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1.1 .NET 框架基本组成

.NET 框架的核心便是通用语言运行时（Commomn Language Runtime，简称 CLR），CLR 是一个可被各种不同的编程语言所使用的运行时。
托管模块(mangaed module)： 一个需要 CLR 才能执行的标准 Windows 可移植可执行（porttable executable ，简称 PE）文件。

将源代码编译为托管模块：

表1-1 描述了一个托管模块的各个组成部分

托管代码：由于生存期和执行行为受 CLR 管理的缘故，IL 代码有时也称作托管代码。
元数据：为托管模块产生完整的元数据。一个数据表的集合。一些用于描述托托管模块中所定义的内容（比如所定义的类型和它们的成员），另外还有一些用于描述托管模块中所引用的内容（比如被引用的类型和它们的成员）。元数据是一些早先的技术如类型库、接口定义语言（IDL）文件的一个超集（CLR 元数据包括但不仅限于列举出来的文件）。

编译器同时产生元数据和 IL 代码，并且总是同时将它们嵌入到生成的托管模块中。

元数据有很多用处，比如：

• 元数据省去了源代码编译时对头文件和库文件的需求，这是因为在含有实现类型和成员的 IL 代码文件中，已经包含了所有被引用的类型和成员的信息。编译器可以直接从托管模块中读取元数据来获得这些信息。

• Visual Studio .NET 可以利用元数据来辅助我们编写代码。它的智能感知（IntelliSense）特性就是通过分析元数据来告诉我们某个类型提供了哪些方法，以及某个方法有哪些参数。

• CLR 的代码验证过程可以利用元数据来确保代码仅执行“安全”的操作。

• 利用元数据，我们可以将一个对象的字段序列化到一个内存块中，然后远程传送给另一台机器，最后再在远程机器上执行反序列化，从而重新创建对象和它的状态。

• 利用元数据，垃圾收集器可以追踪对象的生存期。对于任何对象，垃圾收集器都能够通过元数据来确定该对象的类型，并且可以获知该对象的哪些字段引用了其他对象。

微软的C++ 编译器默认生成的是非托管模块，但可以通过指定一个新的命令行开关，C++ 编译器也能够产生处需要 CLR 才能执行的托管模块。

1.2 将托管模块组合为程序集

CLR 实际上并不和托管模块打交道，它直接打交道的对象是程序集（assembly）。
程序集：一个或多个托管模块，以及一些资源文件的逻辑组合。程序集是组件复用，以及实施安全策略和版本策略的最小单位。

图1-2 将托管模块组合为程序集

PE 文件（托管模块）：包含了一个称作清单(manifest)的数据块。所谓清单仅仅是另外一些元数据表的集合。这些表描述了组成程序集的文件，程序集所有文件中实现的共有导出类型，以及一些和程序集相关的资源文件或数据文件。
托管模块与程序集：

• 仅包含以管模块、并且没有资源（或者数据）文件，程序集就是托管模块。程序集中的模-
• 块还包含它所引用的程序集的一些信息（如版本号信息）。它不需要再在注册表或者活动目录（Active Directory）中获取额外的信息。因此，程序集的部署要比非托管组件的部署容易得多。

1.3 加载通用语言运行时

判断机器中是否安装了 .NET 框架：

• 通过在 %windir%system32 目录下查找 MSCorEE.dll 文件来判断。（…WindowsSystem32 目录下）
  判断机器中安装了哪些版本的 .NET 框架：

HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWAREMicrosoft.NETFramewirkpolicy

启动应用程序：
当生成一个 EXE 程序集时，编译器/链接器会产生一些特殊的信息，并将它们嵌入到结果程序集的 PE 文件表头及其各个组成文件的 .text 部分。当 EXE 文件被调用时，这些特殊的信息将导致 CLR 被加载并初始化。 CLR 随后会定位到应用程序的入口点方法，从而以此来启动应用程序。

图1-3 加载并初始化 CLR

MSCorEE.dll 表示为微软组件对象运行时执行引擎。

托管应用程序启动：
当编译器/链接器创建一个可执行程序集时，x86 stub 函数 JMP CorExeMain 被嵌入到PE文件里。
CorExeMain 函数 从 MsCorEE.dll 动态链接库中导入的，所以 MsCorEE.dll 将在程序集文件的导入==(.idata)==部分被引用。

执行过程：

• 1、当托管 EXE 文件被调用时，Windows 将像对待通常（即非托管）的 EXE 文件一样来对待它。

• 2、Windows 加载器首先加载该EXE文件，然后检查其 .idata 部分发现 MSCoreEE.dll 需要被加载到进程的地址空间，于是加载器获取 MSCoreEE.dll 中 __CoreExeMain 函数地址，同时修正托管 EXE 文件中 stub 函数的 JMP 指令。

• 3、进程的主线程开始执行修正后的 x86 stub 函数，该 stub 函数立即跳转到 MSCorEE.dll 中的_CorExeMain 函数上。

• 4、_CorExeMain 函数接着初始化 CLR，并查看可执行程序集的 CLR 表头以确定要执行的托管入口点方法。

• 5、入口点方法找到后，其 IL 代码随之被编译为本地 CPU 指令。

• 6、最后，CLR 跳转到编译后的本地指令上（使用进程的主线程）。

• 7、这时，托管应用程序才算开始真正运行。

托管 DLL 执行：
编译器/链接器将会为 DLL 程序集 PE文件的 .text 部分产生一个类似 x86 stub 函数： JMP __CorDllMain。
_CorDllMain 函数 从 MsCorEE.dll 动态链接库中导入的，所以 托管DLL 中的 (.idata)部分 也包含有对MSCorEE.dll 的引用。

执行过程：

• 1、当 Windows 加载托管 DLL 时，它将自动加载 MSCorEE.dll（如果它还没有被加载）。

• 2、然后获取 _CorDllMain 函数的地址，并修正托管 DLL 中 x86 stub 函数的 JMP 指令。

• 3、之后，调用 LoadLibrary 加载托管 DLL 的线程将跳转到该托管 DLL 中的x86 stub 函数上。（非托管代码加载托管 DLL 步骤）
  （托管代码调用托管 DLL： 首先检测托管 DLL 中的元数据，然后便以即时编译的方式执行其内方法的 IL 代码，stub 函数及其跳转过程被忽略）

• 4、该 stub 函数接着又立即跳转到 MSCorEE.dll 中的 _CorDllMain 函数上。

• 5、_CorDllMain 初始化 CLR（如果 CLR 还没有为该进程初始化）后便立即返回。（非托管代码加载托管 DLL 步骤）

• 6、应用程序也返回到正常状态并继续运行。

注意：托管 PE 文件总是使用 32 位的 PE 文件格式。在64位的 Windows 系统上，操作系统加载器检测到 32 位的托管 PE 文件后会自动创建64位的地址空间。

1.4 执行程序集代码

IL 代码的作用：理解对象类型，并且拥有很多高级的指令，这些指令可以创建和初始化对象，调用对象上的虚方法，以及直接操作数组元素。它甚至还有抛出和捕获异常的指令。
IL 汇编器：ILAsm.exe
IL 反汇编：ILDasm.exe

即时（just-in-time）编译器执行内容：执行一个方法，它的 IL 代码还必须首先被转换成本地 CPU 指令。

方法的第一次调用：

执行过程：

Main函数第一次调用：

• 1、在 Main 方法执行之前，CLR 首先会检测 Main 中代码引用到的所有类型。这会导致 CLR 分配一个内部的数据结构。该数据结构用于管理对所引用到的类型的访问。(比如为 Console 分配一个单独的内部结构)

• 2、在这里内部的数据结构中， Console 类型中定义的每一个方法都会有一个对应的条目，每个条目中将保存有一个方法实现代码的地址。

• 当该数据结构被初始化时，CLR 将==把每一个条目设置为 ==CLR 内部的一个没有正式记录的函数：JITCompiler。

• 当 Main 方法第一个调用 WriteLine 时， JITCompiler 函数将被调用，该函数负责将一个方法的 IL 代码编译成本地 CPU 指令。因为 IL 代码是被“即时(just-in-time)”编译的，所以 CLR 的这一部分通常被称作 JITter 或者即时编译器。（JIT compiler）

• 当 JITCompiler 函数被调用时，它会知道正在调用的是哪个方法，以及该方法是由哪个类型定义的。

• JITCompiler 函数随后会在被调用方法所定义的程序集中的元数据内搜索其 IL 代码的位置。

• JITCompiler 接着验证这些 IL 代码并将编译成本地 CPU 指令。这些本地 CPU 指令将被保存在一个动态分配的内存块中。

• 然后 JITCompiler 将前面内部数据结构中被调用方法的地址替换为包含本地 CPU 指令的内存块地址。

• 最后 JITCompiler 将跳转到该内存块中的代码上。这里的代码就是 WriteLine 方法的实现代码。当该代码执行完毕，它将返回到 Main 函数中，Main 函数会接着继续执行下面的代码。

Main 函数第二次调用：

• 1Main 函数开始第二次调用 WriteLine。由于 WriteLine 中的 IL 代码已经被验证并且编译过，所以这一次将直接调用内存块中已有的本地代码，完全跳过 JITCompiler 函数的验证和编译过程。
• 在 WriteLine 方法执行之后，同样将返回到 Main 中。

1.4.1 IL与代码验证

IL 是一种基于堆栈的语言。意味着它的所有指令或者是将操作数推进一个执行堆栈中，或者从堆栈中弹出结果。
IL 指令是无类型的。
当 IL 代码被编译为本地 CPU 指令时，CLR 将执行一个称作验证的过程。验证过程检查高级 IL 代码，确保它做的每件事都是”安全“的。

验证过程可以验证的情况：

• 不能从未初始化的内存中读取数据；
• 每个方法调用都必须传入正确的参数个数，并且各个参数的类型要正确匹配；
• 每个方法的返回值都必须被正确地使用；
• 每个方法都必须有一个返回语句；

托管代码的好处：

• 通过验证托管代码，确保它们不会访问它们不应该访问的内存，因此也就不会干扰另一个应用程序的代码。
• 在一个操作系统进程中运行多个托管应用程序可以减少进程的数量，从而提高系统性能，降低资源需求。

应用程序域： CLR 提供了在一个单独的操作系统进程中执行多个托管应用程序的能力。在 CLR 中，一个托管应用程序称作一个应用程序域。

默认情况下，一个托管 EXE 仅执行在它自己单独拥有的地址空间中（该地址空间中仅含有一个因公用程序域）。到那时，CLR 的宿主进程可以决定在一个操作系统进程中运行多个应用程序域。

1.5 .NET 框架类库

.NET 框架包括 .NET 框架类库（Framework Class Library，简称 FCL）程序集。
.NET 应用程序：

• XML Web 服务： XML Web Services。涉及的内容，HTTP,SOAP，XML，用来
• Web 窗体：Web Forms。一种基于 HTML的应用程序（Web 站点），涉及的内容，ASP.Net。
• Windows 窗体：Windows Forms。
• Windows 控制台应用程序。
• Windows 服务：由 Windows 服务控制管理器（Service Control Manager，简称 SCM）控制的服务程序。
• 组件库。

1.6 通用类型系统

通用类型系统（Common Type System，简称 CTS）来描述类型的定义和行为，包括：字段、方法、属性、事件

CTS还定义了类型可见性和访问类型成员的一些规则，访问控制如下：

• Private：方法（此处本书只提到方法，但其他成员如字段也是此规则的吧？）只能被同一类型中的其他方法调用。
• Family：方法可以被派生类型中的代码调用。而不管它们是否位于同一个程序集。（即 protected）
• Family 与 assembly：方法只可以被位于同一个程序集中的派生类型中的代码调用。IL 汇编语言有这种访问控制，但C# 和其他一些编程语言不支持。
• Assembly：方法可以被同一个程序集中的任何代码调用。（即 internal）
• Family 或 assembly：方法可以被任何程序集中的派生类型的代码调用，也可以被同一程序集中的任何类型调用。 C# 将之称为 protected internal。
• Public：方法可以被任何程序集中的任何代码调用。