深入了解.NET編譯器中CLR加載過(guò)程
以下說(shuō)明CLR加載過(guò)程所使用的工具是VS2005+sos.dll，示例程序代碼如下： using System;
- using System.Collections.Generic;
- using System.Text;
- namespace hello
- {
- class Program
- {
- static void Main(string[] args)
- {
- Int32 a = 1;
- Int32 b = 2;
- b = a + b;
- Console.WriteLine(b);
- Console.ReadKey();
- }
- }
- }
那么CLR加載過(guò)程是怎樣的呢？
1、當(dāng)你雙擊一個(gè).exe文件時(shí)，Windows操作系統(tǒng)提供的PE Loader會(huì)將該exe文件載入內(nèi)存；
(1)、首先明確一點(diǎn)，PE Loader問(wèn)什么能加載exe文件呢？因?yàn)?/SPAN>exe文件就是一種PE文件，PE(Portable Execute)文件是微軟Windows操作系統(tǒng)上的程序文件，EXE、DLL、OCX、SYS、COM都是PE文件。
(2)、有必要了解一下PE文件的結(jié)構(gòu)：
圖 1
1) Dos stub
由100個(gè)左右的字節(jié)所組成，用來(lái)輸出類似“這個(gè)程序不能在DOS下運(yùn)行！”這樣的錯(cuò)誤信息；
2) PE Signature
DWORD類型，PE文件簽名，用來(lái)表示這是個(gè)PE文件，用ASCII碼表示；
3) File Header
包含PE文件最基本信息，通過(guò)dumpbin可以看到，如圖2所示 從這里可以看到：CPU類型為
4) Optional Header
用來(lái)存儲(chǔ)除了基本信息以外的其他重要信息，具體含義大家可以查閱PE文件格式的相關(guān)資料，我這里對(duì)一些關(guān)心的域根據(jù)圖3進(jìn)行一下說(shuō)明：
-- entry point，指明這個(gè)PE文件的入口地址，是一個(gè)RVA(相對(duì)虛擬地址)；
1 不需要子系統(tǒng)（比如設(shè)備驅(qū)動(dòng)）
2 在Windows圖形用戶界面子系統(tǒng)下運(yùn)行
3 在Windows字符子系統(tǒng)下運(yùn)行（控制臺(tái)程序）
5 在OS/2字符子系統(tǒng)下運(yùn)行（僅對(duì)OS/2 1.x）
7 在 Posix 字符子系統(tǒng)下運(yùn)行
所以可以看到我們的程序是一個(gè)控制臺(tái)程序。
-- 最后定義了一些數(shù)據(jù)目錄，具體內(nèi)容不再贅述。
圖 3
5) section header
Section header可以有一個(gè)或多個(gè)，見(jiàn)圖4、圖5、圖6。
-- name，表示這個(gè)section的名字，例如這個(gè)section的名字為.text；
-- virtual address，保存section中數(shù)據(jù)被載入內(nèi)存后的RVA；
-- file pointer to raw data，從文件開(kāi)頭到section中數(shù)據(jù)的偏移量。
-- Section 的原始數(shù)據(jù)
圖 6
-- CLR頭，從圖7可以找到隨托管代碼IL同時(shí)生成的元數(shù)據(jù)表的RVA。
圖 7
2、PE loader通過(guò)查找CLR頭發(fā)現(xiàn)該目錄不為空，則自動(dòng)將mscoree.dll載入進(jìn)程地址空間中，mscoree.dll一定是唯一的，且總是處于系統(tǒng)目錄的system32下，例如我的機(jī)器為C:\WINDOWS\system32目錄下。.net 2.0的mscoree.dll的大小只有256k左右，這個(gè)dll被叫做shim，它的作用是連接PE文件和CLR之間的一個(gè)橋梁。
3、PE loader接著會(huì)找到entry point，例如本例中圖3所示，這個(gè)PE文件的入口點(diǎn)地址為0040251E，然后通過(guò)這個(gè)地址來(lái)查找.text section的原始數(shù)據(jù)表，由圖6所示，0040251E這個(gè)地址開(kāi)始的6個(gè)字節(jié)的內(nèi)容為【FF 25 00 20 40 00】，這個(gè)內(nèi)容就是由編譯器寫(xiě)入PE文件的.text section的重要信息，FF在x86匯編語(yǔ)言與機(jī)器碼對(duì)照表中代表無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令Jmp，這條指令的作用是無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到00402000地址處，從圖3可以看到image base 是00400000，2000是import address table的RVA地址，由圖7可以看到，此時(shí)程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到00402000這個(gè)地址所引用的mscoree.dll的_CorExeMain(_CorExeMain為mscoree.dll的入口方法)方法，所有的托管應(yīng)用都會(huì)通過(guò)上述過(guò)程找到并執(zhí)行_CorExeMain方法；
4、_CorExeMain方法會(huì)幫助程序找到并載入適當(dāng)?shù)?/SPAN>CLR版本，在.net 2.0以后實(shí)現(xiàn)CLR的程序集為mscorwks.dll或mscorsvr.dll，例如，在我的機(jī)器上mscorwks.dll的位置是：C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\；
5、啟動(dòng)CLR服務(wù)，開(kāi)始初始化工作，這個(gè)初始化工作包括:
-- 分配一塊內(nèi)存空間，建立托管堆及其它必要的堆，由GC監(jiān)控整個(gè)托管堆
-- 創(chuàng)建線程池
-- 創(chuàng)建應(yīng)用程序域(AppDomain):利用sos.dll可以查看CLR創(chuàng)建了哪些AppDomain。
用VS2005打開(kāi)我們的程序，在即時(shí)窗口中敲入：.load sos.dll。
在VS2005的即時(shí)窗口中敲入：后的結(jié)果），但是依然可以說(shuō)明問(wèn)題：
圖 8
由圖8可見(jiàn)，CLR創(chuàng)建了System Domain、Shared Domain和Domain1，這個(gè)Domain1是默認(rèn)Appdomain。
6、接下來(lái)就會(huì)向默認(rèn)AppDomain中載入mscorlib.dll，由圖八可見(jiàn)，任何托管代碼，CLR在創(chuàng)建好默認(rèn)AppDomain后，第一個(gè)載入的組件一定是mscorlib.dll，實(shí)際上這個(gè)組件定義了System.Object、所有基元類型：如System.Int32等，利用sos.dll可以看到有哪些類被載入，依據(jù)Domain 1里的Module地址，在即時(shí)窗口敲入命令!dumpmodule -mt
圖 9
#p#
從圖9可以看到System.Object被第一個(gè)加載進(jìn)來(lái)，接著是System.ICloneable、System.IEnumerable、System.Collection.ICollection、System.Collection.IList、System.Array……
7、產(chǎn)生主線程后可能會(huì)觸發(fā)一些mscorlib.dll里的類型并加載入內(nèi)存，接著，當(dāng)你的PE文件：hello.exe被載入后，默認(rèn)Appdomain的名字被改為你的PE文件的名字，載入過(guò)程完成后的結(jié)果可見(jiàn)圖8。
8、包含在mscorwks.dll中的_CorExeMain2方法接管主線程，它將調(diào)用System Domain中的SystemDomain::ExecuteMainMethod方法，然后由此方法調(diào)用類型加載器的ClassLoader::LoadTypeHandleFromToken方法，該方法會(huì)讀取程序集中的元數(shù)據(jù)表，并在里面查找包含.entrypoint的類型，并返回由EECLASS結(jié)構(gòu)表示的該類型的實(shí)例，EECLASS結(jié)構(gòu)中包含重要信息有：指向當(dāng)前類型父類的指針、指向方法表的指針、實(shí)例字段和靜態(tài)字段等。
(1)、在即時(shí)窗口敲入命令0097c
圖 10
從圖10可以看到在當(dāng)前模塊中所定義的類型：hello.Program和所引用的類型：System.Object和System.Console。
(2)、在即時(shí)窗口敲入命令后，有如下結(jié)果：
圖 11
由圖11可以得到如下信息：為hello.Program類型分配的EECLASS在內(nèi)存中的地址為00971260，通過(guò)這個(gè)地址查看其信息，發(fā)現(xiàn)hello.Program的父類地址為：
圖 12
方法表Method Table的地址為00972ff8。
(3)、方法表里存的是什么呢？其實(shí)是當(dāng)前類型中所有定義和引用到的方法的入口點(diǎn)，這個(gè)入口點(diǎn)被叫做Method descriptors，從圖11可以看到。
(4)、實(shí)際上Method descriptors被分為兩個(gè)部分，第一部分是m_CodeOrIL，在當(dāng)前方法沒(méi)有被JIT的時(shí)候，m_CodeOrIL存的是這個(gè)方法的MSIL的RVA，也就是從這個(gè)RVA可以找到當(dāng)前方法的MSIL代碼；第二部分是對(duì)JIT編譯器的一個(gè)Stub(存根)，當(dāng)方法是第一次被調(diào)用的時(shí)候，CLR會(huì)通過(guò)這個(gè)Stub調(diào)用mscorjit.dll組件，通過(guò)m_CodeOrIL里存儲(chǔ)的RVA，找到這個(gè)方法對(duì)應(yīng)的MSIL代碼，然后將其編譯為本地CPU指令，假設(shè)這里存到地址RVA1，最后將m_CodeOrIL和Stub的值都修改為RVA1，那么當(dāng)這個(gè)方法第二次被調(diào)用的時(shí)候?qū)?huì)直接通過(guò)RVA1去尋找本地代碼，換句話說(shuō)只有當(dāng)方法第一次被調(diào)用的時(shí)候才會(huì)被Jit編譯器編譯，之后則直接使用編譯好的本地代碼。同時(shí)這也說(shuō)明托管代碼被編譯了兩次，第一次編譯是將托管代碼編譯為MSIL代碼，并同時(shí)生成Metadata元數(shù)據(jù)文件，第二次編譯發(fā)生在方法被調(diào)用時(shí)由Jit編譯器完成。
(5)、在即時(shí)窗口敲入命令!dumpmd 00972fe8和!dumpmd 00972f0可以看到已經(jīng)被Jit過(guò)的和還沒(méi)有被Jit的方法的信息：
圖 13
被Jit過(guò)得方法則會(huì)修改m_CodeOrIL，如Main方法的m_CodeOrIL被指向地址00e50070，而沒(méi)有被Jit的方法m_CodeOrIL的值為ffffffffffffffff。
(6)、在即時(shí)窗口敲入命令
圖 14
圖14列出helloProgram.Main方法的本地代碼。而如果在即時(shí)窗口敲入命令!u ffffffffffffffff則顯示Unmanaged code。
9、進(jìn)入Main方法，進(jìn)而執(zhí)行后續(xù)程序。
最后，從上述分析也可以看出，.NET的幾個(gè)核心組件的被調(diào)用順序大致是： mscoree.dll -----> mscorwks.dll(mscorsvr.dll) -----> mscorlib.dll ----->mscorjit.dll。
一般來(lái)說(shuō)調(diào)試.NET程序使用VS2005就可以了，但是要想得到更詳細(xì)的信息，如內(nèi)存情況等就需要借助其他工具了，個(gè)人覺(jué)得sos.dll和Windbg是很好的工具，Windbg可以在http://www.microsoft.com/whdc/devtools/debugging/default.mspx下載，而如果你裝的是VS2005 Team Version，那么自帶sos.dll。
關(guān)于CLR加載過(guò)程的詳細(xì)內(nèi)容，大家可以通過(guò)微軟的 Shared Source Common Language Infrastructure(SSCLI)，來(lái)了解關(guān)于CLR的一些內(nèi)部機(jī)理，大家可以到
http://www.microsoft.com/downloads/details.aspx?FamilyId=8C09FD61-3F26-4555-AE17-3121B4F51D4D&displaylang=en下載，相信會(huì)對(duì)理解CLR有所幫助，另外就是由蔡學(xué)鏞寫(xiě)的http://www.microsoft.com/taiwan/msdn/columns/DoNet/loader.htm，文章挺早，但很經(jīng)典，大家可以看看
本文來(lái)自Leo Zhang的博客園文章《深入了解CLR的加載過(guò)程》
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