01.由淺入深學習.NET CLR 基礎系列之CLR 的執行模型

.Net 從代碼生成到執行，這中間的一些列過程是一個有別于其他的新技術新概念，那么這是一個什么樣的過程呢，有什么樣的機制呢，清楚了這些基本的東西我們做.Net的東西方可心中有數。那么，CLR的執行模型是一個什么樣的過程呢？

將源代碼編譯成托管模塊 --> 將托管模塊合并成程序集 --> 加載公共語言運行時 --> 執行程序集的代碼

目錄

• 將源代碼編譯成托管模塊
• 將托管模塊合并成程序集
• 加載公共語言運行時
• 執行程序集的代碼
• 本地代碼生成器：NGen.exe
• Framwork類庫入門
• 通用類型系統
• 公共語言規范（CLS）
• 與非托管代碼的互操作性

將源代碼編譯成托管模塊

首先.Net開發是支持多語言選擇或者混合語言編程的，代碼的編譯是采用編譯器面向CLR的機制，即，無論何種語言編寫的代碼，只要采用的編譯器是面向CLR的就可以了。

Common Language Runtime：公共語言運行時，可由多種編程語言使用的"運行時"。CLR的核心功能（比如內存管理，程序集加載，安全性，異常處理和線程同步）可由面向CLR的所有語言使用。

Managed module：托管模塊，即編譯器編譯的結果都是一個托管模塊。

IL：每個面向CLR的編譯器生成的都是IL（中間語言）代碼。也成為托管代碼，因為CLR要管理它的執行。

Native code compiler：本地代碼編譯器。生成的是面向特定CPU架構（X86、X64、IA64）的代碼。

Metadata：元數據。是一種數據表，其中一些數據描述了模塊中定義的內容，比如類型和成員；還有些數據描述了模塊引用的內容，比如導入的類型及其成員。元數據總是和包含IL代碼的文件關聯，永遠是同步的。

將托管模塊合并成程序集

上圖顯示了托管模塊合并成程序集的過程。

程序集（assembly）的理解：一個或者多個模塊/資源文件的邏輯性分組；程序集是重用、安全性、版本控制的最小單元。

從上圖顯示可看出程序集（assembly）包含一個名為"清單"（manifest）的數據塊，它是由元數據表構成的另一種集合，描述了構成程序集的文件。

另一個地方就是AL.exe:程序集連接器

加載公共語言運行時

Windows 檢查EXE文件頭：

PE32：需要32位地址空間，可在32位/64位地址空間中運行

PE32+：需要64位地址空間

CPU架構信息，確保當前CPU是符合要求的

創建32/64/WoW64位進程 ：根據exe文件頭創建的

加載MSCorEE.dll: 該文件在C:/Windows/SysWow64 或 C:/Windwos/Sys

看上面的流程還是比較清晰的。

執行程序集的代碼

為了執行一個方法，首先必須把它的IL轉換成本地的CPU指令。這是CLR的JIT（just-in-time或者"即時"）編譯器的職責。從示意圖來分析其過程是如何的。

1. Mian()執行之前，CLR先檢測出Main的代碼所引用的所有類型.
2. 分配內部數據結構，用于管理所引用類型的訪問，如圖Console類型，Console類型定義的每一個方法都有一個對應的entry（記錄項）。每個entry都容納了一個地址，根據此地址即可找到方法的實現.對這個結構進行初始化時，CLR將每個記錄項都設置成（指向）包含在CLR內部的一個未文檔化的函數，這個函數即為JITCompiler
3. Main函數首次調用WriteLine時，JITCompiler函數會被調用。

   JITCompiler 函數調用時，JITCompiler在定義該類型的程序集的元數據中查找被調用方法的IL

   -->驗證IL

   -->編譯成本地CPU指令

   -->返回到剛才的記錄，并修改對JITCompiler的引用，指向剛才編譯的內存塊的地址

   -->JITCompiler函數跳轉到剛才的內存塊執行

   -->返回到Mian繼續執行

4. Main函數第二次調用WriteLine時

   

本地代碼生成器：NGen.exe

NGen.exe：.NET Framework 提供的工具，可以在一個應用程序安裝到目標計算機上時，將IL代碼編譯成本地代碼。

NGen.exe終于作用：

1. 加快應用程序的啟動速度
2. 減少應用程序的工作集（working Set）

位置：類似C:/Windows/Microsoft.NET/Framework/v4.0.30319

命令語法：

ngen <action> [options]

ngen /? | /help

Framework類庫

FCL：Framework Class Library 是一組DLL程序集的統稱。

通用類型系統

CTS：Common Type System，它描述了類型的定義和行為。

公共語言規范

CLS：Common Language Specification

相信混合語言的編程才迫使微軟制定了CLS。CLS解決的問題是使用不同的語言創建的對象能夠相互通信。要創建很容易從其他語言中訪問的類型，只能從自己的編程語言中挑選其他語言都確定支持的那些功能。

這就要求任何編譯器生成的類型要想兼容于由其他"符合CLS、面向CLR的語言"所生成的組件，就必須支持這個最小功能集。

告訴編譯器需要檢查CLS兼容性的語法

[assembly:CLSCompliant(true)]

namespace SomeLibrary

{

}

與非托管代碼的互操作性

為了迎合之前的非托管代碼的用戶，微軟通過CLR提供了一些機制，允許應用程序中同時包含托管和非托管代碼。

1. 托管代碼能調用DLL中的非托管函數
2. 托管代碼可使用現有的COM組件（服務器）
3. 非托管代碼可使用托管類型（服務器）

本文還是主要學習了一些.NET平臺設計的一些架構思想和概念，應該在整體上對.NET有一個基本的認識。