SOS能够领略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
原文发布日期: 9/19/2005
原稿已经深受 Microsoft
删除了,收集过程中发现众多章图都未备,那是因原文的希冀都未全,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

  • 前言
  • CLR启动程序(Bootstrap)创建的处
  • 系统域(System
    Domain)
  • 共享域(Shared
    Domain)
  • 默认域(Default
    Domain)
  • 加载器堆(Loader
    Heaps)
  • 品种原理
  • 靶实例
  • 方法表
  • 基实例大小
  • 方槽表(Method Slot
    Table)
  • 法描述(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。
  • 目标布局与舅存细节。
  • 主意发明布局。
  • 法分派(Method dispatching)。

坐国有语言运行时(CLR)即将成为当Windows上创办应用程序的中流砥柱级基础架构,
多掌握点关于CLR的吃水认识会协助您构建高效的, 工业级健壮的应用程序.
在就篇稿子被, 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, 基于接口的摊, 和各种各样的数据结构.

咱见面动由C#描绘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因C#语言也目标的.
讨论的有的数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0挨改变,
但是大部分的定义是无见面转换的. 我们见面用Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些数据结构.
SOS能够亮CLR内部的数据结构, 能够dump出有因此之信息. 通篇,
我们见面讨论在Shared Source CLI(SSCLI)中保有相关落实的切近, 你得从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下充斥到它们.

图表1 会帮助而当摸一些布局的时到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

以我们开前,请留意:本文提供的音讯就针对以X86平台达成运行的.NET Framework
1.1得力(对于Shared Source CLI
1.0吧多数适用,只是以某些交互操作的景象下得注意例外),对于.NET
Framework
2.0会见发出转移,所以要不要以构建软件时靠让这些内部结构的不变性。


CLR启动程序(Bootstrap)创建的地带

CLR启动程序(Bootstrap)创建的地域

以CLR执行托管代码的率先推行代码前,会创造三个应用程序域。其中有数只对托管代码甚至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启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正使 图2
所示,这些地区是系统域(System Domain)和同享域(Shared
Domain),都是动了么(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,也是唯一的发生命名的地区。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之名字做。其它的地段可以于托管代码中运用AppDomain.CreateDomain方法创建,或者在非托管的代码中使ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会根据应用程序的数目创建多个域。

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。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且保护过程范围里边使用的含或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1着之一个优化特性,它的拍卖措施显得略微昏头转向,因为CLR没有叫程序集时选择这特性。尽管如此,由于当所有的应用程序域中对一个特定的符号只保留一个遥相呼应之字符串,此特性可节约内存空间。

系统域还负责产生过程范围的接口ID,并据此来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过遭到维系跟踪所有域,并贯彻加载与卸载应用程序域的效应。


共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

有着不属另外特定域的代码被加载到网库SharedDomain.Mscorlib,对于有所应用程序域的用户代码都是少不了的。它会于机关加载到同享域中。系统命名空间的骨干型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也可吃加载到这域中,方法是当调用CorBindToRuntimeEx时利用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序为得以加载代码到同享域中,方法是使System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个用基地址作为目录的先后集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系之查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他在托管代码中开创的应用程序域。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其中运行。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,架构或者进行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所在。所有以此域运行的代码都是以地区层次上生上下文限制。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方可动用System.ContextBoundObject派生的档次创建。每个应用程序域有自己的安描述符(SecurityDescriptor),安全达成下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有好的加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。


加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的意是加载不同之周转时CLR部件和优化在域的周生命期内存在的构件。这些堆的加强基于可预测块,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之基本上独堆放),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,分配在勤堆上,而比少看的数据结构如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,我们准备看看它以一个简易的应用程序的前后文中的大体细节,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来输出域的消息。(请查看
Son of
Strike
打探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,被加载到一个叫也”Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到一道享域,不过盖它是主导系统库,所以也当系统域中列有。每个域会分配一个勤堆,低频堆和代理堆。系统域和联合享域使用同样的好像加载器,而默认应用程序使用好之近乎加载器。

出口没有亮加载器堆的保留尺寸和已经交付尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的输出为从不展示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个地区有一个接口虚表堆(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。我们以见面于继承有研究项目布局时讨论IVMap的义。

图2
显示默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和生目标堆(用于大小相当于还是超越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堆和老目标堆是用来托管对象实例化的杂质回收堆。


种原理

类原理

路是.NET编程中的核心单元。在C#被,类型可以使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数档由程序员显式创建,但是,在特意之相互操作(interop)情形与远程对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的出类型,这些有的类涵盖COM和运行时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱们通过一个含有对象引用的堆栈开始研究.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遭逢显得的代码包含一个简单的次序,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的档次实例,该品种涵盖一个字节数组,用于演示如何以生目标堆创建对象。尽管就是一致段落无聊之代码,但是可协助我们开展讨论。

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,它证明当可能的情事下以函数参数通过寄存器传递,而任何参数按照从右到左的相继入栈,然后由让调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内包含在仓库结构中。引用类型变量如smallObj以一定大小(4配节DWORD)保存在栈中,包含了以一般GC堆着分红的目标的地方。对于人情C++,这是目标的指针;在托管世界面临,它是目标的援。不管怎样,它含有了一个对象实例的地址,我们以运用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的堆栈结构以及堆积

貌似GC堆上之smallObj对象实例包含一个称也 _largeObj
的字节数组(注意,图备受形的尺寸也85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超越或当85000字节的目标的拍卖与微目标不同。大目标在充分目标堆(LOH)上分红,而聊目标在相似GC堆上创设,这样可以优化对象的分红和回收。LOH不见面回落,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在全GC回收时给回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个声明的项目有一个方法表,而相同档的备目标实例都针对同一个方法表。它含了花色的性状信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明的扇(slot)数目,指向相应实现之槽表。

办法表指向一个称也EEClass的要数据结构。在点子发明创建前,CLR类加载器从元数据被开创EEClass。
图4饱受,SmallClass的方式表指向她的EEClass。这些组织指向她的模块和顺序集。方法表和EEClass一般分配在合享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦让加载到中,就直到应用程序域卸载时才会收敛。而且,默认的应用程序域不见面吃卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。


对象实例

目标实例

巧而我们说过的,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。所有的援类型在 GC 堆或者 LOH 上开创。图 6
显示了一个榜首的靶子布局。一个对象足以由此以下途径为引述:基于栈的片段变量,在互相操作还是平台调用情况下的句子柄表,寄存器(执行措施时之
this 指针和措施参数),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始发位置,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个对 SyncTableEntry 表的目(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连接,所以在用增加表的深浅时, CLR
可以以内存中活动是表。 SyncTableEntry 维护一个反向的辞世引用,以便 CLR
可以跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以于并未外强引用在时时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对性
SyncBlock
的指针,包含了很少要吃一个靶的持有实例使用的行之有效之音。这些消息包括对象锁,哈希编码,任何移层
(thunking) 数据和应用程序域的目录。对于绝大多数之目标实例,不会见否实际的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这同沾于推行线程遇到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的讲话时会发生变化,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

于上述代码中, smallObj 会动用 0 作为其的开端的 syncblk 编号。 lock
语句子使得 CLR 创建一个 syncblk 入口并动用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩展为 try-finally 语句子并运用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上缔造。堆 GetHashCode
的调用会使对象的哈希编码增加 syncblk 。
于 SyncBlock 中发生其他的域,它们在 COM 交互操作与封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时采用,不过当下同突出的靶子用处无关。
类句柄紧跟在目标实例中的 syncblk
编号后。为了维持连续性,我会以印证实例变量后讨论类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在列句柄后。默认情况下,实例域会因为内存最可行利用的方法排列,这样才待极度少的当作对一起之填充充字节。
7
的代码显示了 SimpleClass 包含有有例外尺寸的实例变量。

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 显示了当 Visual Studio 调试器底内存窗口被的一个 SimpleClass
对象实例。我们当图 7 的 return 语句处设置了断点,然后采用 ECX
寄存器保存之 simpleObj 地址在内存窗口亮对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为咱们从来不就此另外共同代码用这个实例(也不曾看它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存于栈变量的对象实例,指为起始位置的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个交接一个之排于一块儿。两只
short 类型变量 s1 和 s2 也让排在共。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。字符串是一个特别之种,因为具有包含同样仿标记的字符串,会当先后集加载到过程时对一个大局字符串表的一样实例。这个进程叫字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的使。我们前面曾提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可知选是否采用是进程,尽管未来版的 CLR
可能会见提供这么的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance

从而默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在互动操作的图景下,词典顺序必须被保留到外存中,这时可以采取
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以吧被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(但是 .NET Framework 2.0
可能会见这么做)。在彼此操作的状下,如果您真正需要格外的填充充字节和显示的控制域的相继,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 FieldOffset 特性一起行使。

扣押了脚的内存内容后,我们下 SOS 看看对象实例。一个实惠之指令是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容与一个特地类型的富有实例。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方。

!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

对象的终究大小是 36 字节,不管字符串多万分, SimpleClass 的实例只含有一个
DWORD 的目标引用。 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
实例的地址后,我们可采用 DumpObj 命令输出它的情节,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

正好而之前说过, 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。我们好采取 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)

假如您从目标图的全局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的尺寸( 36
字节),就可以赢得 str 的大小,即 36 字节。让咱输出 str
实例来证实这个结果:

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

一经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),就足以获取ObjSize命令语的到底大小72字节。

吁留意ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1受,CLR不了解非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它们不见面叫此令语。

对方法发明的色句柄在syncblk编号后分配。在靶实例创建前,CLR查看加载类型,如果没找到,则开展加载,获得方法表地址,创建对象实例,然后将种句柄值追加至目标实例中。JIT编译器产生的代码在拓展方式分派时以类句柄来稳定方法表。CLR以待史可以通过艺术表反向顾加载类型时以项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩展程序用于本文化之显示CLR数据结构的情,它是 .NET
Framework 安装程序的同片,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。然后于 Immediate 窗口被实施 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的部分令,关于SOS更多信息,参考这里。


方法表

方法表

每个接近以及实例在加载到应用程序域时,会当内存中经过艺术表来表示。这是于目标的率先个实例创建前的切近加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到让语言编译器产生的照射到内存的首家数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音与外挂的音讯可透过System.Type访问。指向方法发明的指针在托管代码中好由此Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的项目句柄指向方法发明开位置的晃动处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们不打算于这边针对其展开座谈。

图 9
显示了点子发明底榜首布局。我们会证明项目句柄的片最主要的域,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,因为她直接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分寸,基于代码中宣示的地面。之前早已讨论了,当前GC的贯彻用一个足足12字节的对象实例。如果一个近乎没有定义任何的例域,它起码含有额外的4独字节。其它的8单字节被指向象头(可能带有syncblk编号)和种类句柄占用。再说一不成,对象的分寸会吃StructLayoutAttribute的影响。

看看图3吃显示的MyClass(有一定量单接口)的不二法门发明的内存快照(Visual
Studio .NET
2003外存窗口),将她与SOS的出口进行较。在图9遭到,对象大小在4字节之晃动处,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


计槽表(Method Slot Table)

艺术槽表(Method Slot Table)

在方发明中隐含了一个槽表,指向各个艺术的叙述(MethodDesc),提供了色的行为能力。方法槽表是基于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。

类加载器在当下类似,父类和接口的首家数据被遍历,然后创建方法表。在列过程被,它替换所有的为覆盖的虚方法和吃藏的父类方法,创建新的槽,在用时复制槽。槽复制是必要的,它可被每个接口有温馨的极致小的vtable。但是被复制的槽指向同之物理实现。MyClass包含接口方法,一个像样构造函数(.cctor)和对象构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为持有没有来显式定义构造函数的目标自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会转移一个看似构造函数。图10来得了MyClass的法门发明底布局。布局显示了10只主意,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们见面开展座谈。图11显示了MyClass的办法发明底SOS的输出。

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()

另项目的启4个法子总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是于System.Object继承的虚方法。Method2槽被开展了复制,但是都指向相同的章程描述。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一如既往组。


法描述(MethodDesc)

术描述(MethodDesc)

方式描述(MethodDesc)是CLR知道之法实现之一个包装。有几乎栽档次的艺术描述,除了用于托管实现,分别用于不同的并行操作实现的调用。在本文中,我们仅考察图3代码中之托管方描述。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显了一个榜首的布局,方法发明底槽实际上对代理,而非是实际上的法描述数据结构。对于实际的计描述,这是-5字节的摇,是每个方法的8独叠加字节的一致部分。这5只字节包含了调用预编译代理程序的命。5字节底舞狮可以打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。在第一涂鸦调动用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被超反至JIT编译后的x86代码的白白跳转指令覆盖。

图 12计描述

图12的主意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。以下是在
Method2 被JIT编译前的反倒汇编的简化显示。

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

如今咱们尽是方法,然后倒汇编相同之地点:

!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

以是地点,只有开始5独字节是代码,剩余字节包含了Method2的方式描述的数目。“!u”命令不晓得这或多或少,所以生成的是乱的代码,你可以忽略5单字节后底享有东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中智实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按照要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。让咱们打列有的函数中摘一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的道描述的始末:

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

编译后,方法描述的情如下:

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

方法的是标志域的编码包含了主意的花色,例如静态,实例,接口方法还是COM实现。让我们看方法表另外一个繁杂的方面:接口实现。它包裹了布局过程有的复杂,让托管环境看这或多或少押起大概。然后,我们拿证明接口如何开展布局与根据接口的法子分派的适当工作方法。


接口虚表图和接口图

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

每当艺术发明的第12字节偏移处是一个首要之指针,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在接口类型第一不好加载时创造。每个接口的兑现还当接口虚表中生一个记下。如果MyInterface1被简单独八九不离十实现,在接口虚表表中就产生点儿独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的发端位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常用的援。接口虚表是依据方法发明内含的接口图信息创建,接口图于术发明布局过程遭到因类的处女数据创建。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章程表中的接口信息记录。在这种情景下,对MyClass实现的少数个接口中的诸一个还产生点儿漫长记下。第一修接口信息记录之起来4独字节指向MyInterface1的品种句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标志占用(0表示于父类派生,1代表由于时相仿实现)。在表明后的WORD是一个始发槽(Start
Slot),被类似加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,开始槽的价值吗4(从0开始编号),所以槽5和6因于实现;对于MyInterface2,开始槽的价为6,所以槽7和8凭为实现。类加载器会在用常复制槽来闹这么的职能:每个接口有自己之贯彻,然而物理映射到平的法门描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2同MyInterface2.Method2会指向相同之兑现。

冲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一一槽的道描述地址进行。如之前提及,.NET框架下fastcall的调用约定,最先2独参数在恐的时刻一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先只参数总是this指针,所以经ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语词看到这或多或少:

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白调用MyClass的实例方法没有用偏移。JIT编译器把措施描述的地方直接写到代码中。基于接口的摊通过接口虚表发生,和直分派相比要有的额外的下令。一个下令用来取得接口虚表的地方,另一个落方式槽表中的接口实现之始发槽。而且,把一个对象实例转换为接口就需要拷贝this指针到目标的变量。在图2受,语句“mi1=mc”使用一个命把mc的目标引用拷贝到mi1。


虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

现今咱们看看虚分派,并且与因接口的摊派进行较。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定点的槽编号发生,和艺术表指针在特定的类似(类型)实现层次无关。在法发明布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的落实。结果,对大对象的办法调用被分派到子对象的兑现。反汇编显示了分派通过8号槽发生,可以于调试器的内存窗口(如图10所展示)和DumpMT的输出看到这或多或少。


静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是方法表数据结构的重中之重组成部分。作为艺术发明底一律局部,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,而对此组织和援的类别的静态值对象,通于句柄表中创造的目标引用来对。方法表中的对象引用指向应用程序域的词柄表的目标引用,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之靶子实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的目标引用,后者对GC堆上之MyString。


EEClass

EEClass

EEClass在章程发明创建前开始在,它同道发明组成起来,是种类声明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个门类),只不过因为使用频度的两样而给分手。经常用的域放在方法表,而非常采取的地面于EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的音(如名字,域和偏移)在EEClass中,但是运行时要之音(如虚表槽和GC信息)在方式表中。

本着各级一个类会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和布局。每个EEClass是一个叫实践引擎跟踪的栽培之节点。CLR使用这个网络以EEClass结构中浏览,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-子关系因接口层次和类加载顺序的重组。在尽托管代码的进程被,新的EEClass节点被在,节点的涉让补,新的涉及被起。在网被,相邻之EEClass还有一个水准的涉嫌。EEClass有三只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面临的MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13

图13徒展示了与是讨论相关的一些域。因为咱们忽视了布局中的有的域,我们没当祈求中合适显示偏移。EEClass有一个间接的对措施发明底援。EEClass也对于默认应用程序域的屡屡堆分配的方式描述块。在法发明创建时,对过程堆上分红的地面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,这样操作系统可以重复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)的上下文的含义不讲话自明。我们本探视用SOS输出的EEClass的的确的情理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先利用命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地方。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的第一单参数时模块名,可以由DumpDomain命令得到。现在我们获取了EEClass的地点,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和DumpClass的出口看起了一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了当模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从互动邻链指于名吧Program的EEClass,可以知道贪图13出示的凡加载Program时之结果。

MyClass有8单虚表槽(可以于虚分派的章程)。即使Method1和Method2非是虚方法,它们可以以经过接口进行分摊时于认为是虚函数并在到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你晤面赢得总共10只道。最后列有底凡近乎的点滴只静态域。MyClass没有实例域。其它地区不谈自明。


Conclusion结论

结论

咱俩关于CLR一些极其要紧的内在的探赜索隐旅程算结束了。显然,还有多题材需要涉及,而且亟需以重新老的层系上讨论,但是咱盼望就可辅助而相事物如何做事。这里提供的博的信或会见于.NET框架和CLR的新兴本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该维持无转换。

乘机通用语言运行时(CLR)即将成为当Windows®下支付应用程序的首选架构,对该展开深刻理解会协助而建行之有效之工业强度的应用程序。在本文中,我们拿探索CLR内部,包括对象实例布局,方法发明布局,方法分派,基于接口的分摊和见仁见智之数据结构。

俺们将使用C#编的简代码示例,以便任何固有的言语语法含义是C#的缺省定义。某些此处讨论的数据结构和算法可能会见在Microsoft®
.NET Framework 2.0饱受改变,但是要概念应该保障不转换。我们采用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查阅本文讨论的数据结构。SOS理解CLR的其中数据结构并出口有因此信息。请参考“Son
of Strike”补充资料,了解什么拿SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的长河空间。本文中,我们拿讲述在一起享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中产生对应实现之切近,你得自msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1用扶持您当SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的构造。

每当我们初步前,请小心:本文提供的音就针对以X86平台及运行的.NET Framework
1.1卓有成效(对于Shared Source CLI
1.0乎多数适用,只是以某些交互操作的情况下得注意例外),对于.NET
Framework
2.0会时有发生改,所以告不要在构建软件时因让这些内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)创建的处

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,这些处是系统域(System
Domain)和联合享域(Shared
Domain),都是运了么(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,也是绝无仅有的生命名的地域。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。其它的地区可以以托管代码中使AppDomain.CreateDomain方法创建,或者以非托管的代码中利用ICORRuntimeHost接口创建。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会因应用程序的数据创建多个域。

2 由CLR启动程序创建的地面

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系统域(System Domain)

系统域负责创建及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用的涵盖或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1遭之一个优化特性,它的拍卖方法显得有些昏头转向,因为CLR没有受程序集时选择这个特性。尽管如此,由于当备的应用程序域中对一个特定的记只保留一个相应的字符串,此特性可省内存空间。

系统域还担当产生过程范围之接口ID,并因而来创造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在过程被保障跟踪所有域,并落实加载与卸载应用程序域的成效。

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共享域(Shared Domain)

持有不属另外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于有所应用程序域的用户代码都是必备的。它见面吃电动加载到一起享域中。系统命名空间的为主型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中给优先加载到本域中。用户代码也足以为加载到是域中,方法是于调用CorBindToRuntimeEx时使用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序吗堪加载代码到一道享域中,方法是行使System.LoaderOptimizationAttribute特性声明Main方法。共享域还管理一个用基地址作为目录的先后集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和任何在托管代码中开创的应用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

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默认域(Default Domain)

沉默认域是应用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其间运行。尽管有些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转期间就开创一个域。所有在此域运行的代码都是于地域层次上闹上下文限制。如果一个应用程序有差不多独应用程序域,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方可以System.ContextBoundObject派生的项目创建。每个应用程序域有好的平安描述符(SecurityDescriptor),安全及下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有自己之加载器堆(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)

加载器堆的意图是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的全部生命期内是的预制构件。这些堆的增强基于可预测块,这样可以假设碎片最小化。加载器堆不同让垃圾回收堆(或者对如多处理器上之大都单堆放),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常看的构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在屡堆上,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)的代理部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

自高层次了解域后,我们准备看看她于一个概括的应用程序的前后文中的大体细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后采用SOS调试器扩展命令DumpDomain来输出域的信。(请查看Son
of
Strike
问询SOS的加载信息)。这里是编制后底出口:

!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

咱的控制台程序,Sample1.exe,被加载到一个名为也“Sample1.exe”的应用程序域。Mscorlib.dll被加载到同享域,不过为其是骨干系统库,所以啊于系统域中列有。每个域会分配一个频繁堆,低频堆和代理堆。系统域和共同享域使用相同之近乎加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有亮加载器堆的保存尺寸和已提交尺寸。高频堆的初始化大小是32KB,每次交4KB。SOS的出口为从未展示接口虚表堆(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。我们以见面在此起彼伏有研究项目布局时讨论IVMap的意义。

图2亮默认的历程堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和深目标堆(用于大小相等还是超过85000字节的靶子),它证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指令以保留及JIT代码堆着。GC堆和深目标堆是用以托管对象实例化的废物回收堆。

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种类原理

类型是.NET编程中的着力单元。在C#中,类型可以应用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数型由程序员显式创建,但是,在特别之互操作(interop)情形与长途对象调用(.NET
Remoting)场合被,.NET
CLR会隐式的产生类型,这些发生的类型涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

咱由此一个暗含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遭逢显得的代码包含一个简易的次序,它发生一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创办一个SmallClass的品种实例,该型涵盖一个字节数组,用于演示如何以深目标堆创建对象。尽管就是均等段落无聊的代码,但是可帮助我们开展座谈。

图5展示了艾在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时之fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它证明当恐的情下以函数参数通过寄存器传递,而另外参数按照从右到左的顺序入栈,然后由为调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在仓库结构面临。引用类型变量如smallObj以稳定大小(4字节DWORD)保存于栈中,包含了当一般GC堆中分红的目标的地方。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,它涵盖了一个目标实例的地方,我们将应用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的库房结构以及堆放

相似GC堆上的smallObj对象实例包含一个叫作吧_largeObj的字节数组(注意,图备受形的分寸为85016字节,是实际上的储备大小)。CLR对超过或顶85000字节的目标的处理及小目标不同。大目标在那个目标堆(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只会以了GC回收时于回收。

smallObj的靶子实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个声明的档次有一个方法表,而同类型的保有目标实例都针对同一个方法表。它涵盖了种类的特征信息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法发明的扇(slot)数目,指向相应实现之槽表。

措施表指向一个叫也EEClass的重要性数据结构。在道发明创建前,CLR类加载器从元数据遭到创造EEClass。图4备受,SmallClass的法子表指向其的EEClass。这些组织指向她的模块和顺序集。方法表和EEClass一般分配在齐享域的加载器堆。加载器堆和应用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦让加载到中,就直到应用程序域卸载时才见面磨灭。而且,默认的应用程序域不会见吃卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭了。

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目标实例

无独有偶使我辈说过之,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上缔造。图6著了一个杰出的对象布局。一个目标好经以下途径为引用:基于栈的组成部分变量,在互相操作还是平台调用情况下之句子柄表,寄存器(执行措施时之this指针和措施参数),拥有终结器(finalizer)方法的靶子的终结器队列。OBJECTREF不是靠于目标实例的开头位置,而是发生一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目录(从1方始计数的syncblk编号。因为经索引进行连接,所以于得增加表的大小时,CLR可以当内存中移动是发明。SyncTableEntry维护一个反向的已故引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以以没其余强引用在时时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了充分少用吃一个靶的有所实例使用的卓有成效的信息。这些信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据及应用程序域的目。对于多数底靶子实例,不见面呢实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这无异沾当实施线程遇到如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();

每当以上代码中,smallObj会要用0作为它们的序曲的syncblk编号。lock语句使得CLR创建一个syncblk入口并行使相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩展为try-finally语句子并运用Monitor类,一个用作同步的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中起另外的域,它们以COM交互操作与封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时利用,不过这同突出的目标用处无关。

花色句柄紧跟以目标实例中的syncblk编号后。为了保持连续性,我会以说明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,实例域会以内存最管用采取的法排列,这样单待极少之当作对旅的填写充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一对不等尺寸的实例变量。

图8展示了以Visual
Studio调试器的内存窗口中之一个SimpleClass对象实例。我们以图7的return语句处设置了断点,然后利用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。因为我们无因此任何共同代码用是实例(也从没看它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的靶子实例,指为起始位置的4单字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3以及b4叫一个连一个底排于一块。两只short类型变量s1和s2也受列在一道。字符串变量str是一个4字节底OBJECTREF,指为GC堆着分配的实际上的字符串实例。字符串是一个特别的路,因为有着包含同样仿标记的字符串,会以程序集加载到过程时对一个大局字符串表的一致实例。这个历程叫字符串驻留(string
interning),设计目的是优化内存的下。我们前面都提过,在NET Framework
1.1蒙受,程序集不能够选择是否以这历程,尽管未来版本的CLR可能会见提供这么的力量。

于是默认情况下,成员变量在源代码中之词典顺序没有在内存中保持。在交互操作的场面下,词典顺序必须让保存至外存中,这时可以使StructLayoutAttribute特性,它发一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential可以吧叫封送(marshaled)数据保持词典顺序,尽管当.NET
Framework 1.1蒙受,它从未影响托管的布局(但是.NET Framework
2.0可能会见如此做)。在互相操作的图景下,如果您确实要格外的填充充字节和展示的控制域的逐一,LayoutKind.Explicit可以和域层次的FieldOffset特性一起下。

圈罢脚的内存内容后,我们运用SOS看看对象实例。一个行的指令是DumpHeap,它可以列出所有的积内容和一个特意类型的具备实例。无需凭寄存器,DumpHeap可以显示我们创建的唯一一个实例的地方。

!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

靶的毕竟大小是36字节,不管字符串多万分,SimpleClass的实例只含一个DWORD的靶子引用。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实例的地方后,我们得以下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

凑巧使前说了,C#编译器对于类似的默认布局使用LayoutType.Auto(对于组织使LayoutType.Sequential);因此类加载器重新排列实例域以最好小化填充字节。我们得以动用ObjSize来输出包含被str实例占用的半空中,如下所示:

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

倘您于目标图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的大大小小(36字节),就足以得到str的深浅,即36字节。让我们输出str实例来验证这个结果:

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

若是你将字符串实例的高低(36字节)加上SimpleClass实例的大大小小(36字节),就足以获得ObjSize命令语的到底大小72字节。

伸手留心ObjSize不包含syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1负,CLR不明白非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;因此它不见面于这个命令语。

本着方法发明的项目句柄在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,然后将路句柄值追加至目标实例中。JIT编译器产生的代码在拓展方式分派时行使项目句柄来稳定方法表。CLR于急需史可以通过艺术表反向顾加载类型时行使类句柄。

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方法表

每个接近及实例在加载到应用程序域时,会于内存中经措施表来表示。这是在靶的首先独实例创建前的接近加载活动之结果。对象实例表示的凡状态,而艺术发明表示了行。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到叫语言编译器产生的照耀到内存的头条数据结构(metadata
structures)。方法发明包含的音讯与外挂的消息方可通过System.Type访问。指向方法发明底指针在托管代码中可通过Type.RuntimeTypeHandle属性获得。对象实例包含的路句柄指向方法发明开始位置的撼动处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。我们无打算在此地对那开展讨论。

图9显了道发明底突出布局。我们会证明项目句柄的有些主要的域,但是对截然的列表,请参见此图。让咱们打基实例大小(Base
Instance Size)开始,因为她一直关系及运行时的内存状态。

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基实永利网上娱乐例大小

基实例大小是由于类似加载器计算的目标的大小,基于代码中宣示的地方。之前曾经讨论过,当前GC的实现内需一个起码12字节的目标实例。如果一个好像没有概念任何的例域,它起码含有额外的4只字节。其它的8个字节被针对象头(可能含syncblk编号)和类别句柄占用。再说一糟糕,对象的轻重会遭受StructLayoutAttribute的熏陶。

看看图3受显示的MyClass(有有限个接口)的方式发明底内存快照(Visual
Studio .NET
2003舅存窗口),将她同SOS的输出进行较。在图9屡遭,对象大小在4字节之偏移处,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

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方槽表(Method Slot Table)

在措施发明中隐含了一个槽表,指向各个艺术的讲述(MethodDesc),提供了色的行为能力。方法槽表是基于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。

接近加载器在当下接近,父类和接口的排头数据被遍历,然后创建方法表。在列过程被,它替换所有的于埋的虚方法和受隐形的父类方法,创建新的扇,在得时复制槽。槽复制是必需的,它可以于每个接口有友好之顶小的vtable。但是让复制的槽指向同的物理实现。MyClass包含接口方法,一个近乎构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为持有没有发出显式定义构造函数的目标自动生成。因为咱们定义并初始化了一个静态变量,编译器会生成一个近似构造函数。图10来得了MyClass的章程发明底布局。布局显示了10单主意,因为Method2槽为接口IVMap进行了复制,下面我们会进展讨论。图11展示了MyClass的点子发明的SOS的出口。

其它类型的始发4独办法总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是打System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,但是还对相同之章程描述。代码显示定义之.cctor和.ctor会分别跟静态方法和实例方法分以同样组。

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方式描述(MethodDesc)

法描述(MethodDesc)是CLR知道之法实现之一个包。有几栽档次的艺术描述,除了用于托管实现,分别用于不同的交互操作实现的调用。在本文中,我们无非考察图3代码中之托管方描述。方法描述在类似加载过程被有,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著了一个一流的布局,方法发明底扇实际上对代理,而无是实际的道描述数据结构。对于实际的措施描述,这是-5字节的撼动,是每个方法的8只附加字节的一模一样有。这5单字节包含了调用预编译代理程序的下令。5字节的皇可以起SOS的DumpMT输出从看到,因为方法描述总是方法槽表指向的位置后的5只字节。在首先不行调整用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5独字节会被超越反到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

图12 方法描述

针对图12之方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叫JIT编译前之倒汇编的简化显示。

!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

现我们实施这措施,然后倒汇编相同之地点:

!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

于此地点,只有开始5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的办法描述的数据。“!u”命令不晓就或多或少,所以生成的凡无规律的代码,你得忽略5独字节后的兼具东西。

CodeOrIL在JIT编译前带有IL中方法实现之对立虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在准要求编译后,CLR用编译后底代码地址更新此域。让咱们从列有之函数中甄选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的不二法门描述的情节:

!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

艺术的此标志域的编码包含了办法的类别,例如静态,实例,接口方法要COM实现。让咱看方法表另外一个苛的上面:接口实现。它包裹了布局过程具有的扑朔迷离,让托管环境看就或多或少看押起简单。然后,我们以证明接口如何开展布局及因接口的法门分派的恰当工作措施。

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接口虚表图和接口图

在方发明的次第12字节偏移处是一个重点之指针,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,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一赖加载时创造。每个接口的贯彻还以接口虚表中产生一个记下。如果MyInterface1被简单个像样实现,在接口虚表表中就是发些许独记录。该记录会反向指向MyClass方法发明内含的子表的初步位置,如图9所示。这是接口方法分派发生常行使的援。接口虚表是因方法发明内含的接口图信息创建,接口图于点子发明布局过程遭到因类的正数据创建。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实现的星星个接口中的各级一个且来些许长长的记下。第一长条接口信息记录的上马4个字节指向MyInterface1的型句柄(见图9和图10)。接着的WORD(2字节)被一个表明占用(0代表于父类派生,1意味是因为目前仿佛实现)。在表明后底WORD是一个始槽(Start
Slot),被接近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指于实现;对于MyInterface2,开始槽的价值为6,所以槽7和8依赖于实现。类加载器会于急需经常复制槽来产生如此的法力:每个接口有投机之落实,然而物理映射到同样的法描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2与MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

依据接口的章程分派通过接口虚表进行,而直白的道分派通过保留在一一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单参数在恐的时一般经过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”语句看到就或多或少:

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

这些反汇编显示了第一手调用MyClass的实例方法没有利用偏移。JIT编译器把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发生,和直接分派相比要有些格外的吩咐。一个命令用来获取接口虚表的地点,另一个获得方式槽表中的接口实现之开槽。而且,把一个目标实例转换为接口就需要拷贝this指针到目标的变量。在祈求2面临,语句“mi1=mc”使用一个令把mc的目标引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

现行我们看虚分派,并且和因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永恒的槽编号发生,和措施表指针在一定的近乎(类型)实现层次无关。在章程发明布局时,类加载器用覆盖的子类的实现代替父类的贯彻。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,可以在调试器的内存窗口(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最主要组成部分。作为艺术发明的如出一辙有些,它们分配在术发明底槽数组后。所有的原静态类型是内联的,而对于组织和援的花色的静态值对象,通于句柄表中开创的靶子引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的句子柄表的目标引用,它引用了堆积如山上创立的目标实例。一旦创立后,句柄表内的靶子引用会如堆上之目标实例保持在,直到应用程序域于卸载。在图9
中,静态字符串变量str指于句柄表的目标引用,后者对GC堆上之MyString。

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EEClass

EEClass在道发明创建前开在,它和方法发明组成起来,是路声明的CLR版本。实际上,EEClass和道表逻辑上是一个数据结构(它们并表示一个项目),只不过因为以频度的例外而让分别。经常应用的域放在方法表,而未常以的处于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,但是运行时需之音讯(如虚表槽和GC信息)在术表中。

对各个一个路会加载一个EEClass到应用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和组织。每个EEClass是一个给执行引擎跟踪的塑造的节点。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-子关系因接口层次与类加载顺序的成。在履行托管代码的历程遭到,新的EEClass节点被投入,节点的涉及被填补,新的关系为树。在网被,相邻之EEClass还有一个品位的关联。EEClass有三只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面临的MyClass上下文中之EEClass的语义,请参考图13。

图13仅显示了跟是议论有关的一些域。因为我们忽略了布局中之组成部分地段,我们并未以祈求中适当显示偏移。EEClass有一个间接的对措施发明底援。EEClass也对于默认应用程序域的一再堆分配的办法描述块。在章程发明创建时,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之拓内存分页管理,因此削减了劳作集。

图13 EEClass 布局

贪图13受到之其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不语自明。我们现探访用SOS输出的EEClass的着实的物理内存。在mc.Method1代表码行设置断点后,运行图3的次。首先使命令Name2EE获得MyClass的EEClass的地址。

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

Name2EE的第一个参数时模块名,可以由DumpDomain命令得到。现在咱们获取了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与DumpClass的输出看起了同。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。从彼此邻链指为名也Program的EEClass,可以了解贪图13展示的凡加载Program时之结果。

MyClass有8个虚表槽(可以给虚分派的计)。即使Method1和Method2请勿是虚方法,它们得以于经接口进行分摊时为当是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor加入到列表中,你见面博得总共10单方法。最后列有的是相仿的一定量只静态域。MyClass没有实例域。其它地区不说话自明。

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Conclusion结论

咱关于CLR一些最好根本的内在的探赜索隐旅程算结束了。显然,还有好多问题用涉及,而且亟需以再次甚的层次上谈论,但是我们盼望马上可以辅助而相东西如何工作。这里提供的博的信息或会见于.NET框架和CLR的新兴本被改变,不过尽管本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该维持无转换。

Hanu Kommalapati举凡微软Gulf
Coast区(休斯顿)的同样称作架构师。他于微软今天之角色是拉客户基于.NET框架建立可扩大的组件框架。可以通过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
大凡微软出支持高级工程师,使用ASP.NET和用来WinDBG的.NET调试器扩展(sos/
psscor)。他当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,习惯用C++和C#开应用程序。闲暇时光外喜爱音乐,旅游及怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多之稿子与外开发者共享。可以由此ecaijw@msn.com联系他。

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