1.CLR的执行模型（通读）

1.1将源代码编译成托管模块

CLR是公共语言运行库(Common Language Runtime)库是很早前的翻译，容易误解 ，又叫公共语言运行时。CLR和Java虚拟机一样也是一个运行时环境，是一个可由多种编程语言使用的运行环境，支持C#、F#、VB、C++、Python、IL汇编等语言，CLR使“混合语言编程”成为可能，因为Microsoft为这些语言创建好了面向CLR的语言编译器。它负责内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步等，并保证应用和底层操作系统之间必要的分离。而 .NET（即 .NET Framework，是C#开发的软件的运行环境）是一种以CLR为基础的软件开发平台，CLR目前作为.NET的一部分提供。 上图是一个简单的.NET框架

IL代码又叫托管代码，可以理解为IL是CLR的“语言”，因为CLR管理IL的执行。面向CLR的编译器除了要生成IL，还要生成完整的元数据（metadata）。元数据是自描述的类型信息，也就是一个数据表集合，主要有三种表，一种表描述了源代码中定义的类型及其成员，即定义表；另一种表描述了源代码中引用的类型及其成员，即引用表；另一种表是清单表，描述了构成程序集的文件、程序集中的文件所实现的public类型、与程序集关联的资源或数据文件，后面会有章节来介绍。由于编译器同时生成IL和元数据，并嵌入最终生成的托管模块（事实上，元数据总是嵌入和IL代码相同的EXE/DLL文件中），所以，元数据和它所描述的IL代码会一直同步。 CLR - 图2

  • 元数据的部分用途：
  • VS利用元数据智能提示。“智能感知”技术会解析元数据，告诉你一个类提供了哪些方法、属性、事件和字段，对于方法，还能告诉你需要的参数。
  • CLR的代码验证过程使用元数据来确保代码只执行“类型安全”的操作。（“1.4.1IL和验证”详讲）
  • 元数据允许将对象的字段序列化到内存块，将其发送给另一台机器，然后在另一台机器上反序列化，就可重建对象的状态
  • 元数据允许垃圾回收器跟踪对象生存期。垃圾回收器从元数据知道该对象中的哪些字段引用了其他对象。 Microsoft的C++编译器默认生成包含非托管（即原生）代码的EXE/DLL模块，并在运行时操纵非托管数据。只有C++编译器才允许开发人员同时写托管和非托管代码，并生成到一个模块中。

1.2将托管模块合并成程序集

CLR和程序集（Assembly）一起工作，对CLR来说，程序集相当于“组件”。程序集是一个或多个托管模块（IL和元数据）或资源文件（.gif,.html等）的逻辑性分组，也是重用、安全性以及版本控制的最小单元。利用程序集这种抽象概念，一组文件就可作为一个单独的实体来对待了。

CLR - 图3

编译器默认将生成的托管模块转换成程序集，程序集里有清单，也就是清单表，清单是用于将托管模块转换为程序集的，有了清单的存在，程序集的用户就不必关心程序集的划分细节了。另外，清单也使程序集具有自描述性。

1.3加载CLR

  • 生成的每一个程序集既可以是EXE，也可以是DLL（由EXE调用），最终由CLR管理这些程序集中代码的执行。
  • Windows检查.EXE文件头，决定创建32位或64位进程之后，会在进程地址空间加载MSCorEE.dll，然后，进程的主线程调用MSCorEE.dll中定义的一个方法，这个方法初始化了CLR，加载EXE程序集，再调用其入口方法（Main）。

1.4执行托管程序集的代码

高级语言通常只公开了CLR全部功能的一个子集，然而，IL汇编语言允许开发人员使用CLR的全部功能。 为了执行方法，要把方法的IL在运行时转换成CPU指令（又叫本机代码），这是CLR的JIT(just-in-time或者叫“即时”)编译器的职责。

CLR - 图4

上图第5步的解释：回到CLR为引用类型创建的内部数据结构（即Type表），并找到与被调用的方法对应的那条纪录项，修改最初其对JIPCompiler函数的引用（首次调用WriteLine时，JIPCompiler函数会被调用），以使其指向内存块的地址（刚编译好的本机代码）。第5步的作用就是做Cache。 JIPCompiler函数执行完毕后，会回到Main中的代码，并继续执行。

CLR - 图5

第二次调用同一个方法，就不需要再次调用JIPCompiler函数了，因为JIT编译器将本机代码存储到了动态内存中。JIT首次编译的确会造成性能损失，但只是一次性的。以至于JIT编译相比“非托管应用程序”造成的性能损失大，但CLR的JIT编译器还会对代码进行优化，导致托管代码性能可能会更好。

1.4.1IL和验证

IL最大的优势不是它对CPU的抽象，而是应用程序的健壮性和安全性。将IL编译成CPU指令时，CLR会执行一个名为验证的过程，确保代码所做的一切都是安全的。托管模块的元数据包含了验证过程要用到的所有方法及类型信息。

另外，进程数量太多会损害性能，所以，CLR提供了在一个进程中执行多个托管应用程序的能力，每个托管应用程序都在各自的AppDomain中执行（一个进程中允许多个AppDomain）。

1.4.2不安全的代码

C#编译器默认生成安全代码，这种代码的安全性可以验证。也允许写不安全代码来直接操作内存地址和地址处的字节，主要用于：1.与非托管代码进行互操作，2.提升高效率算法的性能。

有人担心IL没有为他们的代码提供足够的保护，换言之，在生成托管模块后，别人可以用IL反汇编器来进行逆向工程，轻松还原应用程序的代码。解决方法：就连CPU指令都能逆向，没有完美的解决方法，不如把自己的代码写优雅点，hhh。

1.5本机代码（CPU指令）生成器：NGen.exe

NGen.exe可以在安装应用时，将IL代码编译成本机代码。但NGen.exe被CLR搞得基本没意义，因为：1.在运行时，CLR要求访问程序集的元数据用于反射和序列化等功能，这就要求发布包含IL和元数据的程序集，所以NGen.exe即使提前生成了IL代码对应的本机代码也并不能保护IL代码；2.如果NGen.exe生成的文件失去同步或着说任何特性不匹配，都会改为使用正常的JIT编译，而不会使用提前编译好的本机代码；3.NGen.exe编译的本机代码性能不如JIT编译的。 总之，NGen.exe比较乏力，仅存的优势：提高应用程序的启动速度。

1.6Framework类库

.NET Framework包含Framework类库，Framework类库是一组dll程序集的统称。由于Framework类库包含的类型数量太多，所以有必要把相关的类型放到单独的命名空间，比如：System命名空间包含Object（基类型）、System.IO、System.Text、System.Threading等类型。

另外，开发人员可轻松自定义命名空间来包含自己的类型。

1.7通用类型系统

CLR一切都围绕类型展开，所以Microsoft制定了一个正式的规范来描述类型的定义和类型的行为，这就是“通用类型系统（CTS）”，CTS制定的规则简单介绍：

  • 字段：对象状态一部分的数据变量，根据类型和名称来区分；
  • 方法：针对对象执行操作的函数，通常会改变对象状态；
  • 属性：对于调用者来说，属性像字段；对于类型的实现者来说，属性像方法；
  • 索引器：输入一个值，得到另一个值，有点类似于字典；
  • 事件（Event）：Event在对象以及其他相关对象之间实现了通知机制；
  • 修饰符：protected成员可由派生类型访问；internal成员可由同一个程序集（Assembly）中的代码访问；其他修饰符就略了。

1.8公共语言规范

CLR - 图6

1.9与非托管代码的互操作性

托管代码能调用dll中的非托管函数，比如：C#应用程序可调用从Kernel32.dll导出的CreateSemaphore函数。

2.生成、打包、部署和管理应用程序及类型（粗读）

当今的应用程序都由多个类型构成，如果使用的语言是面向CLR的，那么，用其中一种语言写的类型就可以使用 用另外一种语言写的类型 作为自己的基类。

很多人可能都遇到过这样的问题：安装新应用时，它可能莫名其妙地破坏了另一个已经安装好的应用程序，这就是所谓的“DLL hell”。

2.2 将类型生成到模块中

本节介绍如何将包含多个类型的源代码文件转变为可以部署的文件。 CLR - 图7

该应用程序自定义了Program类型，并使用Microsoft提供的System.Console这个外部类型，该类型的各个方法的IL代码存储在MSCorLib.dll（Microsoft Core Library）程序集里。 C#编译器生成的Program.exe文件是标准PE（可移植执行体，Portable Executable）文件，这意味着32位或64位Windows都能加载它。

在命令行里输入：csc.exe /out:Program.exe /t:exe /r:MSCorLib.dll Program.cs（需要自己配置下 .NET Framework环境变量才能用csc.exe），就可以在Program.cs所在的目录生成Program.exe。其中，/out:Program.exe是生成名为Program的exe，/t:exe即/target:exe表示生成的文件是Win32控制台应用程序类型（即标准PE文件）。由于，C#编译器会自动引用MSCorLib.dll程序集，且/out:Program.exe和/t:exe都是C#编译器的默认设定，所以命令可简化为csc.exe Program.cs

2.3 元数据概述

但是，Program.exe里到底有什么？托管PE文件由4部分构成：PE32(+)头、CLR头、元数据以及IL。

元数据是由几个表构成的二进制数据块，元数据表集合有三种（不是三个）表，分别是定义表、引用表、清单表。

一、常用的元数据定义表（部分）：

模块定义表ModuleDef：包含对模块进行标识的一个纪录项，该纪录项包含模块文件名和扩展名、模块ID； 类型定义表TypeDef：模块定义的每个类型在类型定义表中都有一个纪录项，每个纪录项都包含类型的名称、基类型、一些标志（public、private等）以及一些索引（这些索引指向MethodDef表中该类型的方法、FieldDef表中该类型的字段、PropertyDef表中该类型的属性、EventDef表中该类型的事件）； 方法定义表MethodDef：模块定义的每个方法在方法定义表中都有一个纪录项，每个纪录项都包含方法的名称、一些标志（public、private等）、签名以及方法的IL代码在模块中的偏移量，每个纪录项还引用了ParamDef表中的一个纪录项，ParamDef表中的这个纪录项包括与方法参数有关的更多信息； 字段定义表FieldDef：模块定义的每个字段在字段定义表中都有一个纪录项，每个纪录项都包含标志、类型和名称； 参数定义表ParamDef：XXXX，每个纪录项都包含标志、类型和名称； 属性定义表PropertyDef：XXXX，每个纪录项都包含标志、类型和名称； 事件定义表EventDef：XXXX，每个纪录项都包含标志和名称。

二、常用的引用元数据表（部分）：

前言：一个程序集里包含多个模块，一个模块里包含多个类型，一个类型里包含多个成员。

  • 程序集引用AssemblyRef：模块引用的每个程序集在这个表中都有一个纪录项，每个纪录项包含绑定该程序集所需的信息等；
  • 模块引用ModuleRef：该模块 所引用的每个类型 所在的PE模块 在模块引用表中都有一个纪录项，每个纪录项包含模块的文件名和扩展名。补充：可能是别的模块实现了你需要的类型，这个表的作用便是建立同那些类型的绑定关系；

  • 类型引用TypeRef：模块引用的每个类型在类型引用表中都有一个纪录项，每个纪录项都包含类型的名称和一个引用（指向类型的位置） CLR - 图8

  • 成员引用MemberRef：模块引用的每个成员（字段、方法、属性、事件）在这个表中都有一个纪录项，每个纪录项包含成员的名称和签名，并指向对成员进行定义的那个类型的TypeRef纪录项。

可以使用ILDasm.exe来查看托管PE文件中的元数据，挺有意思的。强烈建议多使用ILDasm.exe，它提供了丰富的信息，你对自己看到的东西理解得越多，对CLR及其功能的理解就越好。

2.4 将模块合并成程序集

Program.exe并非只是一个含有元数据的PE文件，它是程序集。在程序集的所有文件中，有一个文件容纳了清单，清单也是一个元数据表集合。

CLR操作的是程序集，换言之，CLR总是首先加载包含清单元数据表的文件，再根据清单来获取程序集中的其他文件的名称。

程序集大多数时候只有一个文件，就像刚刚提到的Program.exe那样，一个程序集可视为一个EXE或DLL。 Microsoft为啥引入程序集？举例说明：假设程序集都从网上下载，有一个程序集里面有常用类型和不常用类型，那就可以把不常用类型的分离成一个单独的文件，假如客户端永远不使用那些不常用的类型，该文件就永远不会下载到客户端。总之，程序集是进行重用、版本控制和应用安全性设置的基本单元。它允许将类型和资源文件划分到单独的文件中。

  • 生成的程序集要么选择现有的PE文件作为清单的宿主，要么创建单独的PE文件并只在其中包含清单。清单元数据表有以下几种：
  • 程序集本身信息表AssemblyDef
  • 包含的文件表FileDef
  • 包含的资源表ManifestResourceDef
  • 导出类型表ExportedTypesDef
  • 遗憾的是，不能直接从VS中创建多文件程序集，只能用命令行工具创建多文件程序集。

CLR并非一上来就加载所有可能用到的程序集，而是只有在调用的方法确实引用了未加载程序集中的类型时，才会加载程序集。

使用VS将程序集添加到项目中：先打开解决方案资源管理器，再在想添加的项目上点击右键，再添加引用。比如：当前项目可以引用同一个解决方案中的另一个项目创建的程序集（一个解决方案中可以有多个项目）。

2.5 程序集版本资源信息

版本信息如下图： CLR - 图9

VS新建C#项目时，会在一个Properties文件夹中自动创建AssemblyInfo.cs文件，该文件除了包含本节讲的所有程序集版本特性，还包含第三章讨论的几个特性，可以直接打开AssemblyInfo.cs修改自己的程序集特有信息。

3.共享程序集和强命名程序集（粗读）

本章将解释.NET框架为了解决版本控制问题而建立的基础结构。