SOS能够掌握CLR内部的数据结构。对象实例。

初稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原稿发布日期: 9/19/2005
初稿已经让 Microsoft
删除了,收集过程中发现众多篇章图都无都,那是为原文的希冀都无备,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的地段
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 种原理
  • 靶实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 办法槽表(Method Slot
    Table)
  • 主意描述(MethodDesc)
  • 接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface
    Map)
  • 虚分派(Virtual
    Dispatch)
  • 静态变量(Static
    Variables)
  • EEClass
  • 结论

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目标布局以及舅存细节。
  • 方法发明布局。
  • 主意分派(Method dispatching)。

因国有语言运行时(CLR)即将成为以Windows上创立应用程序的栋梁级基础架构,
多掌握点关于CLR的纵深认识会帮助而构建便捷的, 工业级健壮的应用程序.
在即时篇稿子被, 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, 基于接口的分摊, 和五光十色的数据结构.

俺们见面采取由C#写成的非常简单的代码示例,
所以任何针对编程语言的隐式引用都是坐C#言语也对象的.
讨论的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0遭受改,
但是大多数之定义是未会见更换的. 我们会使Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够清楚CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此底信息. 通篇,
我们见面谈论在Shared Source CLI(SSCLI)中有所相关落实的好像, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥及它们.

图表1 会帮助您以寻找一些结构的时段到SSCLI中之信息.

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

当咱们开前,请留心:本文提供的音信但对在X86平台及运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0啊多数适用,只是在少数交互操作的动静下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会晤生改观,所以要不要以构建软件时因让这些内部结构的不变性。


CLR启动程序(Bootstrap)创建的地方

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地段

以CLR执行托管代码的首先履代码前,会创造三独应用程序域。其中有数单对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能出于CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的凡shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正而 图2
所示,这些地方是系统域(System Domain)和共同享域(Shared
Domain),都是采用了单个(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是唯一的发出命名的处。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实行映象文件之名做。其它的所在可以在托管代码中使用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中运用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会依据应用程序的多寡创建多个域。

图 2 由CLR启动程序创建的域 ↓


系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责创建同初始化共享域和默认应用程序域。它用系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围之中采用的盈盈或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1挨的一个优化特性,它的处理方法显得有点昏头转向,因为CLR没有受程序集时选择是特性。尽管如此,由于当备的应用程序域中对一个特定的号只保留一个应和之字符串,此特性可省去内存空间。

系统域还肩负产生过程范围之接口ID,并因此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程面临维系跟踪所有域,并实现加载与卸载应用程序域的机能。


共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

享有不属另外特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是少不了的。它见面给机关加载到一块儿享域中。系统命名空间的主干类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程遭到被先行加载到本域中。用户代码也可以给加载到这域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时行使由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序为足以加载代码到一块儿享域中,方法是用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个以基地址作为目录的程序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系之查找表,这些程序集让加载到默认域(DefaultDomain)和另外在托管代码中创造的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。


默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

沉默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在内部运行。尽管稍应用程序需要在运作时创造额外的应用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展第一之运作时代码生成工作之应用程序),大部分之应用程序在运作期间只有创造一个地段。所有以此域运行的代码都是以地区层次上发生上下文限制。如果一个应用程序有多单应用程序域,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用System.ContextBoundObject派生的品类创建。每个应用程序域有温馨的安康描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨的加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。


加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意向是加载不同的周转时CLR部件和优化在域的周生命期内设有的构件。这些堆的增高基于可预测块,这样好使碎片最小化。加载器堆不同为垃圾回收堆(或者对如多处理器上的几近个堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番五次堆上,而比较少看的数据结构如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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从今大层次了解域后,我们准备看看她当一个概括的应用程序的光景文中的情理细节,见
图3。我们于程序运行时停在mc.Method1(),然后下SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的音。(请查看
Son of
Strike
刺探SOS的加载信息)。这里是编后的输出:

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();
    }
}

咱的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个称吧”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一道享域,不过以它们是基本系统库,所以呢当系统域中列有。每个域会分配一个勤堆,低频堆和代办堆。系统域和齐享域使用同一之类似加载器,而默认应用程序使用自己的切近加载器。

输出没有亮加载器堆的保存尺寸以及就交给尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为从没展示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地方有一个接口虚表堆(简称也IVMap),由友好之加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始经常提交4KB。我们用会见当继承有研究项目布局时讨论IVMap的意思。

图2
显示默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和怪目标堆(用于大小相当于或超越85000字节的目标),它说明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留到JIT代码堆着。GC堆和酷目标堆是用来托管对象实例化的废物回收堆。


品类原理

类型原理

品种是.NET编程中的着力单元。在C#遭遇,类型可以采用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数门类由程序员显式创建,但是,在特意的互操作(interop)情形和远程对象调用(.NET
Remoting)场合着,.NET
CLR会隐式的产生类型,这些有的门类涵盖COM和运转时只是调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

俺们由此一个涵盖对象引用的库开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个靶实例开始生命期的地方)。
图4未遭展示的代码包含一个大概的程序,它起一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创建一个SmallClass的色实例,该种涵盖一个字节数组,用于演示如何当那个目标堆创建对象。尽管当时是同样段落无聊之代码,但是得协助我们开展讨论。

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 显示了停在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明以恐的景况下用函数参数通过寄存器传递,而其他参数按照从右到左的各个入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内涵盖在库房结构面临。引用类型变量如smallObj以一定大小(4字节DWORD)保存于栈中,包含了当相似GC堆中分红的靶子的地点。对于风俗习惯C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它蕴含了一个目标实例的地方,我们拿以术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的库结构及积聚

相似GC堆上之smallObj对象实例包含一个号称吧 _largeObj
的字节数组(注意,图被显的高低为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超越或当85000字节的对象的拍卖与小目标不同。大目标在深目标堆(LOH)上分红,而稍目标在相似GC堆上开创,这样可优化对象的分红和回收。LOH不见面压缩,而GC堆在GC回收时进行压缩。还有,LOH只见面在全GC回收时让回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应品种的方法表。每个声明的种类有一个方法表,而同样种类的所有目标实例都对准同一个方法表。它涵盖了种的特性信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现之接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

计表指向一个誉为吧EEClass的基本点数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据被创造EEClass。
图4受到,SmallClass的法门表指向其的EEClass。这些构造指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在联名享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里提到的数据结构一旦受加载到内部,就直到应用程序域卸载时才会消退。而且,默认的应用程序域不见面为卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。


靶实例

对象实例

恰好使我辈说罢之,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。所有的援类型在 GC 堆或者 LOH 上创立。图 6
显示了一个杰出的靶子布局。一个对象足以透过以下途径为引述:基于栈的片变量,在互相操作还是平台调用情况下之句子柄表,寄存器(执行方式时之
this 指针和方法参数),拥有终结器( finalizer )方法的目标的终结器队列。
OBJECTREF 不是赖于目标实例的初始位置,而是来一个 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
开始计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连续,所以于用增加表的轻重时, CLR
可以于内存中走是表。 SyncTableEntry 维护一个反向的凋谢引用,以便 CLR
可以跟 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以以尚未任何强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对
SyncBlock
的指针,包含了杀少用吃一个靶的具备实例使用的中之音信。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据及应用程序域的目。对于多数的对象实例,不会见也实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这等同接触于实施线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的语时会发生变化,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

以上述代码中, smallObj 会利用 0 作为其的原初之 syncblk 编号。 lock
语句子使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并以相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句并动用 Monitor 类,一个作为同步的
Monitor 对象在 syncblk 上开创。堆 GetHashCode
的调用会动用对象的哈希编码增加 syncblk 。
每当 SyncBlock 中来任何的域,它们在 COM 交互操作与封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时用,不过这同一流的目标用处无关。
类型句柄紧跟以目标实例中之 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会在认证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟以项目句柄后。默认情况下,实例域会坐内存最实用使用的不二法门排列,这样光待极度少的当对同步的填充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有部分差大小的实例变量。

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 显示了以 Visual Studio 调试器之内存窗口中之一个 SimpleClass
对象实例。我们在图 7 的 return 语句处设置了断点,然后下 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址以内存窗口亮对象实例。前 4 单字节是 syncblk
编号。因为我们尚无用别样共同代码应用这实例(也无看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的对象实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个属一个的排于一齐。两独
short 类型变量 s1 和 s2 也叫列于齐。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的其实的字符串实例。字符串是一个专门之种类,因为拥有包含同样仿标记的字符串,会在程序集加载到过程时对一个大局字符串表的同等实例。这个进程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的应用。我们事先早已提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不能够选择是否使用这历程,尽管未来版本的 CLR
可能会见供这样的力量。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance

据此默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在竞相操作的情形下,词典顺序必须于保存至内存中,这时可以动用
StructLayoutAttribute 特性,它发出一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以啊给封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管以 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见这样做)。在互动操作的事态下,如果您真用额外的填充字节和展示的控制域的顺序,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起用。

在押了脚的内存内容后,我们使用 SOS 看看对象实例。一个中之指令是
DumpHeap
,它可列出所有的堆内容及一个专程类型的装有实例。无需靠寄存器,
DumpHeap 可以展示我们创建的绝无仅有一个实例的地址。

!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

靶的到底大小是 36 字节,不管字符串多老大, SimpleClass 的实例只含一个
DWORD 的对象引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其它 8
单字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地点后,我们得以采取 DumpObj 命令输出它的情,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

刚刚而前说罢, C# 编译器对于类似的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于组织下 LayoutType.Sequential
);因此类加载器重新排列实例域以极小化填充字节。我们得以用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的空中,如下所示:

!ObjSize 0x00a8197c
sizeof(00a8197c) =       72 (    0x48) bytes (SimpleClass)

若是你自目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的尺寸( 36
字节),就得抱 str 的大小,即 36 字节。让我们输出 str
实例来证明这个结果:

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

如若您用字符串实例的大大小小(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就好博ObjSize命令语的毕竟大小72字节。

请求小心ObjSize不含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1饱受,CLR不理解非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此其不会见受这个命令语。

本着方法发明底档次句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创建前,CLR查看加载类型,如果无找到,则进行加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后把品种句柄值追加到目标实例中。JIT编译器产生的代码在拓展艺术分派时行使类句柄来定位方法表。CLR在需要史可以经过措施表反向顾加载类型时用类句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化的显示CLR数据结构的情节,它是 .NET
Framework 安装程序的一致局部,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程之前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所当的文件夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后装一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口被执 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的片段命,关于SOS更多信息,参考这里。


方法表

方法表

每个接近和实例在加载到应用程序域时,会以内存中经过措施表来表示。这是当目标的率先单实例创建前之类加载活动之结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到为语言编译器产生的映射到内存的首家数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的消息以及外挂的信可经System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中得以经Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的档次句柄指向方法发明开始位置的摇处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算以此针对那个进展座谈。

图 9
显示了法子发明底卓绝布局。我们见面证明项目句柄的局部根本的域,但是于截然的列表,请参见此图。让我们打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为她一直关系及运行时的内存状态。

图 9 方法表布局


基实例大小

基实例大小

基实例大小是由接近加载器计算的对象的高低,基于代码中扬言的所在。之前就讨论了,当前GC的贯彻用一个足足12字节的对象实例。如果一个看似没有概念任何的例域,它起码含有额外的4个字节。其它的8只字节被针对象头(可能含有syncblk编号)和类句柄占用。再说一次,对象的高低会吃StructLayoutAttribute的影响。

看看图3着显得的MyClass(有星星点点单接口)的主意发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将其与SOS的出口进行较。在图9遭遇,对象大小在4字节之舞狮处,值吗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


计槽表(Method Slot Table)

措施槽表(Method Slot Table)

当点子发明中含有了一个槽表,指向各个艺术的叙述(MethodDesc),提供了类别的行为能力。方法槽表是冲方法实现之线性链表,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。

接近加载器在现阶段接近,父类和接口的初数据中遍历,然后创建方法表。在排列过程中,它替换所有的叫掩盖的虚方法和让隐形的父类方法,创建新的扇,在需要时复制槽。槽复制是必不可少的,它好于每个接口有好的无限小之vtable。但是吃复制的槽指向同一的大体实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具有没有产生显式定义构造函数的靶子自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变动一个类似构造函数。图10展示了MyClass的不二法门发明底布局。布局显示了10个办法,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会进展讨论。图11显了MyClass的措施发明的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout

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()

另类型的开4独方法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是起System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是都对准相同的方式描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别与静态方法和实例方法分以平组。


术描述(MethodDesc)

计描述(MethodDesc)

办法描述(MethodDesc)是CLR知道的办法实现的一个包装。有几乎栽档次的章程描述,除了用于托管实现,分别用于不同之竞相操作实现的调用。在本文中,我们仅仅考察图3代码中的托管方描述。方法描述在接近加载过程遭到发出,初始化为指向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来得了一个榜首的布局,方法发明的扇实际上对代理,而不是实际的办法描述数据结构。对于实际的主意描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8独附加字节的一律部分。这5只字节包含了调用预编译代理程序的命。5字节的舞狮可以自SOS的DumpMT输出从顾,因为方法描述总是方法槽表指向的职位后的5独字节。在首先软调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

图 12办法描述

图12的法子表槽指向的代码进行反汇编,显示了针对性预编译代理的调用。以下是于
Method2 被JIT编译前的倒汇编的简化显示。

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

如今我们实践之方式,然后倒汇编相同之地方:

!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

每当这个地点,只有开始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的计描述的数码。“!u”命令不理解就或多或少,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5独字节后底备东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中法实现之相对虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在遵循要求编译后,CLR以编译后的代码地址更新此域。让咱们由列有之函数中摘一个,然后据此DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的方描述的情:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
IL RVA : 00002068

编译后,方法描述的情节如下:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
Method VA : 02c633e8

道的之标志域的编码包含了措施的类,例如静态,实例,接口方法要COM实现。让咱看方法表另外一个错综复杂的方:接口实现。它包裹了布局过程具有的纷繁,让托管环境看就一点拘禁起大概。然后,我们用说明接口如何开展布局以及因接口的方式分派的恰工作办法。


接口虚表图和接口图

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

以方发明底第12许节偏移处是一个重大之指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次之映射表,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一差加载时创造。每个接口的兑现都当接口虚表中发生一个笔录。如果MyInterface1被简单只八九不离十实现,在接口虚表表中即使来半点只记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的起位置,如图9所示。这是接口方法分派发生时利用的援。接口虚表是根据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于方式发明布局过程中冲类的排头数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在措施表中的接口信息记录。在这种情况下,对MyClass实现的鲜个接口中的各国一个且来些许长长的记下。第一长条接口信息记录的启4个字节指向MyInterface1的类句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个表明占用(0意味于父类派生,1象征由于目前相近实现)。在表明后底WORD是一个起来槽(Start
Slot),被接近加载器用来布局接口实现之子表。对于MyInterface2,开始槽的价值吗4(从0开始编号),所以槽5和6因为实现;对于MyInterface2,开始槽的价为6,所以槽7和8凭为实现。类加载器会当得经常复制槽来发出如此的职能:每个接口有和好之落实,然而物理映射到同样的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2以及MyInterface2.Method2会指向相同之贯彻。

依据接口的办法分派通过接口虚表进行,而直白的章程分派通过保留于相继槽的道描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2个参数在恐的下一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先独参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以当“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

这些反汇编显示了直接调用MyClass的实例方法没有使用偏移。JIT编译器把办法描述的地址直接写及代码中。基于接口的分担通过接口虚表发生,和直接分派相比要有附加的吩咐。一个限令用来收获接口虚表的地址,另一个拿走方式槽表中之接口实现的始槽。而且,把一个靶实例转换为接口就待拷贝this指针到对象的变量。在觊觎2着,语句“mi1=mc”使用一个命把mc的靶子引用拷贝到mi1。


虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

今天我们省虚分派,并且和根据接口的分担进行比较。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的槽编号发生,和艺术表指针在特定的类似(类型)实现层次无关。在方发明布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的贯彻。结果,对爹爹对象的主意调用被分摊到子对象的实现。反汇编显示了分派通过8声泪俱下槽发生,可以在调试器的内存窗口(如图10所显示)和DumpMT的出口看到就或多或少。


静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的关键组成部分。作为艺术发明底均等局部,它们分配在艺术发明底槽数组后。所有的本来静态类型是内联的,而对于组织与援的类的静态值对象,通于句柄表中创造的对象引用来对。方法表中的靶子引用指向应用程序域的词柄表的对象引用,它引用了堆积上创造的目标实例。一旦创立后,句柄表内的目标引用会使堆上的目标实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的目标引用,后者对GC堆上的MyString。


EEClass

EEClass

EEClass在道发明创建前开生活,它同方式发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和法表逻辑上是一个数据结构(它们并表示一个路),只不过因为以频度的例外而为分别。经常应用的域放在方法表,而未经常以的所在于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时需要之信息(如虚表槽和GC信息)在法表中。

针对各个一个类别会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个于执行引擎跟踪的培育之节点。CLR使用这个网络以EEClass结构面临浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次与类加载顺序的构成。在实施托管代码的长河被,新的EEClass节点被在,节点的涉让补充,新的涉嫌被确立。在网络被,相邻之EEClass还有一个水平的涉嫌。EEClass有三独域用于管理为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面临之MyClass上下文中的EEClass的语义,请参见图13

图13单独展示了和斯讨论有关的一些域。因为咱们忽视了布局中之一对地段,我们并未以祈求被适当显示偏移。EEClass有一个间接的对措施发明底援。EEClass也针对于默认应用程序域的勤堆分配的方描述块。在点子发明创建时,对过程堆上分红的地方描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以还好的开展内存分页管理,因此减少了劳作集。

图13 EEClass 布局

图13被之其它域在MyClass(图3)的上下文的义不讲话自明。我们现在探访用SOS输出的EEClass的确实的物理内存。在mc.Method1替代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先独参数时模块名,可以打DumpDomain命令得到。现在咱们赢得了EEClass的地址,我们输出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同DumpClass的输出看起了等同。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了于模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从彼此邻链指于名吧Program的EEClass,可以理解贪图13示的是加载Program时之结果。

MyClass有8单虚表槽(可以给虚分派的法子)。即使Method1和Method2非是虚方法,它们可以通过接口进行分摊时于当是虚函数并参加到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面得到总共10独办法。最后列有之凡类似的片独静态域。MyClass没有实例域。其它地方不讲自明。


Conclusion结论

结论

咱们关于CLR一些绝着重之内在的追旅程算终止了。显然,还有很多题目亟需涉及,而且用在又特别的层系上讨论,但是咱愿意这好助你望事物如何行事。这里提供的过多底消息或者会见以.NET框架和CLR的新兴版本被改,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能移,概念应该保障不更换。

乘势通用语言运行时(CLR)即将成为以Windows®生出应用程序的首选架构,对那进展深刻明会帮忙你建有效之工业强度的应用程序。在本文中,我们用探索CLR内部,包括对象实例布局,方法发明布局,方法分派,基于接口的摊和不同的数据结构。

咱们拿使用C#编制的大概代码示例,以便任何固有之言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见以Microsoft®
.NET Framework 2.0丁改变,但是最主要概念应该保持无变换。我们用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的内数据结构并出口有因此信息。请参考“Son
of Strike”补充材料,了解哪些以SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的经过空间。本文中,我们以讲述在协同享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中发出相应实现的类,你可从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1以援助你于SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的构造。

每当咱们初步前,请留意:本文提供的音就针对以X86平台及运行的.NET Framework
1.1有效(对于Shared Source CLI
1.0吧多数适用,只是以某些交互操作的气象下要注意例外),对于.NET
Framework
2.0会见时有发生转移,所以告不要以构建软件时因让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地区

于CLR执行托管代码的第一实施代码前,会创三单应用程序域。其中有数独对托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只能由CLR启动进程创造,而提供CLR启动进程的凡shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正而图2所示,这些处是系统域(System
Domain)和同步享域(Shared
Domain),都是采取了么(Singleton)模式。第三个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的来命名的地带。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由而实施映象文件的名字做。其它的所在可以以托管代码中采取AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中采用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会冲应用程序的数码创建多个域。

2 由CLR启动程序创建的所在

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系统域(System Domain)

系统域负责创建和初始化共享域和默认应用程序域。它以系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围里边以的蕴藏或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1吃之一个优化特性,它的处理措施显得有点昏头转向,因为CLR没有吃程序集时选择这特性。尽管如此,由于在颇具的应用程序域中针对一个一定的标志只保留一个对应的字符串,此特性可节约内存空间。

系统域还负责产生过程范围之接口ID,并为此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程面临维系跟踪所有域,并实现加载与卸载应用程序域的效果。

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共享域(Shared Domain)

有未属其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有着应用程序域的用户代码都是必需的。它见面为活动加载到联合享域中。系统命名空间的中坚项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程被于事先加载到本域中。用户代码也堪吃加载到者域中,方法是以调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗可以加载代码到联合享域中,方法是应用System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个使基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系之查找表,这些程序集为加载到默认域(DefaultDomain)和其它在托管代码中创造的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

沉默寡言认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在中运行。尽管小应用程序需要以运转时创造额外的应用程序域(比如小使用插件,plug-in,架构或者拓展重点的运转时代码生成工作之应用程序),大部分的应用程序在运行期间只有创造一个处。所有以此域运行的代码都是于地方层次上生上下文限制。如果一个应用程序有多独应用程序域,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应用System.ContextBoundObject派生的品类创建。每个应用程序域有好之平安描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨之加载器堆(高频堆,低频堆和代办堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

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加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意是加载不同之运行时CLR部件和优化在域的整整生命期内存在的构件。这些堆的增进基于可预测块,这样可使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对如多处理器上的大多只堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在数堆上,而于少看的数据结构如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)。

从赛层次了解域后,我们准备看看她于一个略的应用程序的前后文中的物理细节,见图3。我们于程序运行时停在mc.Method1(),然后运SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信。(请查看Son
of
Strike
打探SOS的加载信息)。这里是编辑后底出口:

!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

咱们的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名叫吧“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一块儿享域,不过为她是基本系统库,所以也以系统域中列有。每个域会分配一个屡次堆,低频堆和代理堆。系统域和共同享域使用同样之接近加载器,而默认应用程序使用好的好像加载器。

出口没有显示加载器堆的保留尺寸及曾交给尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为绝非出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己的加载器堆在域初始化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,开始时提交4KB。我们将会晤在继承有研究项目布局时讨论IVMap的意义。

图2来得默认的进程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和非常目标堆(用于大小相当于或超越85000字节的目标),它说明了这些堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器产生x86指令以保留到JIT代码堆着。GC堆和坏目标堆是用来托管对象实例化的污染源回收堆。

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类原理

路是.NET编程中的主导单元。在C#遭遇,类型可以使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式创建,但是,在专门的互动操作(interop)情形和长距离对象调用(.NET
Remoting)场合着,.NET
CLR会隐式的发出类型,这些发生的类型涵盖COM和运转时不过调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们由此一个分包对象引用的库房开始研究.NET类型原理(典型地,栈是一个目标实例开始生命期的地方)。图4面临形的代码包含一个简单易行的次序,它产生一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1开立一个SmallClass的花色实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何在异常目标堆创建对象。尽管这是同段子无聊的代码,但是可以帮我们开展讨论。

图5来得了止以Create方法“return
smallObj;”代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它说明在可能的动静下以函数参数通过寄存器传递,而其余参数按照从右到左的次第入栈,然后由给调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含有在库房结构中。引用类型变量如smallObj以定点大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了当形似GC堆着分红的目标的地方。对于人情C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目标的援。不管怎样,它涵盖了一个对象实例的地址,我们拿运术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的库结构及堆放

相似GC堆上之smallObj对象实例包含一个称为吧_largeObj的字节数组(注意,图被显得的分寸为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超过或顶85000字节的目标的处理和有些目标不同。大目标在雅目标堆(LOH)上分红,而聊目标在形似GC堆上创办,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会见回落,而GC堆在GC回收时展开削减。还有,LOH只会在完全GC回收时给回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应项目的方法表。每个声明的门类有一个方法表,而平品种的具备目标实例都针对同一个方法表。它包含了品种的表征信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代理),实现之接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明底槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

方法表指向一个号称也EEClass的重中之重数据结构。在术发明创建前,CLR类加载器从元数据被开创EEClass。图4饱受,SmallClass的方法表指向它的EEClass。这些组织指向她的模块和次集。方法表和EEClass一般分配在并享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦受加载到中间,就直到应用程序域卸载时才会消亡。而且,默认的应用程序域不会见受卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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靶实例

刚好而我辈说了的,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。所有的援类型在GC堆或者LOH上开创。图6展示了一个名列前茅的目标布局。一个靶可以透过以下途径为引用:基于栈的片段变量,在竞相操作还是平台调用情况下的句子柄表,寄存器(执行办法时之this指针和方法参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是借助为目标实例的启幕位置,而是来一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目(从1起来计数的syncblk编号。因为经索引进行连接,所以于用增加表的轻重缓急时,CLR可以在内存中活动是发明。SyncTableEntry维护一个反向的凋谢引用,以便CLR可以跟SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以于没其余强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保留了一个指向SyncBlock的指针,包含了十分少要让一个目标的所有实例使用的实惠之消息。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据及应用程序域的目录。对于大部分的目标实例,不会见也实在的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这等同触及于实施线程遇到如lock(obj)或者obj.GetHashCode的口舌时会发生变化,如下所示:

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

以以上代码中,smallObj会使用0作为它们的苗头之syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并利用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩展为try-finally语句并利用Monitor类,一个当作同步的Monitor对象在syncblk上创立。堆GetHashCode的调用会用对象的哈希编码增加syncblk。

每当SyncBlock中发出外的域,它们当COM交互操作以及封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,不过当下跟超人的目标用处无关。

种类句柄紧跟以靶实例中之syncblk编号后。为了维持连续性,我会在征实例变量后讨论类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟以类型句柄后。默认情况下,实例域会以内存最实用采取的道排列,这样单需要极少之当作对伙同的填充充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一对不一大小的实例变量。

图8展示了于Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。我们当图7的return语句处设置了断点,然后以ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口展示对象实例。前4独字节是syncblk编号。因为我们没有就此别样共同代码应用是实例(也远非看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的目标实例,指为起始位置的4单字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3同b4深受一个连贯一个之排列于联名。两单short类型变量s1和s2也于排于一起。字符串变量str是一个4字节底OBJECTREF,指于GC堆中分红的实际上的字符串实例。字符串是一个特别之项目,因为兼具包含同样仿标记的字符串,会于先后集加载到过程时对一个大局字符串表的均等实例。这个进程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的行使。我们事先已经提过,在NET Framework
1.1着,程序集不能够选择是否动此历程,尽管未来版本的CLR可能会见提供这样的能力。

故默认情况下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在彼此操作的情下,词典顺序必须吃封存至内存中,这时可以运用StructLayoutAttribute特性,它产生一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以啊于封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管以.NET
Framework 1.1蒙,它从不影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0恐怕会见如此做)。在相互操作的景况下,如果你真正用额外的填充字节和展示的控制域的逐条,LayoutKind.Explicit可以和域层次之FieldOffset特性一起使用。

扣押罢脚的内存内容后,我们采用SOS看看对象实例。一个灵光之吩咐是DumpHeap,它好列出所有的堆内容与一个特地类型的保有实例。无需依靠寄存器,DumpHeap可以展示我们创建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:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322\mscorwks.dll"
Address       MT     Size
00a8197c 00955124       36
Last good object: 00a819a0
total 1 objects
Statistics:
MT    Count TotalSize Class Name
955124        1        36 SimpleClass

目标的究竟大小是36字节,不管字符串多不行,SimpleClass的实例只包含一个DWORD的目标引用。SimpleClass的实例变量只占28字节,其它8个字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地址后,我们好动用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

刚刚使前说过,C#编译器对于接近的默认布局使用LayoutType.Auto(对于组织使LayoutType.Sequential);因此类加载器重新排列实例域以极端小化填充字节。我们好利用ObjSize来输出包含被str实例占用的上空,如下所示:

!ObjSize 0x00a8197c
sizeof(00a8197c) =       72 (    0x48) bytes (SimpleClass)

假定您从目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的高低(36字节),就好落str的大大小小,即36字节。让我们输出str实例来说明这个结果:

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

一经您以字符串实例的尺寸(36字节)加上SimpleClass实例的轻重(36字节),就可拿走ObjSize命令语的究竟大小72字节。

告留心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1受到,CLR不亮非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此她不见面为这命令语。

针对方法发明底类型句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则展开加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后拿品种句柄值追加至目标实例中。JIT编译器产生的代码在展开方式分派时利用项目句柄来定位方法表。CLR在待史可以由此措施表反向顾加载类型时利用类句柄。

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方法表

每个接近与实例在加载到应用程序域时,会以内存中经过艺术表来表示。这是以对象的率先单实例创建前之切近加载活动之结果。对象实例表示的是状态,而艺术发明表示了行为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到于语言编译器产生的投射到内存的头版数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的信及外挂的音可以透过System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中好由此Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的色句柄指向方法发明开始位置的舞狮处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算当这边对该进行讨论。

图9来得了艺术发明底杰出布局。我们会证明项目句柄的局部要的域,但是于截然的列表,请参考此图。让我们由基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为它直接关联及运行时之内存状态。

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基实例大小

基实例大小是出于接近加载器计算的目标的大小,基于代码中宣示的所在。之前已经讨论了,当前GC的实现用一个最少12字节的对象实例。如果一个类似没有定义任何的例域,它至少含有额外的4单字节。其它的8只字节被针对象头(可能含有syncblk编号)和品种句柄占用。再说一次等,对象的分寸会蒙StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3受到显的MyClass(有半点单接口)的办法发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将其跟SOS的输出进行比较。在图9惨遭,对象大小在4字节的摆处,值也12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!DumpHeap -type MyClass
Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

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道槽表(Method Slot Table)

在方式发明中带有了一个槽表,指向各个艺术的叙说(MethodDesc),提供了种类的行为能力。方法槽表是因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。

接近加载器在现阶段仿佛,父类和接口的正负数据中遍历,然后创建方法表。在排列过程中,它替换所有的受掩盖的虚方法和叫藏的父类方法,创建新的扇,在需要时复制槽。槽复制是必不可少的,它可被每个接口有和好之无比小的vtable。但是给复制的槽指向平等的情理实现。MyClass包含接口方法,一个类似构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具备没有来显式定义构造函数的目标自动生成。因为我们定义并初始化了一个静态变量,编译器会变动一个类似构造函数。图10著了MyClass的方法发明底布局。布局显示了10个主意,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面进展座谈。图11亮了MyClass的艺术发明底SOS的输出。

旁类型的开头4只办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是自从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是还针对相同之方式描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别和静态方法与实例方法分以同一组。

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法描述(MethodDesc)

艺术描述(MethodDesc)是CLR知道的方法实现的一个包裹。有几乎种植档次的主意描述,除了用于托管实现,分别用于不同的互动操作实现之调用。在本文中,我们一味考察图3代码中之托管方描述。方法描述在近似加载过程遭到发出,初始化为指向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示了一个名列前茅的布局,方法发明的扇实际上对代理,而不是事实上的办法描述数据结构。对于实际的法门描述,这是-5字节的摇,是每个方法的8单叠加字节的相同片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的通令。5字节的撼动可以自SOS的DumpMT输出从张,因为方法描述总是方法槽表指向的职位后的5单字节。在率先差调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5独字节会被超过反到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

图12 方法描述

对图12底点子表槽指向的代码进行反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是当Method2深受JIT编译前的相反汇编的简化显示。

!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

现今咱们执行此道,然后倒汇编相同之地方:

!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

当斯地点,只有开始5单字节是代码,剩余字节包含了Method2的不二法门描述的数额。“!u”命令不晓得这一点,所以生成的凡乱套的代码,你可以忽略5个字节后的享有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中智实现的对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在照要求编译后,CLR以编译后的代码地址更新此域。让咱从列有底函数中挑选一个,然后据此DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的法描述的内容:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
IL RVA : 00002068

编译后,方法描述的内容如下:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
Method VA : 02c633e8

道的这个标志域的编码包含了艺术的品种,例如静态,实例,接口方法还是COM实现。让咱们看方法表另外一个扑朔迷离的端:接口实现。它包裹了布局过程具有的扑朔迷离,让托管环境看就或多或少关押起简单。然后,我们用证明接口如何开展布局和根据接口的办法分派的宜工作措施。

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接口虚表图和接口图

当方发明底次序12字节偏移处是一个重大之指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个应用程序域层次的映射表,该表以进程层次之接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一差加载时创造。每个接口的兑现都当接口虚表中发出一个记录。如果MyInterface1被简单独八九不离十实现,在接口虚表表中即使生些许只记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的开端位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常采用的援。接口虚表是依据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于章程发明布局过程被冲类的首批数据创建。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节位置的接口图会指向内含在方式表中的接口信息记录。在这种景象下,对MyClass实现之片独接口中之各个一个都出些许长条记下。第一长接口信息记录之开头4独字节指向MyInterface1的项目句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0象征从今父类派生,1代表由于时仿佛实现)。在表明后底WORD是一个初始槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的值也4(从0开始编号),所以槽5和6依于实现;对于MyInterface2,开始槽的价值吗6,所以槽7和8据于实现。类加载器会以用经常复制槽来产生如此的功能:每个接口有协调之兑现,然而物理映射到同一的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2同MyInterface2.Method2会指向相同之兑现。

基于接口的点子分派通过接口虚表进行,而直接的法分派通过保留于各个槽的不二法门描述地址进行。如前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2只参数在恐的时节一般通过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的率先单参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以以“mov
ecx,esi”语句子看到这一点:

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

这些倒汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法无利用偏移。JIT编译器把法描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊通过接口虚表发生,和一直分派相比要有的额外的下令。一个令用来取得接口虚表的地方,另一个赢得方式槽表中的接口实现的起来槽。而且,把一个靶实例转换为接口就待拷贝this指针到对象的变量。在图2受,语句“mi1=mc”使用一个命令把mc的对象引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

现在咱们看虚分派,并且与根据接口的分摊进行比。以下是图3中MyClass.Method3的心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住的槽编号发生,和办法表指针在一定的切近(类型)实现层次无关。在道发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的落实。结果,对父亲对象的章程调用被分摊到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8声泪俱下槽发生,可以以调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这或多或少。

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静态变量

静态变量是方法表数据结构的要片段。作为艺术发明的等同有些,它们分配在措施发明的槽数组后。所有的旧静态类型是内联的,而对组织与援的类型的静态值对象,通于句柄表中开创的对象引用来针对。方法表中的对象引用指向应用程序域的词柄表的对象引用,它引用了堆积上开创的目标实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会如堆上的靶子实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指为句柄表的靶子引用,后者对GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass在术发明创建前开始在,它与艺术发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和方表逻辑上是一个数据结构(它们同表示一个类),只不过因为使用频度的差而受分手。经常应用的域放在方法表,而无常以的地段于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时索要的音讯(如虚表槽和GC信息)在点子表中。

针对各国一个型会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个为执行引擎跟踪的养的节点。CLR使用这个网络以EEClass结构被浏览,其目的包括类加载,方法发明布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系因继承层次建立,而父-子关系因接口层次以及类加载顺序的结。在尽托管代码的经过被,新的EEClass节点被在,节点的关联让填补,新的涉被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个档次的涉。EEClass有三独域用于管理为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蒙之MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13。

图13只是显示了同斯议论相关的一些域。因为我们忽视了布局中的片段地面,我们从未于图被宜显示偏移。EEClass有一个间接的对于艺术发明的援。EEClass也本着于默认应用程序域的再三堆分配的章程描述块。在艺术发明创建时,对经过堆上分红的地带描述列表的一个援提供了域的布局信息。EEClass在应用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好之开展内存分页管理,因此减少了劳作集。

图13 EEClass 布局

祈求13遇之其它域在MyClass(图3)的上下文的含义不言自明。我们本看用SOS输出的EEClass的实在的物理内存。在mc.Method1替码行设置断点后,运行图3的先后。首先采取命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:\Working\test\ClrInternals\Sample1.exe MyClass
MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的第一独参数时模块名,可以起DumpDomain命令得到。现在我们获得了EEClass的地方,我们输出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跟DumpClass的出口看起了等同。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。从相邻链指为名也Program的EEClass,可以了解贪图13显的凡加载Program时的结果。

MyClass有8单虚表槽(可以让虚分派的点子)。即使Method1和Method2不是虚方法,它们得以当经过接口进行分摊时吃看是虚函数并加入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你会获总共10只主意。最后列有的凡近似的有数独静态域。MyClass没有实例域。其它地方不出口自明。

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Conclusion结论

咱俩关于CLR一些太紧要之内在的追旅程算终止了。显然,还有不少问题亟待涉及,而且用在重新怪的层次上谈论,但是我们期望马上好扶持您望东西如何工作。这里提供的不在少数底消息或者会见当.NET框架和CLR的新生版本中改,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能更改,概念应该保持无变换。

Hanu Kommalapati大凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的一致叫作架构师。他当微软现之角色是支援客户基于.NET框架建立可扩大的机件框架。可以由此hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
凡微软开支支持高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他在北卡罗来州底夏洛特,可以经过tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软公司的软件工程师,习惯以C++和C#支付应用程序。闲暇时光外喜好音乐,旅游与怀旧游戏,并且愿意帮助MSDN翻译更多之篇章和其余开发者共享。可以由此ecaijw@msn.com联系他。

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