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[ASP.net教程]【C#进阶系列】01 CLR的执行模型——一个Hello World的故事


好吧,废话少说,先上一章Hello World图:

我们有了一个Hello world程序,如此之简单,再加上我今天没有用汉字编程o(>﹏<)o,所以一切很简单明了。

故事开始:

编译:

一个程序写完肯定要编译,以前什么C啊什么的都是编译成本机的CPU指令,但是我们的C#不是。

C#,VB.NET都会把它们编译成托管模块,托管模块在一个标准的可移植的PE文件中。(那些懵懂的少年肯定慌了,这是什么鬼,又是托管模块又是PE文件的。莫慌,所有你听不懂的高大上的术语其实都很简单,你现在不需要懂,听我慢慢道来)

所谓PE文件,就是可移植执行体,简单来讲就是.EXE和.DLL这种鬼东西(这个exe和C语言生成的有区别的)。这个PE文件里的托管模块,你可以当做一个对象,对象里有四个属性,一个PE头(描述文件),一个CLR头(描述这个对象的整体的一些信息,比如main入口),元数据(这个很关键,一种元数据表包含源代码中定义的那些那些类型和成员的描述信息,另一种包含引用的类型和成员的描述信息),IL代码(就是你的源代码被编译后的代码,又称中间语言)。

如果觉得麻烦,前面两个属性你可以忘掉了,记住后面两个就好:元数据和IL代码(简单来讲,就是代码的描述信息和编译后的代码)。

但是一个PE文件可不只一个托管模块,它可以由几个托管模块组成。编译器会把多个托管模块和资源文件合并成一个包含清单的程序集,这才是最后的PE文件。

运行:

但是这个托管模块也就是PE文件并不能直接运行,他需要CLR。

CLR常用简写词语,CLR是公共语言运行库(Common Language Runtime)和Java虚拟机一样也是一个运行时环境,它负责资源管理(内存分配和垃圾收集等),并保证应用和底层操作系统之间必要的分离。CLR存在两种不同的翻译名称:公共语言运行库和公共语言运行时。

此描述及以后的描述均来自百度百科,我懒得手打。

CLR的核心功能包括:内存管理,程序集加载,安全性,异常处理和线程同步。

这个东西又称为公共语言运行时。

前面的说到不能直接运行的时候,这里有懵懂的少年肯定说,我生成的exe文件明明可以直接运行。

这是因为你的电脑上安装了.NET Framework。当你在打开exe程序的时候你的进程的主线程会调用MSCorEE.dll的一个方法,这个方法会初始化CLR,再加载exe程序集,然后调用入口方法即main函数。

所以说实际上你的代码运行是需要在CLR上的。

那么CLR到底是怎么玩我们的Hello world的?

它会在运行时编译我们的IL代码。(先别吐槽为什么要编译两次,后面有讲)

早在Main函数执行之前,CLR就会检测Main的代码所引用的所有类型,然后生成了一个内部的数据结构来管理引用类型的访问。

在这个内部结构中,每个类型比如Console的每个方法都会有一个入口,每个入口都有一个地址(这里叫地址A吧),这个地址A就可以找到方法的实现代码。

而在这个内部数据结构初始化的时候,所有的这些入口的地址都会被设置成一个叫JITCompiler的函数。

就比如上面图中的hello world代码第一句,CLR在执行这句代码的时候会跑进JITCompiler这个函数中,这是内部操作:

  1. 会跑进托管模块,然后根据元数据匹配类名和方法名,获取你要执行的Console这个类里面Writeline这个函数在IL代码里面的地址B。
  2. 然后编译这段IL代码变成本机的CPU指令放到一块内存空间中,地址为C。(在这个编译之前还会进行验证哦,验证这个IL代码是否安全)
  3. 接着修改元数据中地址A的值变为地址C的值。
  4. 最后跳转到地址C开始执行地址C的cpu指令。

那么如果我们第二次去执行Writeline函数呢?此时内部结构中Writeline函数入口的地址指向的已经是编译好的CPU指令的地址了,所以也就不会去执行JITCompiler这个函数。

千万不要认为这样一定会很慢哦,除了第一次运行时JITCompiler的编译可能需要花费掉编译和优化的时间,后来执行的就是本地CPU指令哦。再加上JITCompiler的这个编译会根据你的机器的CPU不同可能会去生成一些专属于本CPU的特殊指令去优化IL代码,有的这种托管程序可能还要比非托管程序快。

好了,本章的精髓就是上面这些了。

现在我们想想为什么要编译两次?

因为这样的话,无论用C#、VB、F#这些东西你都可以生成一样的包含IL代码的托管程序集,然后这个托管程序集在CLR上运行,也就是说可以混合写代码,一个C#代码可以调用VB代码的DLL,用最适合的语言做最适合的事情。

并且在CLR监视之下执行的IL代码因为在执行前会进行安全校验,所以会提高程序的健壮性和可靠性。