《.net编程先锋C＃》第二章 理论基础－公用语言 运行环境
Christoph Wille|2001-9-1
第二章 理论基础－公用语言 运行环境
既然你已经具有了C#全面的印象，我也想让你了解NGWS runtime的全貌。C#依靠由NGWS提供的运行时；因此，有必要知道运行时如何工作，以及它背后所蕴含的概念。
所以，这一章分为两部分——它们是所有的概念和使用的基础。两部分的内容虽然有些重叠，但它有助于加深理解正在学习的概念。
2.1 NGWS Runtime
NGWS和NGWS Runtime为你提供了一种运行时环境。该运行时管理执行代码，并提供了使编程更容易的服务。只要你的编译器支持这种运行时，你就会从这种受管理的执行环境中得益。
你猜测C#编译器支持NGWS runtime很正确，但是不仅它支持NGWS runtime，VB和C++也支持。这些为支持运行时所创建的代码称作"受管代码"(managed code)。以下是你的应用程序从NGWS runtime那里所得到的利益：
交叉语言集成(通过通用语言规范)
自动内存管理(垃圾收集)
交叉语言异常处理(统一展开)
增强安全(包括类型安全)
版本支持("DLL地狱"终结者)
组件交互简化模式
因NGWS runtime 要提供了所有的这些好处，编译器必须把元文件和受管代码一起发出。元文件描述代码中的类型，它和你的代码存在一起(与PE类似---PE为可变位执行文件)
正如你从很多种交叉语言功能所看到的，NGWS runtime主要是关于高度集成交叉多异编程语言(tight integration across multiple different programming languages)。这种支持可达到允许你从一个VB对象派生出一个C#类的程度(我后面会给出要讨论的文章)。
C#程序员将会喜欢的一个功能是，他们不必担心内存管理—也就是说不必担心臭名昭著的内存泄漏。NGWS runtime提供了内存管理，当对象和变量的生命期结束(不再被引用)时，垃圾收集器释放它们。我真的喜欢这个功能，因为在COM中的内存管理一直是我的一块心病。
应该鼓励配置一个管理应用程序或者组件。因为管理应用程序含有元数据文件，NGWS runtime可以利用这些信息，以确保你的应用程序具有它所需的各种规定版本。所产生的明显效果为，由于你的代码没有相互之间的依赖，很少可能出现中断。
这章余下来的将分为两部分，每一部分讨论NGWS runtime的各个方面，直到你的C#应用程序能执行为止。
1、中间语言(Intermediate Language，缩写IL)和元数据
2、即时编译器(just-in-time compliers,简称JITers)
2.1.1 中间语言和元数据
由C#编译器生成的受管代码并不是原始代码，但它是中间语言(IL)代码。这种IL代码自身变成了NGWS runtime的受管执行进程的入口。IL代码明显的优势在于它是CPU无关的，这也意味着，你要用目标机器上的一个编译器才能把IL代码转换成原始代码。
尽管IL代码由编译器产生，但它并不是编译器提供给运行时仅有的东西。编译器同样产生有关你代码的元数据，它告诉运行时有关你代码的更多的东西，例如各种类型的定义、各种类型成员的签名以及其它数据。基本上，元数据是类型库、注册表内容和其它用于COM的信息。尽管如此，元数据还是直接和执行代码合并在一起，并不处在隔离的位置。
IL和元数据存放于扩展了PE格式的文件中(PE格式用于.exe和.dll文件)。当这样的一个PE文件被装载时，运行时从文件中定位和分离出元数据和IL。
在进一步说明之前，我想给你已有的IL指令的简短目录。尽管它不是一个完整的清单，也不需要你熟记和理解，但是它列出了你所必需的、C#程序所基于的知识基础。
算术和逻辑操作符
控制流
直接内存访问
堆栈操作
参数和局部变量
堆栈分配
对象模式
实例类型值
临界区
数组
分型位置
即时编译器(JITters)
2.1.2 即时编译器(JITters)
由C#或其它能产生受管代码的编译器所生成的受管代码就是IL码。虽然IL代码被包装在一个有效的PE文件中，但是你还是不能执行它，除非它被转换成为受管原始代码。这就是NGWS runtime 即时编译器(也称作JITters)大显身手的时候。
为什么你会对即时编译代码感到厌繁， 为什么不把整个IL PE文件编译成原始代码? 答案是时间——需要把IL代码编译成CPU规格的代码的时间。这种编译将更加有效率，因为一些程序段从来就没有被执行过。例如，在我的字处理器中，邮件合并功能从来就没有被编译。
从技术上说，全部的处理过程如下：当一个类型被装载时，装载器创建一个存根(stub)，并使它连接每一个类型的方法。当一个方法第一次被调用时，存根把控制交给JIT。JIT把IL编译为原始代码，且把存根指针指向缓冲了的原始代码。接着的调用将执行原始码。在某些位置上(At some point)，所有的IL都被转换成为原始代码，而JITter处于空闲状态。
正如我在前面提到的，JIT编译器有很多，不止一个。在Windows平台上，NGWS runtime装有3个不同的JIT编译器。
JIT——这是NGWS runtime默认使用的JIT编译器。它是一个后台(back end)优化的编译器 ，在前台(up front)实行数据流分析，并创建了高度优化的受管原始代码做为输出结果。JIT可以使用不严格的IL指令集编码，但是所需资源将十分可观。主要的限制在于内存足迹(footprint)、结果工作集，以及实行优化所消耗的时间。
EconoJIT—— 和主JIT相比，EconJIT的目标是把IL高速地转换成受管原始代码。它允许缓冲所产生的原始代码，但是输出码并不象主JIT生成的代码那样优化(代码小)。当内存紧张时，快速代码生成方案的优势将荡然无存。通过永久地抛弃无用的已JIT过的代码，你可以把更大的IL程序装入代码缓冲区。因为JIT编译快，执行速度也仍然很快。
PreJIT—尽管它是基于主JIT的，但操作起来更象是一个传 统的编译器。你安装了NGWS组件，它才能运行，才可以把IL代码编译成受管原始代码。当然最终的结果为，更快的装载时间和更快的应用程序启动时间(不需要更多的JIT编译)。
在所列出的JITters中，有两个是运行时的JITters。可是你怎么决定要使用哪一个JIT，它如何使用内存? 有一个称做"JIT编译管理器"的小应用程序(jitman.exe)，它存放于NGWS SDK安装目录下的bin目录中。当执行该程序时，它把一个图标加到系统任务条上，双击该图标打开程序对话框(见图2.1)。
图2.1 JIT编译管理器允许你设置各种相关性能的选项
尽管它是一个小小的对话框，可是你所选择的选项功能是相当强大的。每一个选项将在以下描述。
Use EconoJIT only 选项——当该复选框没有选上时，NGWS runtime使用默认的正常的JIT编译器。前面就曾经解释过两种JITter的区别。
Max Code Pitch Overhead(%)选项——该设置仅保留给EconoJIT。它控制了JIT编译时间和执行代码时间的百分比。如果超过了设定的域值，代码缓冲区得到扩充，以缩短JIT编译所消耗的时间。
Limit Size of Code Cache选项——该项默认为非选。没有选择该项意味着缓冲区将使用它所能得到的内存。如果你想限制缓冲区大小，复选该选项，这将允许你使用Max Size of Cache(bytes)选项。
Max Size of Cache(bytes)选项—控制容纳JIT代码的缓冲区的最大值。虽然你可以非常严格地限制这个值，但你还是应该小心，不能超过这个缓冲区所适合的最大值。否则该方法的JIT编译将会失败。
Optimize For Size选项——告诉JIT 编译器，优化的目的是为了使代码更小而不是能执行得更快。这个设置默认是关掉的。
Enable Concurrent GC[garbage collection]选 项——垃圾收集(GC)默认地运行在用户代码的线程中。意味GC发生时，可能会注意到回应有轻微的延迟。为防止出现该现象，打开当前GC。注意，当前GC比标准GC更慢，它仅在windows 2000上写时(the time of writing)有效。
当用C#创建项目时，你可能使用不同的设置试验过。当创建 UI-intensive应用程序时，你将会看到允许当前GC的最大差别。
2.2 虚拟对象系统(VOS)
到目前为止，你仅看到了NGWS runtime如何工作，但是并不了解它工作的技术背景以及为什么它要这样工作。这节都是关于 NGWS 虚拟对象系统的(VOS)。
以下为在VOS中形成声明、使用和管理类型模型时，NGWS runtime的规则。在VOS背后的思想是建立一个框架，在执行代码时不能牺牲性能，允许交叉语言集成和类型安全。
我提到的框架是运行时架构的基础。为了帮助你更好地了解它，我将它勾出四个区域。当开发C#应用程序和组件时，理解它们很重要。
VOS类型系统——提供丰富的类型系统，它打算支持全面编程语言的完全实施。
元数据——描述和引用VOS类型系统所定义的类型。元数据的永久格式与编程语言无关，但是，元数据拿自己当作一种互换机制(nterchange mechanism)来使用，这种互换是在在工具和NGWS的虚拟执行系统之间。
通用语言规范(CLS)——CLS定义了VOS中类型的子集，也定义了常规的用法。如果一个类库遵守CLS的规则，它确保类库可以在其它所有能实现CLS的编程语言上使用。
虚拟执行系统(VES)——这是VOS实时的实现。VES负责装入和执行为NGWS运得时编写的程序。
这四个部分一起组成了NGWS runtime架构。每一部分在下面小节中描述。
2.2.1 VOS类型系统
VOS类型系统提供丰富的类型系统，它打算支持多种编程语言的完全实施。所以，VOS必须都支持面向对象的语言和过程编程语言。
现在，存在着很多种近似但有点不兼容的类型。就拿整型当例子，在VB中，它是16位长，而在C++中，它是32位。还有更多的例子，特别是用在日期和时间以及数据库方面的数据类型。这种不兼容使应用程序的创建和维护不必要地复杂化，尤其当程序使用了多种编程语言时。
另一个问题是，因为编程语言之间存在着一些差别，你不能在一种语言中重用另一种语言创建的类型。(COM用二进制标准接口部分地解决了这个问题)。 当今代码重用肯定是有限的。
发布应用程序的最大障碍是各种编程语言的对象模型不统一。几乎每一方面都存在着差异：事件、属性、永久保存(persistence)等等。
VOS这里将改变 这种现象 。VOS定义了描述值的类型，并规定了类型的所有值所必须支持的一条合约。由于前面提到的支持面向对象和过程编程语言，就存在着两种值和对象。
对于值，类型存储于表述(representation)中，同样操作也在其中实行。对象更强大因为它显式地存于表述中。每一个对象都有一个区别于其它对象的识别号。支持不同的VOS类型在第四章 "C#类型"中提出。
2.2.2元数据
尽管元数据用于描述和引用由VOS类型系统定义的类型，但它还不能锁定到这个单个目标。当你写一个程序时，通过利用类型声明，你所声明的类型(假定它们是数值类型或引用类型)被介绍给NGWS runtime类型系统。类型声明在存于PE可执行文件内部的元数据中得到描述。
基本上，元数据用于各项任务：用于表示NGWS runtime用途的信息，如定位和装载类、 内存中这些类的事例、解决调用 、翻译IL为原始码、加强安全并设置运行时上下文边界。
你不必关心元数据的生成。元数据是由C#的"代码转IL编译器"(code-to-IL compiler,不是JIT编译器)生成的。代码转IL编译器发送二进制元数据信息给PE文件，是以标准的方式发送的，不象C++编译器那样，为出口函数创建它们自己的修饰名字。
你从元数据和可执行代码并存所获得的主要优势为，有关类型的信息同类型自身固定在一起，不会遍布很多地方。同样有助于解决存在于COM中的版本问题。进一步地，你可以在相同的上下文中使用不同的版本库，因为库不仅被注册表引用，也被包含在可执行代码中的元数据引用。
2.2.3通用语言规范
通用语言规范(CLS)并不是虚拟对象系统(VOS)真正的一部分，它是特殊的。CLS定义了VOS中的一个类型子集，也定义了必须符合CLS的常规用法。
那么，对此有什么迷惑呢?如果一个类库遵守CLS规则，其它编程语言同样也遵守CLS规则，那么其它编程语言的客户也可以使用类库。CLS是关于语言的交互可操作性(interoperability)。因此，常规用法必须仅遵循外部可访问项目 (externally visible items)如方法、属性和事件等等。
我所描述的优点是你可以做以下工作。用C#写一个组件，在VB中派生它，因加在VB中的功能是如此之强大，在C#中再次从VB类派生它。只要所有的外部可访问项遵守CLS规则，这样是可行的。
我在这本书中出示的代码不关心CLS协定。但在构建你的类库时要注意到CLS协定。我提供了表2.1，用以给类型和外部可访问项定义协定规则。
这个清单不完整。它仅包含一些很重要的项目。我不指出出现在本书中每一种类型的CLS协定，所以有个好主意：当你寻找CLS协定时，至少应该用浏览该表，以了解哪种功能有效。不要担心你不熟悉这章表中的每一个含义，在这本书中你会学到它们。
表2.1 通能语言规范中的类型和功能
bool
char
byte
short
int
long
float
double
string
object(所有对象之母)
Arrays(数组)
数组的维数必须是已知的(>=1)，而且最小下标数必须为0。
要素类型必须是一个CLS类型。
类型(Types)
可以被抽象或隐藏。
零或更多的接口可以被实现。不同的接口允许拥有具有相同名字和签名的方法。
一个类型可以准确地从一个类型派生。允许成员被覆盖和被隐藏。
可以有零或更多的成员，它们是字段(fields)、方法、事件或者类型。
类型可以拥有零或更多个构造函数。
一种类型的可访问性可以是公共的或者对NGWS组件来说是局部的；但是，仅公共成员可以认为是类型接口的一部分。
所有的值型必须从系统值型继承。异常是一个枚举——它必须从系统枚举(System Enum)继承。
类型成员
类型成员允许隐藏或者覆盖另一种类型中的其它成员。
参数和返回值的类型都必须是 CLS 协定 类型。
构造函数、方法和属性可以被重载。
一个类型可以有抽象成员，但仅当类型不被封装时。
方法
一种方法可以是静态、虚拟或者实例。
虚拟和实例方法可以是抽象的，或者是一个实现。静态方法必须总拥有一个实现。
虚拟方法可能是最后的(或者不是)。
字段(Fields)
可以是静态或者是非静态。
静态字段可以被描述或只初始化。
属性
当获取和设置方法而不是使用属性语法时，属性可以公开。
获取的返回类型和设置方法的第一个参数必须是相同的CLS类型——属性的类型。
属性名字必须不同，不同的属性类型用于区分是不充分的。
由于使用方法实现属性访问，如果 PropertyName 是同一个类中定义的一个属性，你不能实现命名为 get_PropertyName 和 set_PropertyName 的方法。
属性可以被索引。
属性访问必须遵循这种命名格式：get_ProName，set_PropName。
枚举(Enumerations)
强调类型必须是byte、short、int 或long。
每一个成员是一个枚举类型的静态描述字段。
一个枚举不能实现任何接口。
你允许给多字段设定相同的值。
一个枚举必须继承系统枚举(隐含在C#中)
异常
可以被引发和被捕获。
自定义异常必须继承系统异常。
接口
可需要实现其它接口。
一个接口可以定义属性、事件和虚拟方法。实现取决于派生类。
事件
增加和取消方法必须是都提供或者都没有 ，每一种方法采用一个参数，它是一个从系统代表元(System Delegate)派生下来的类。
自定义属性
可以仅使用下更类型：Type(类型),char, char, bool, byte, short, int, long, float, double, enum (一种CLS 类型), and object.
代表元(Delegates)
可以被创建和被激活
标识符(Identifiers)
一个标识符的第一个字母必须来自一限制集。
通过大小写在单一范围内，不可能唯一地区别两个或更多个标识符(大小写不敏感)。
2.2.4虚拟执行系统(VES)
虚拟执行系统实现了虚拟对象系统。通过实现一个负责NGWS runtime的执行引擎(execution engine，缩写EE)创建VES。这个执行引擎执行你用C#编写和编译的应用程序。
下列组件为VES的一部分。
1、中间语言(IL)——被设计为很容易受各种各样的编译器所兼容 。在该框架之外，C++、VB和C#编译器都能够生成IL。
2、装入受管代码——这包括解决内存中的名字、 表层类(laying out classes )，并且创建JIT编译所必需的存根。通过执行经常性校验，包括加强一些访问规则，类装载器同样也增强了安全性。
3、用JIT转换IL成原始代码——IL代码并不是设计成为一种传统的解释字节代码或树型代码，IL转换是真正的编译。
4、装入元数据、校验类型安全和方法的完整性
5、垃圾收集(GC)和异常处理——两者都是基于堆栈格式的服务。受管代码允许你动态地跟踪堆栈。要动态地识别各个堆栈框架，JITter或其它编译器必须提供一个代码管理器。
6、描绘和查错服务——两者都取决于由源语言编译器所生成的信息。必须发出两个映射：一个映射从源语言结构发到指令流中的地址，一个映射从地址发到堆栈框架中的位置。当执行从IL到原始代码的转换时，这些映射被重新计算。
7、管理线程和上下文，还有远程管理——VES为受管代码提供这些服务。
虽然这个清单并不完整，但它足以让你理解运行时基于的由VES提供的低层架构。肯定将会有专门讨论运行时的书，而这本书将稍为深入地挖掘各种话题。
2.3 小结
这一章，我带你逛了一回运行时的世界。我描述了当创建、编译和配置C#程序时它是如何工作的。你学会了中间语言(IL)，还有元数据是如何用于描述被编译为IL的类型。元数据和IL都用于JITter检测和执行你的代码。你甚至可以选择用哪一种JITter来执行应用程序。
在这一章的第二部分，涉及到了运行时为何按这种方式工作的理论。你学了虚拟对象系统(VOS)和组成它的那部分。对于类库设计者最为感兴趣的就是通用语言规范(CLS)，它为基于VOS的语言交互操作设定规则。最后，你看到了虚拟执行系统(VES)如何通过NGWS runtime实现VOS。
