CLR的执行模型

公共语言运行时(Common Language Runtime, CLR)是一个可由多种编程语言使用的“运行时”。CLR的核心功能(比如内存管理、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。

不同编程语言的意义？可将编译器视为语法检查器和“正确代码”分析器。它们检查代码，确定写的一切都有意义，并输出对其意图进行描述的代码。但是无论任何用哪个编译器，最终编译的结果都是托管模块(managed module)。托管模块是标准的32位Microsoft Windows可移植执行(Portable Executable, PE32)或64位(PE32+)文件。

高级语言(例如C#、F#等)通常只公开的CLR全部功能的一个子集。然而，IL汇编语言允许开发人员访问CLR的全部功能。

托管模块的组成部分

• PE32或PE32+头部：标准Windows PE文件头，类似于“公共对象文件格式”(Common Oject File Format, COFF)。
• CLR头部：包含使这个模块成为托管模块的信息(可由CLR和一些实用程序进行解释)。包含要求的CLR版本，一些标志(flag)，托管模块入口方法(Main方法)的MethodDef元数据token以及模块的元数据、资源、强名称、一些标志及其他不太重要的数据项的位置/大小。
• 元数据：每个托管模块都包含元数据表。主要由两种表：一种描述源代码中定义的类型和成员，另一种描述源代码引用的类型和成员。
  • 用途：
    • 避免编译时对原生C/C++头和库文件的需求，因为在实现类型或成员的IL代码文件中，已包含有关引用类型或成员的全部信息。编译器直接从托管模块读取元数据。
    • “智能感知”(IntelliSense)技术会解析元数据，告诉你一个类型提供了哪些方法、属性、事件和字段。对于方法，还能告诉其参数。
    • CLR的代码验证过程使用元数据确保代码只执行“类型安全”的操作。
    • 允许将对象的字段序列化和反序列化。
    • 允许垃圾回收器跟踪对象生存期。
• IL(中间语言)代码：编译器编译源代码时生成的代码。在运行时，CLR用本机代码编译器(native code compolers)将IL编译成面向本机特定CPU架构的指令代码。
  • IL指令是一种基于栈的指令集（跟Lua一样）。操作压入栈，并从让结果从栈弹出。
  • IL指令还是无类型(typeless)的。

将托管模块组合成程序集

程序集(assembly) 是一个或多个模块或资源文件的逻辑性分组。程序集是重用、安全性以及版本控制的最小单元。CLR实际与程序集一起工作，程序集相当于它的“组件”。

清单(manifest) 是元数据表的集合。这些表描述构成程序集的文件、程序集中的文件所实现的public类型以及与程序集关联的资源或数据文件。

程序集的自描述(self-describing) 利用程序集模块中包含的引用程序集有关的信息(版本号)，CLR能判断为了执行程序集中的代码，程序集的直接依赖对象(immediate dependency)。

托管程序集总是利用Windows的数据执行保护(Data Execution Prevention, DEP)和地址空间布局随机化(Address Space Layout Randomization, ASLR)来增强系统安全性。

如果只有一个托管模块而且无资源(或数据)生成的程序集就是托管模块本身，生成无需额步骤。但如果希望将一组文件合并到程序集中，就必须用AL(程序集连接器)等工具生成。

程序集的执行

分析以下程序的执行

1static void Main() {
2    Console.WriteLine("Hello World!");
3    Console.WriteLine("Goodbye!");
4}

1. 在Main方法执行之前，CLR会检测出Main方法的代码引用的所有类型(本例为Console)。并分配一个内部数据结构来管理对引用类型的访问。内部数据结构中对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。对这个结构初始化时，CLR将每个记录项的指针都指向包含在CLR内部的一个未编档函数(本书定义为JITCompiler)。
2. 第一次执行Console.WriteLine方法时，JITCompiler函数会被调用。它负责将方法的IL代码编译成本机CPU指令。由于IL是“即时”(just in time)编译的，所有通常将CLR的这个组件叫做JIT编译器。JITCompiler函数的执行方式如下：
   1. 在负责实现类型(Console)的程序集的元数据中查找被调用的方法(WriteLine)。
   2. 从元数据中获取该方法的IL代码。并验证
   3. 动态分配内存块。
   4. 将IL代码编译成本机CPU指令然后将本机代码存储到步骤3分配的内存中。
   5. 在Type表(Main函数指向Console.WriteLine的记录项)中修改与方法对应的条目，使它指向步骤3分配的内存块。
   6. 跳转到内存块中的本机代码，并执行。
   7. 执行完后返回到Main方法中继续执行。
3. 当第二次执行Console.WriteLine方法时，由于已经对其方法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。

元数据

元数据是由几个表构成的二进制数据块。有三种表：定义表(definition table)、引用表(reference table)和清单表(manifest table)

定义表

模块自己定义的数据

引用表

模块引用的数据

清单表

清单表中主要包含程序集组成部分的那些文件的名称。此外，还描述了程序集的版本、语言文化、发布者、公开导出的类型以及构成程序集的所有文件。