net Framework框架中，关于Microsoft .Net Framework框架如何安装，此处不进行描述。
  用户计算机执行exe文件时，检查exe文件头，决定创建32位进程还是64位进程，随后在进程地址空间加载MSCorEE.dll的x86，x64或者ARM版本，然后进程的主线程调用MSCorEE.dll中定义的一个方法，这个方法初始化CLR，加载exe程序集，再调用程序集中的入口方法（main），由此exe启动完成并开始运行。

1.2.4 执行程序集代码

  为了在某一具体CPU机器上执行程序，首先要做的就是将托管模块中的IL代码转换为本机（native）CPU指令，这一工作由JIT（just-in-time）编译器完成。

第一步：Main()方法执行前，CLR检测Main()方法中引用的所有类型，每一个检测出来的引用类型都会为其分配一个内部数据结构，用于映射源代码中定义或者引用的类型，本流程中Main()方法中引用了Console类型，所以CLR会生成一个Console的内部数据结构类型，内部数据结构中对原类型中所有方法都会有一个对应的记录项，并与之对应生成一个未编档函数（此处记为JITCompiler)。
第二步：Main()首次调用WriteLine时，会调用JITCompiler函数，函数内部执行步骤如上图所示，可分为下面6个小步骤：
① 在元数据中查找调用的方法
② 查找到后再查找与其相关的IL代码
③ 分配内存空间
④ 验证IL代码并编译成本机代码，并将本机代码保存到分配的内存空间中
⑤ 修改内部数据结构中与本JITCompiler对应的记录，使其指向本机代码保存的内存空间
⑥ 跳转到本机代码保存的内存空间，执行完成后返回Main()中。
第三步：第二次调用相同函数时，不需要再进行相关内存分配和验证操作，而是直接跳转到该函数的本机代码内存地址，直接执行相关函数。

  以上内容为对《NET CLR via C#(第四版)》第一章内容的阅读笔记，只记录其中核心部分内容，如需要详细阅读请自行查看本书第一章内容。