C#筆記 – CLR的執行模型（二） 程序集

CLR解析類型引用

• 運行應用程序時，CLR會加載並初始化自身，讀取程序集的CLR頭，查找入口方法的MethodDefToken，然後檢索MethodDef元數據表找到方法的IL，將IL JIT編譯成機器碼，最後執行本機代碼。

  • 對IL進行JIT編譯時，CLR會檢測所有類型和成員引用，加載它們的定義程序集

  • Program.cs中有以下代碼，其中有一個Main方法

    • public sealed class Program
      {
          public static void Main(string[] args)
          {
              System.Console.WriteLine("Hello World!");
              System.Console.ReadLine();
          }
      }

  • Main方法編譯後的IL代碼

    • .method public hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
      // SIG: 00 01 01 1D 0E
      {
        .entrypoint
        // 方法開始於 RVA 0x2050
        // 程式碼大小       19 (0x13)
        .maxstack  8
        IL_0000:  /* 00   |                  */ nop
        IL_0001:  /* 72   | (70)000001       */ ldstr      "Hello World!"
        IL_0006:  /* 28   | (0A)000004       */ call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
        IL_000b:  /* 00   |                  */ nop
        IL_000c:  /* 28   | (0A)000005       */ call       string [mscorlib]System.Console::ReadLine()
        IL_0011:  /* 26   |                  */ pop
        IL_0012:  /* 2A   |                  */ ret
      } // end of method Program::Main

    • 從IL代碼中看出，Main方法包含了System.Console.WriteLine的引用

      • 具體來說，IL call指令引用了元數據token：（0A）000004。

      • 0A = 0x0a，在CorHdr.h中的CorTokenType枚舉中指出0x0a標識的元數據表為「MemberRef」。因此（0A）000004等價於MemberRef的第4個記錄項

        • // Token tags.
          typedef enum CorTokenType
          {
              ...
              mdtMemberRef            = 0x0a000000,       //
              ...
          } CorTokenType;

    • 根據這個信息，CLR接下來會在Program.cs生成的程序集元數據中檢查MemberRef第4個記錄項（token:0a000004）的位置。然後發現它位於TypeRef的一個記錄項下面。

      • TypeRef #6 (01000006)
        -------------------------------------------------------
        Token:             0x01000006
        ResolutionScope:   0x23000001
        TypeRefName:       System.Console
            MemberRef #1 (0a000004)
            -------------------------------------------------------
                Member: (0a000004) WriteLine: 
                CallCnvntn: [DEFAULT]
                ReturnType: Void
                1 Arguments
                    Argument #1:  String

    • 這個記錄項中的ResolutionScope代表了引用類型的實現位置。

      • 如果類型在另一個類型中實現，引用指向一個TypeRef記錄項，ResolutionScope = 0x01

      • 如果類型在同一個模塊中，引用指向一個ModuleDef記錄項，ResolutionScope = 0x00

      • 如果類型在同一個程序集的另一個模塊中，引用指向一個ModuleRef記錄項，ResolutionScope = 0x1a

      • 如果類型在不同程序集的其他模塊中，引用指向一個AssemblyRef記錄項，ResolutionScope = 0x23

    • 在本例中，按照TypeRef的Resolution又把CLR引導至AssemblyRef的第一個記錄項（0x23000001）。在Program.cs生成的程序集元數據文件中找到AssemblyRef的第一個記錄項，得知它需要的是哪個程序集

      • AssemblyRef #1 (23000001)
        -------------------------------------------------------
            Token: 0x23000001
            Public Key or Token: b7 7a 5c 56 19 34 e0 89 
            Name: mscorlib
            Version: 4.0.0.0
            Major Version: 0x00000004
            Minor Version: 0x00000000
            Build Number: 0x00000000
            Revision Number: 0x00000000
            Locale: 
            HashValue Blob:
            Flags: [none] (00000000)

      • “mscorlib, Version=4.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=b77a5c561934e089”

    • CLR定位並加載該程序集

      • 解析引用的類型時，CLR可能在以下三個地方找到類型：

        • 在同一個程序集的同一個文件中

          • 「編譯時」就能發現對相同文件中的類型的訪問，稱為「早期綁定」（early binding），直接從文件中加載

        • 在同一個程序集的另一個文件中

          • 「運行時」確保被引用的文件在當前程序集元數據的FileDef表<中，檢查加載程序集清單文件的目錄，加載被引用的文件，檢查哈希值以確保文件完整性，發現類型的成員

        • 在另一個程序集的另一個文件中

          • 「運行時」加載被引用程序集的清單文件。如果所需類型不在該文件中，就繼續加載包含了類型的文件，發現類型的成員

  • 在上例中，CLR發現System.Console在和調用者不同的程序集中實現

    • CLR須找到那個程序集，加載包含清單元數據的PE文件

    • 掃瞄清單，判斷具體是哪個PE文件實現了類型

    • 如果類型在程序集的另一個文件中（不包含清單元數據的文件）

      • CLR加載那個文件，掃瞄其元數據來定位類型

      • 然後CLR創建內部數據結構來表示該類型

      • 方法首次調用時，JIT編譯完成對Main方法的編譯

  • 整體解析流程：