深入剖析.NET運行機制

比較認同一個專業的說法，稱對象之間的調用為 “消息傳遞”，正如其描述“通過發送和接受消息”。為什么說其專業？因為對于單機開發，調用者（用戶）和被調用者（服務）處于同一臺計算機內存之中，CPU執行指令僅僅是根據地址取出內存數據進行處理。但實質上仍然是“消息傳遞”，而分布式應用通過socket實現不同協議間的遠程服務調用，更加直觀。

.NET的程序集相關知識

有一個知識點十分重要，這被一些新手所忽視，導致他們有時很難理解一些技術書籍的內存原理分析。就是程序從編譯到運行的過程。借此文，我來解釋一下，如有錯誤，望大家指出，一定要指出。

當我們依賴google或者CTRL+C、CTRL+V編寫完成代碼之后，點擊發布或生成，本機安裝的編譯器會對代碼文件進行分析編譯（C/C++針對特定CPU編譯過程發生在宿主服務器上）。針對與.NET,機器上安裝的CLR虛擬機，會讓其內置的對應語言的編譯器將代碼編譯為版本相符的MSIL語言，并且保存文件格式為dll，這個dll稱之為托管程序集，也是一個PE文件。

.PE文件一般包含以下幾個部分：

PE頭

Data Directory(數據目錄)

.text segment

.data segment

.rdata segment

.idata segment

.edata segment

....其他部分不再列出。

“那么CLR的托管程序集是怎么樣的？我聽說會有一個CLR頭?還有元數據以及IL代碼？(CLR via C#)” 當然，這是準確無誤的，《CLR via C#》圣經讀物，怎會輕易出錯？

在windows XP之前的操作系統，這些section都被保存在 PE 文件中的.text segment中，并且.text 塊中還保存了“非托管的存根函數”。

什么意思呢？你可以理解為是一段在.net編譯時(非.net編譯可能是其他的存根代碼或者沒有存根代碼)加入的非托管代碼。而PE頭中的某一塊域(其實是 AddressOfEntryPoint 域)指向這段代碼，當windows加載器加載PE文件時(托管程序集)，便會執行這段代碼，這段代碼會調用_CoreExeMain或_CoreDllMain的代碼（前者針對exe文件，后者針對dll文件），由于這兩個函數都是導入函數（依賴別的程序集），則windows加載包含此函數的mscoree.dll，再去找到 data directory (數據目錄，這個目錄也是在.net編譯時生成的)。data directory包含了CLR頭的位置和大小，在根據CLR頭的位置在.text塊中找到CLR頭，CLR頭包含了CLR的版本信息、程序集簽名等很多信息，根據這些信息，非托管存根代碼調用對應的CLR，并啟動CLR，注意：如果CLR已經啟動，則CLR直接加載程序集到內存。

但是XP以及之后的操作的系統，對windows加載器進行了升級，使其能夠自動識別.net程序集，無需通過“非托管存根函數”來調用“_CoreExeMain”或“_CoreDllMain”,而是直接根據CLR頭啟動CLR。

那么，至此，.NET 的PE文件的編譯和加載啟動過程已經清晰了。接下來總結一下：

XP 之前的.net程序集PE文件：

PE文件各部分名稱用處說明

PE Header	存儲了PE文件格式（exe還是dll）,創建信息，entry point（入口點） data directory 位置信息等	?
data directory(數據目錄)	包含了CLR頭的位置和大小	注意，這個是.net編譯時添加的塊
.text	包含了CLR頭，元數據，IL代碼以及 非托管存根函數	注意，這個非托管存根函數也是.net編譯時加入的
.idata	導入函數，即此PE運行依賴的其他程序集的函數 _CoreExeMain和_CoreDllMain函數便是從mscoree.dll導入的函數	?
.edata	導出函數，即此PE公開的可對外服務的函數	?
.rdata	常量以及只讀數據	?
.....	其他塊，不贅述	?

XP以及之后操作系統.NET的PE文件：

PE文件各部分名稱用處說明

PE???Header	存儲了PE文件格式（exe還是dll）,創建信息等。如果程序集包含非托管代碼， PE頭還存儲非托管代碼的一些信息（entry point）	?
CLR Header	記錄了CLR版本，Main方法(如果有)，還記錄了元數據、IL代碼 的位置和大小	注意：不在生成 data directory部分
.text	元數據，IL代碼	注意： 1.不在生成專門用于調用_CoreExeMain和_CoreDllMain函數 的非托管存根函數 2.CLR頭不在.text中，單獨被放置為一個部分。 3.元數據，IL代碼還是在.text 段中的，只是CLR via c#書中 為了更好說明，將其提取出來了。
.idata	導入函數，即此PE運行依賴的其他程序集的函數 _CoreExeMain和_CoreDllMain函數便是從mscoree.dll導入的函數	?
.edata	導出函數，即此PE公開的可對外服務的函數	?
.rdata	常量以及只讀數據	?
.....	其他塊，不贅述	?

CLR頭是用來啟動CLR，那么元數據和IL代碼是用來干什么的呢？這里不再詳述，比較麻煩，建議閱讀《CLR via C#》。我這里只提供書中的一幅圖：

從這幅圖中可以看出，元數據其中之一用途就是當IL代碼再被JIT（即時編譯）時，如果IL引用到了一個類型則會根據元數據去正確的創建類型對象。 當然，還有十分重要的一個作用就是：為開發人員提供反射機制。

應用程序域 應用程序域的作用，我想大家都應該知曉，主要是為了隔離代碼影響。比如IIS中啟動多個web應用，每個應用的錯誤不會影響到其他站點。這就是應用程序域的典型案例。 當CLR被啟動后，首先會創建一個系統級別應用程序域。該程序域的創建由CLR主導，對開發者完全透明，系統應用程序域的主要功能：

• 1）創建其他兩個應用程序域（共享應用程序域和默認應用程序域）。
• 2）將mscorlib.dll加載到共享應用程序域中（在下面將進一步討論）。
• 3）記錄進程中所有其他的應用程序域，包括提供加載/卸載應用程序域等功能。
• 4）記錄字符串池中的字符串常量，因此允許任意字符串在每個進程中都存在一個副本。
• 5）初始化特定類型的異常，例如內存耗盡異常，棧溢出異常以及執行引擎異常等。

我們注意到，系統應用程序域會自動創建共享應用程序域和默認應用程序域，這對于開發人員也是透明的，也就是說一個.net程序一旦啟動，就會有三個應用程序域。 系統應用程序域的作用已經說明了，而共享應用程序域主要是用于加載一些與 默認應用程序域無關 的代碼，即“非用戶代碼”，比如mscoree.dll,一些system命名空間的類型等，由其名稱可知，其內部加載的成程序集可被所有應用程序域訪問。 默認應用程序域就是我們代碼（用戶代碼）執行的地方，開發者還可以通過系統應用程序域創建多個應用程序域，但往往很少有這種需求。

內存工作方式

上面說完了程序集的編譯以及加載原理，下面來主要說一下.net程序內存的工作方式。

現在假設我們的程序已經編譯OK，并且被保存再磁盤上的一處位置。我們準備雙擊運行它，首先這必須是一個exe文件，否則，無法直接運行。隨后，這個exe文件被加載到內存的代碼區，（這里也說明一下，程序集盡量實現單一職責，否則加載了一個很大的程序集卻只用小部分功能，簡直是浪費內存！）當exe文件被加載到內存代碼區后，windows加載器開始加載CLR，而后，CLR啟動后根據exe文件的CLR頭信息中的Main方法入口，從而進入用戶代碼。從Main方法開始，IL代碼就被不斷取出交給JIT即時編譯成機器指令，從而達到功能實現。

OK，有人會問，所有的代碼都會一次性交給IL進行即時編譯嗎？No！面向對象只是我們進行業務設計時更易建模領域模型，對于計算機，它永遠只知道，你讓它做什么，他就去做什么。絕不會多做任何一點兒。所以，一切都是面向函數！函數即指令！一個dll，加載到內存，沒有被調用，沒有main方法，它則永不會被JIT！當然我們只是舉例，沒有被調用，也根本不可能被加載到內存！ 而Main方法就是所有程序的入口函數，Main方法其內部的所有代碼都會被JIT（Main方法所在線程即主線程）。 如下文件：

class Program{static void main(string[] args){Console.WeiteLine("Test");int a=1;int b=2;int c=add(a,b);Console.WriteLine(c);} static int add(int a,int b){return a+b;}}

當CLR調用Main方法時，首先將Main方法的IL指令交給JIT翻譯為機器指令，此時，發現Main方法屬于Program類型，且是靜態方法，便會在內存堆上分配空間，根據元數據中的TypeDef創建類型內部結構，即Type對象。注意：非program對象，因為并沒有new指令。然后將Main方法的IL指令翻譯為CPU指令，緊接著進入Main方法內部的其他IL代碼，從而正式開始應用程序主線程的運行。內存分配圖如下：

1.CLR調用Main方法；2.JIT到代碼區查找元數據和IL代碼3.JIT根據找到的信息編譯出CPU指令，static構造函數和main函數4.編譯后的Main函數開始執行，進入應用程序主線程5.調用add方法；（不應該指向　JIT？待思考）6.JIT將add方法的IL代碼翻譯為CPU指令并執行。

注意：JIT有非常強大的緩存功能，也就是說相同的代碼在同一應用程序域不會被JIT第二次，而是使用之前JIT出的CPU指令

總結

本文主要針對.NET的運行原理進行了分析，但運行在虛擬機之上的語言的編一個運行過程大致相同，可能由于一些語言的性質不同，會做一些編譯優化，比如F#函數式語言，scala多范式語言等。特別強調：本文為作者個人多年工作經驗和書籍閱讀帶來的個人理解，并通過博文進行分享，有一個目的是希望有更加清晰明白的人能指出其中的不足或錯誤，以免誤人子弟，同時學習進步。

有什么疑問，請留言，我們一起討論，謝謝！

參考：

《CLR via c#》

《.NET高級調試》

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轉載于:https://www.cnblogs.com/phoozyan/p/4998727.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入剖析.NET运行机制的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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