CLR via C#（一）CLR的执行模型

2023-11-03

一、什么是CLR

CLR全称Common Language Runtime，即公共语言运行时。它可以为所有面向CLR的语言提供运行时的内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步等功能。

事实上，CLR并不关心开发者使用的到底是哪种语言，只要这门语言的编译器是面向CLR的，就可以在运行时得到CLR的支持。这是因为这些语言的编译器都会将源代码编译成托管模块。

二、什么是托管模块

托管模块是一种标准的Windows可移植执行体文件，需要CLR才能执行。托管模块的组成部分如下图所示：

2.1 IL代码

每个面向CLR的编译器生成的都是IL（中间语言）代码。IL是一种与CPU无关的机器语言，它比大多数CPU机器语言更高级。IL支持访问和操作对象类型，提供了创建和初始化对象的指令，支持调用对象上的虚方法，也支持直接操作数组元素等。所以IL可以看做是一种面向对象的机器语言。在运行时，CLR会将IL编译成本机CPU指令。

2.2 元数据

元数据就是一个数据表的集合。一些数据表描述了模块中定义了什么（类型及其成员），另一些数据表描述了模块引用了什么（导入的类型及其成员）。编译器会同时生成IL代码和描述它的元数据，它们是绑定在一起的，所以永远不会失去同步。

那么元数据有什么用处呢？

可以避免编译时对原生C/C++头和库文件的需求。因为在IL代码中已经包含了有关引用类型/成员的全部信息，编译器可以直接从托管模块中读取元数据。
IDE的“智能感知”技术（代码提示、补全）就是通过解析元数据实现的。
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。
元数据允许将对象的字段序列化到内存，将其发送给另一台机器，然后反序列化在远程机器上重建对象的状态。
元数据允许垃圾回收器跟踪对象生命周期（通过元数据知道对象中的哪些字段引用了其他对象）。

三、即时编译（JIT）

前面说了面向CLR的编译器会生成IL代码，这种代码是不能直接执行的，还需要将其转换成本机CPU指令。这就是CLR的JIT（即时）编译器的职责。

来看下面这段代码

public static void Main()
{
	Console.WriteLine("Hello world");
	Console.WriteLine("你好 世界");
}

在Main()方法执行之前，CLR会检测出Main()方法中的代码引用的所有类型，并分配一个内部的数据结构来管理对引用类型的访问。比如代码中引用了一个Console类型，CLR会分配一个内部数据结构。在这一结构中，Console类型定义的每个方法都会有一个对应的记录。每条记录都包含一个地址，可以通过地址找到方法的实现。在对这个数据结构进行初始化时，CLR将每个记录项都设置成指向包含在CLR内部的一个未编档函数。假设这个函数叫JITCompiler。

当Main()方法首次调用WriteLine时，JITCompiler就会被调用。而JITCompiler负责将方法里的IL代码即时编译成本机CPU指令。

那么在JITCompiler中具体干了些什么呢？

首先JITCompiler被调用时，它知道要调用的是哪个方法（WriteLine），以及具体是哪个类型定义了该方法（Console）。
然后JITCompiler会在定义该类型的程序集的元数据中查找被调用的方法的IL。
接下来JITCompiler会验证IL代码，并将其编译成本机CPU指令。这些指令会保存到动态分配的内存块中。
然后JITCompiler回到之前的“内部数据结构”，找到调用方法的那条记录，将其指针指向内存块。
最后JITCompiler跳转到内存块，执行完毕其中的指令，并一路返回Main()。

接下来，Main()要执行第二条语句，仍然是WriteLine方法。此时“内部数据结构”中的记录已经指向了编译好指令的内存块，所以会直接执行，完全跳过了JITCompiler。也就是说方法仅在首次调用时会有一些性能损失，以后再次调用时都以本机指令的方式全速运行，无需再次编译。 当然，一旦程序终止，编译好的代码块也会丢弃。所以当再次运行时又需要重新编译。

四、参考资料

[1].《CLR via C# 第四版》

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