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.net应用程序运行的背后机制

作者:北京东方雨泽科技有限公司 来源:www.dfyz6789.com 发布时间:2017-09-06 09:35:38
 

.net应用程序运行的背后机制

这篇文章要探讨的问题是:当编译后的应用程序运行时,CLR是如何进行运作的。

1. 准备工作

程序清单Program.cs:

public sealed class Pragram { public static void Main() { System.Console.WriteLine("Hi"); } }

在Developer Command Prompt for VS2013中编译上面的代码成为应用程序(程序集)

csc.exe Program.cs

运行,程序开始执行。

Program.exe

用ILDasm打开编译的程序集

ILDasm.exe Program.exe

程序就可以运行了。

2. CLR加载并初始化自身

通过双击Program.exe或在CMD中运行程序时,Window会检查EXE文件头,决定创建32位还是64位进程之后,会在进程地址空间加载MSCorEE.dll的x86,x64或ARM版本。

如果操作系统是x86或ARM版本,MSCorEE.dll的x86在以下目录中

%SystemRoot%\System32

如果操作系统是x64,MSCorEE.dll的x86版本在以下目录中

%SystemRoot%\SysWow64

MSCorEE.dll的x64版本则在以下目录中

%SystemRoot%\System32

然后,进程的主线程调用MSCorEE.dll中定义的一个方法,这个方法会初始化CLR。之后权限就交给CLR了

3. 从CLR头读取入口点

CLR初始化完成后,它会读取CLR头,查找应用程序入口标记

我们可以用ILDasm(view→headers)来查看程序入口标记。

在ILDasm,View→metaInfo→show打开元数据信息窗口程序的入口点为:0x06000001。06表示标记的类型为MethodDef,000001表示是MethodDef表的第一行。之后通过这个方法定义表的标记,检索MethodDef元数据表。

根据RVA就找到方法在IL代码中的偏移量。

下面我们查看一下Main函数的IL代码

IL代码如下:

4. CLR检测入口点方法的代码所引用的类型及方法

在Main执行前,会根据入口函数的所引用的类型和成员引用,加载它们的定义程序集(如果没有加载的话)。例如,上述IL代码包含对System.Console.WriteLine的引用。具体的说,IL call指令引用了元数据token 0A000003,该token表示MemberRef元数据表(表0A)中的记录项3。CLR检查该MembersRef记录项,发现它的字段引用了TypeRef表中的记录项01000004。根据这个TypeRef项,CLR被引导至一个AssemblyRef记录项(23000001):

这时,就知道了它需要的是哪个程序集,接着,CLR就会定位被加载该程序集。

5. 加载引用类型程序集并在内存中创建数据结构

CLR加载mscorlib.dll文件,并扫描元数据来定位Console类型。然后,CLR创建它的内部数据结构来表示类型。

在这个内部数据结构中,Console类型定义的方法每个方法都有一个对应的记录项。每一个记录项都有一个地址,根据这个地址可以找到方法的实现。在这个结构初始化时,每一个记录项被设置成指向CRL内部的一个函数JITCompiler(JIT编译器)

6. JIT编译IL为本地代码

CLR创建完成引用类型的内部数据结构后,JIT编译器完成Mian方法的编译,站群系统,Main方法开始执行。Main方法首次调用WriteLine时,JITComplier函数会被调用(因为WriteLine指向JITComplier函数)。JIT编译器知道要调用的是哪个方法,以及具体是什么类型定义了该方法。然后,JITComplier会在该类型所在的程序集的元数据中查找被调用方法的IL代码所在,接着JITCompliers验证IL代码,并将IL代码编译成本机CPU指令。本机CPU指令被保存到动态分配的内存中。然后,JITComplier回到CLR为类型创建的内部数据结构,找到与被调用的方法对应的那条记录,修改最初对JITComplier的引用,使其指向内存块(包含刚才编译好的本机CPU指令)的地址,最后,从JITComplier函数跳转到内存块中的代码,这些代码正是WriteLine方法的实现。代码执行完毕后并返回时,会回到Main中的代码,并像平常一样继续执行。

当第二次调用WriteLIne时(WriteLine执行的是内存块),这一次,由于已经对WriteLine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JITComplier函数。Write函数执行完毕后,会再次回到Main继续执行。

7. 程序的退出

JIT编译器将本机CPU指令存储到动态内存中。这意味着一旦应用程序终止,编译好的代码会被丢弃。所以,将来再次运行应用程序,或者同时启动应用程序的两个实例,JIT编译器必须再次将IL代码编译成本机指令。这可能显著增加内存耗用,但是,一般而言,JIT编译器造成的性能损失并不显著,因为大多数应用程序都反复调用相同的方法。程序运行期间。这些方法只会对性能造成一次性的影响。


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