寫在前言

 

.Net Framework并不是Win 32 API 和COM上的一個(gè)抽象層。

 

某種程度上，它是自己的操作系統(tǒng)，有自己的內(nèi)存管理器，自己的安全系統(tǒng)，自己的文件加載器，自己的錯(cuò)誤處理機(jī)制，自己的應(yīng)用程序隔離邊界（AppDomains），自己的線程處理模型等。

隨著多核計(jì)算機(jī)越來(lái)越普遍，線程處理，并發(fā)執(zhí)行，并行結(jié)構(gòu)，同步等方面的重要性日益凸顯。

 

公共語(yǔ)言運(yùn)行時(shí) CLR Common Language Runtime

是一個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境，保證應(yīng)用和底層操作系統(tǒng)之間必要的分離，是.NET Framework的主要執(zhí)行引擎。是可由面向CLR的多種編程語(yǔ)言使用的“運(yùn)行時(shí)”。CLR的核心功能（內(nèi)存管理、程序集加載、安全性、異常處理和線程同步等）由面向CLR的所有語(yǔ)言使用。CLR不關(guān)心開(kāi)發(fā)人員使用哪一種語(yǔ)言來(lái)寫源代碼。也就是說(shuō)挑選編程語(yǔ)言時(shí)，應(yīng)該選擇最容易表達(dá)自己意圖的語(yǔ)言。理論上，可以用任何語(yǔ)言編寫代碼，只要編譯器是面向CLR的就可以了。

 

可以視為語(yǔ)法檢查器和“正確代碼”的分析器。它們檢查源代碼，確定你寫的一切都有意義，然后輸出對(duì)你的意圖進(jìn)行描述的代碼。不同的編程語(yǔ)言，有著不同的語(yǔ)法。不要低估這個(gè)選擇的價(jià)值，也許會(huì)節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

Microsoft已經(jīng)創(chuàng)建好幾個(gè)面向“運(yùn)行時(shí)”的語(yǔ)言編譯器，包括：C++/CLI、C# (C sharp)、Visual Basic、F#、Iron Python、Iron Ruby以及一個(gè)“中間語(yǔ)言”（Intermediate Language, IL）匯編器。

 

本地代碼編譯器是面向特定CPU架構(gòu)的代碼。而每個(gè)面向CLR的編譯器生成的都是IL代碼 （中間語(yǔ)言代碼 ）。IL代碼有時(shí)稱為托管代碼，因?yàn)镃LR要管理它的執(zhí)行。它明顯的優(yōu)勢(shì)在于它是CPU無(wú)關(guān)的。

 

IL代碼由面向CLR的編譯器產(chǎn)生，但它并不是編譯器產(chǎn)生的提供給運(yùn)行時(shí)僅有的東西。編譯器同樣產(chǎn)生有關(guān)原始代碼的元數(shù)據(jù)。它提供給CLR關(guān)于代碼更多的東西，例如：各種類型的定義、各種類型成員的簽名以及其他數(shù)據(jù)?；旧希獢?shù)據(jù)是類型庫(kù)、注冊(cè)表內(nèi)容和其它用于COM的信息。盡管如此，元數(shù)據(jù)還是直接和執(zhí)行代碼合并在一起，并不處在 隔離的位置。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，元數(shù)據(jù)是整個(gè)microsoft .net framework開(kāi)發(fā)平臺(tái)的關(guān)鍵，它實(shí)現(xiàn)了編程語(yǔ)言、類型和對(duì)象的無(wú)縫集成。

 

一個(gè)抽象的概念。首先，他是一個(gè)或多個(gè)模塊/資源文件的邏輯性分組。其次，程序集是重用、安全性以及版本控制的最小單元。取決于你對(duì)編譯器或者工具的選擇，即可以生成單文件程序集，也可以生成多文件程序集。在CLR的世界中，程序集相當(dāng)于一個(gè)“組件”。利用“程序集”這個(gè)概念性的東西，可以將一組文件當(dāng)成一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體來(lái)對(duì)待。

對(duì)于一個(gè)可重用的、可保護(hù)的、可版本控制的組件，程序集把它的邏輯表示和物理表示分開(kāi)。具體如何將代碼和資源劃分到不同的文件中，完全取決于個(gè)人。程序集的模塊中，還包含與引用的程序集有關(guān)的信息。這些信息使程序集能夠自描述（self-describing）。換句話說(shuō)，CLR能夠判斷出為了執(zhí)行程序集中代碼，程序集的直接依賴對(duì)象（immediate dependency）是什么。

 

托管程序集同時(shí)包含元數(shù)據(jù)和IL。IL是與CPU無(wú)關(guān)的機(jī)器語(yǔ)言，是Microsoft在請(qǐng)教了外面的幾個(gè)商業(yè)及學(xué)術(shù)性語(yǔ)言/編譯器的作者之后，費(fèi)勁心思開(kāi)發(fā)出來(lái)的。IL比大多數(shù)CPU機(jī)器語(yǔ)言都要高級(jí)。IL能訪問(wèn)和操作對(duì)象類型，并提供了指令來(lái)創(chuàng)建和初始化對(duì)象，調(diào)用對(duì)象上的虛方法以及直接操作數(shù)據(jù)元素。甚至可以提供拋出和捕捉異常的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤處理。可將IL視為一種面向?qū)ο蟮臋C(jī)器語(yǔ)言。

 

允許在不同編程語(yǔ)言之間方便地切換，同時(shí)又保持緊密集成，這事CLR的一個(gè)非常出色的特性。遺憾的是，許多開(kāi)發(fā)人員都忽視了這一特性。例如，C#和Visual Basic等語(yǔ)言能很多地執(zhí)行I/O操作，APL語(yǔ)言能很好地執(zhí)行高級(jí)工程或者金融計(jì)算。通過(guò)CLR，應(yīng)用程序的I/O部分可用C#編寫，工程計(jì)算部分則換用APL編寫。CLR在這些語(yǔ)言之間提供了其他技術(shù)無(wú)法媲美的集成度，使“混合語(yǔ)言編程”成為許多開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的一個(gè)值得慎重考慮的選擇。

 

執(zhí)行一個(gè)方法，首先必須把它的IL轉(zhuǎn)換成本地CPU指令，這是CLR的JIT （just-in-time或者“即時(shí)”）編譯器的職責(zé)。JITCompiler 是CLR的一個(gè)組件，稱為JITer 或者JIT編譯器。它在定義（某一個(gè)類型）程序集的元數(shù)據(jù)中查找被調(diào)用的方位的IL, 接著驗(yàn)證IL代碼，并將IL代碼編譯成本地CPU指令。本地CPU指令被保存到一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存塊中。

 

 

 

一個(gè)方法只有在首次調(diào)用時(shí)才會(huì)造成一些性能損失。以后對(duì)該方法的所有調(diào)用都以本地代碼的形式全速運(yùn)行，無(wú)需重新驗(yàn)證IL并把它編譯成本地代碼。

 

JIT編譯器將本地CPU指令存儲(chǔ)到動(dòng)態(tài)內(nèi)存中，一旦應(yīng)用程序終止，編譯好的代碼也會(huì)被丟棄。所以，如果將來(lái)再次運(yùn)行應(yīng)用程序，或者同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)用程序的兩個(gè)實(shí)例（使用兩個(gè)不同的操作系統(tǒng)進(jìn)程），JIT編譯器必須再次將IL編譯成本地指令。

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，因JIT編譯器造成的性能損失并不顯著。大多數(shù)應(yīng)用程序都會(huì)反復(fù)調(diào)用相同的方法。在應(yīng)用程序運(yùn)行期間，這些方法只會(huì)對(duì)性能造成一次性的影響。另外，在方法內(nèi)部花費(fèi)的時(shí)間很有可能比花在調(diào)用方法上的時(shí)間多得多。

 

 

CLR的JIT編譯器會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，這類似于非托管的C++編譯器的后端所做的工作。同樣地，可能花費(fèi)較多的時(shí)間來(lái)生成優(yōu)化的代碼。優(yōu)化之后的代碼將獲得更加出色的性能。

非托管的飯嗎是針對(duì)一種具體的CPU平臺(tái)編譯的，一旦調(diào)用，代碼直接就能執(zhí)行。但是在托管環(huán)境中，代碼的編譯是分成兩個(gè)階段完成的。首先，編譯器遍歷源代碼，做盡可能多的工作來(lái)生成IL代碼，而為了真正的執(zhí)行調(diào)用，這些IL代碼本身必須在運(yùn)行時(shí)編譯成本地CPU指令，這需要分配更多的內(nèi)存，并需要花費(fèi)額外的CPU的時(shí)間。實(shí)踐確實(shí)表明，運(yùn)行時(shí)發(fā)生的第二個(gè)編譯階段會(huì)影響性能，會(huì)分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存。但是，Microsoft進(jìn)行了大量性能優(yōu)化的工作，將這些額外的開(kāi)銷保持在最低限度。

 

IL是基于棧的。由于IL沒(méi)有提供操作寄存器的指令，所以人們可以很容易的創(chuàng)建新的語(yǔ)言和編譯器，生成面向CLR的代碼。

IL指令還是“無(wú)類型”（typeless）的。例如，IL提供了一個(gè)add指令，它的作用是將壓入棧的最后兩個(gè)操作數(shù)加到一起。add指令不分32位和64位版本。

IL的亮點(diǎn)是它對(duì)底層CPU的抽象，但這并非它的最大優(yōu)勢(shì)。IL提供的最大的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用程序的健壯性和安全性。將IL編譯成本地CPU指令時(shí)，CLR會(huì)執(zhí)行一個(gè)名為驗(yàn)證（verification）的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程會(huì)檢查高級(jí)IL代碼，確定代碼所做的一切都是安全的。如，驗(yàn)證會(huì)核實(shí)調(diào)用的每個(gè)方法多有正確數(shù)量的參數(shù)，傳給每個(gè)方法的參數(shù)都具有正確的類型，每個(gè)方法的返回值都得到了正確的使用，每個(gè)方法都具有一個(gè)返回語(yǔ)句等等。在托管模塊的元數(shù)據(jù)中，包含了要由驗(yàn)證過(guò)程使用的所有方法和類型信息。

 

 

將每個(gè)windows進(jìn)程都放到一個(gè)獨(dú)立的地址空間，將獲得健壯性和穩(wěn)定性，一個(gè)進(jìn)程無(wú)法干擾另一個(gè)進(jìn)程。通過(guò)驗(yàn)證 托管代碼，確保代碼不會(huì)不正確的訪問(wèn)內(nèi)存，不會(huì)干擾到另一個(gè)應(yīng)用程序的代碼。這樣一來(lái)，就可以放心地將多個(gè)托管應(yīng)用程序放到一個(gè)Windoes虛擬地址空間中運(yùn)行。

CLR提供了在 一個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)托管應(yīng)用程序的能力。每個(gè)托管的應(yīng)用程序都在一個(gè)AppDomain中執(zhí)行。默認(rèn)情況下，每個(gè)托管的exe文件都在它自己的獨(dú)立地址空間中運(yùn)行，這個(gè)地址空間只有一個(gè)AppDomain。然而，CLR的宿主進(jìn)程（比如IIS或者M(jìn)S SQL Server）  可決定在單個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)程中運(yùn)行多個(gè)AppDomain。

 

CLR是完全圍繞類型展開(kāi)的，這一點(diǎn)到現(xiàn)在為止應(yīng)該很明顯了。類型為應(yīng)用程序和其他類型公開(kāi)了功能。通過(guò)類型，用一種編程語(yǔ)言寫的代碼能與另一種語(yǔ)言寫的代碼溝通。由于類型是CLR的根本，所以Microsoft指定了一個(gè)正式的規(guī)范，叫做“通用類型系統(tǒng)”（Common Type System, CTS）, 描述類型定義和行為。利用了CTS指定的規(guī)則，程序集為一個(gè)類型建立了可視邊界，CLR則強(qiáng)制（貫徹）了這些規(guī)則。

 

事實(shí)上，并不需要去學(xué)習(xí)CTS規(guī)則本省，你選擇的語(yǔ)言會(huì)采用你熟悉的公式公開(kāi)它自己的語(yǔ)言語(yǔ)法與類型規(guī)則。通過(guò)編譯來(lái)生成程序集時(shí)，它會(huì)將語(yǔ)言特有的語(yǔ)法映射到IL -- 也就是CLR的“語(yǔ)言”。

 

CLR讓我們意識(shí)到：“代碼的語(yǔ)言”和“代碼的行為”。不同語(yǔ)言可以定義系統(tǒng)的類型，添加相同的成員，語(yǔ)法有不同，但是類型的行為都是完全一致的，因?yàn)樽罱K由CLR的CTS來(lái)定義類型的行為。

 

 

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