(C#) CLR-深入淺出

前文：

我們在撰寫C#時常常會聽到CLR(Common Lnguage Rumtime)，但對於CLR又認知多少呢?

本篇會跟大家介紹CLR基本且核心的物件

CLR 簡介

編譯器在編譯時把(C#，VB，F#….)進行編譯檢查跟把程式碼轉成MSIL中繼資料，在運行期間透過JIT(just in time)會在程式運行期間把MSIL轉成每個機器可以執行組合語言

大概可以理解為下圖

這邊我不探討Management和UnManagement物件
MSIL也算是微軟開發語言的一個抽象

SOS Debuger

注意你的電腦是 x86 or x64

SOS 偵錯延伸模組副檔名 (SOS.dll) 提供內部 Common Language Runtime (CLR) 環境的相關資訊，以協助您在 Windows 偵錯工具 (WinDbg.exe) 和 Visual Studio 中偵錯受控程式

SOS.dll (SOS 偵錯擴充功能)

為了更好理解CLR運作我們使用WinDbg

利用.loadby sos clr進入程式查看CLR狀態吧

我使用下面的Sample Code

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Person p = new Person();
        System.Console.WriteLine(p._age);
        Console.ReadKey();
    }
}

public class Person
{
    public int _age;

    public void AddAge()
    {
        _age++;
    }
}

Application Domain

CLR在執行Manager程式碼時，會建立三個Application Domain，其中兩個AppDomain是Host在CLR主程式中(我們不可操作),只能透過CLR啟動Process(啟動的Process名叫shim操作mscoree.dll和mscorwks.dll)

System Domain(Singleton):
- 負責建立和初始化Shared Domain和Default AppDomain。System Domain會將mscorlib.dll載入Shared Domain，並且維護Process內部使用的隱含或顯式字符串符號。
- System Domain建立 process-wide interface IDs (InterfaceVtableMaps)追蹤其他AppDomain，實現loading和 unloading　AppDomains.
- 掌管String interning對於字串可以優化重用(類似String Mapping Table)，String interning允許所以AppDomain操作使用來節省Memory使用.
Shared Domain(Singleton):
- 載入所有系統需要library(Object, ValueType, Array, Enum, String, Delegate)在CLR程序啟動過程中。
- SharedDomain掌管一個assembly對應表，此對應表作為SharedDomain assembly依賴關係的查找表，在DefaultDomain建立時會依照此對應表找尋所依賴其他assemblies跟使用基礎物件.
Default AppDomain:
- DefaultDomain是一個AppDomain一般寫的程式會在這裡運行
- 此區域可以建立其他AppDomain每個執行AppDomain都有自己的運作區域(記憶體操作個別獨立互不影響)，如果AppDomain互相需要通信可以透過.NET Remoting代理建立System.ContextBoundObject
- 建立每個AppDomain都擁有自己
  - loader heaps(High-Frequency Heap, Low-Frequency Heap, and Stub Heap)
  - Interface Vtable Map Manager
  - Assembly Cache.

System Domain，Shared Domain都是由CLR管理的Domain

一般我們程式碼運作在Default AppDomain

說明完後我們利用!eeheap指令來查看記憶體使用資訊

能看到真的如我上面所說有三個區塊App Domain(紅色框框範圍).

藍色框框是Heap記憶體區段能看到有G0，G1，G2記憶體開始位置

EEClass

每一個class會加載一個自己的EEClass(關於此類別的描述資訊)

包括Interface，class，abstract class，array，struct
所以我們常在c#使用Type類型提供就是EEClass提供的

這是我透過winDbg 查詢出EEClass資訊

裡面有許多重要資訊

EECLass子、父關係基於繼承建立

Parent Class:存放Parent class位置.
Method Table:類別使用Method Table位置
Total Method Slots:執行方法所在記憶體位置
NumStaticFields:靜態變數數量.

CLR透過這個EEClass建立的樹狀網路瀏覽使用類別，包含類別加載，方法表，類型驗證，類型轉換

Class Name:      ASapmle.Person
mdToken:         02000003
File:            C:\Users\Daniel Shih\source\repos\ASapmle\ASapmle\bin\Debug\ASapmle.exe
Parent Class:    72ff15c8
Module:          029c4044
Method Table:    029c4dd8
Vtable Slots:    4
Total Method Slots:  5
Class Attributes:    100001  
Transparency:        Critical
NumInstanceFields:   1
NumStaticFields:     0
      MT    Field   Offset                 Type VT     Attr    Value Name
730042a8  4000001        4         System.Int32  1 instance           _age


Class Name:      System.Object
mdToken:         0200003d
File:            C:\WINDOWS\Microsoft.Net\assembly\GAC_32\mscorlib\v4.0_4.0.0.0__b77a5c561934e089\mscorlib.dll
Parent Class:    00000000
Module:          72ff1000
Method Table:    73002734
Vtable Slots:    4
Total Method Slots:  a
Class Attributes:    102001  
Transparency:        Transparent
NumInstanceFields:   0
NumStaticFields:     0

下面是EEClass加載進Memory時使用狀況

在GC Heap建立一個物件時就會透過EEClass描述來建立物件

我們可以利用

!dumpheap -type Person來查看Person類別metadata在記憶體中如何上面所說的存放

MethodTable

ObjectInstance的TypeHandle指向MethodTable，MethodTable的訊息可以透過System.Type訪問

我們可以透過!dumpmt -md {method table address}來查看Method Table資訊

MethodDesc Table
   Entry MethodDe    JIT Name
733f97b8 72ffc838 PreJIT System.Object.ToString()
733f96a0 73138978 PreJIT System.Object.Equals(System.Object)
734021f0 73138998 PreJIT System.Object.GetHashCode()
733b4f2c 731389a0 PreJIT System.Object.Finalize()
02b408b0 029c4dd0    JIT ASapmle.Person..ctor()
02b40450 029c4dc4   NONE ASapmle.Person.AddAge()

MethodDesc

MethodDesc在CLR運行時作為最基礎的服務，方法實現封裝

簡單來說會存放此方法的描述

Method Name: 方法名稱
MethodTable: Method Table記憶體位置
mdToken: Token的末位(編譯期就確定了)
IsJitted:是否JIT編譯
CodeAddr:對應程式碼位置

下圖表示程式在運作時記憶體概念分配，能看到一開始會加載

EEClass
MethodDesc
MethodTable

每個Object Instance都有的底層資訊

Syncblk:掌管指向Syncblk Entry Index和HashCode資料
TypeHandle:存放對應Method Table資訊

每個Object都有Object Header (syncblk + TypeHandle) 8 bytes

WinDbg clr 指令筆記

.loadby sos clr:進入CLR Debug查看
!eeheap:查看目前Heap使用情況
!dumpmt -md {address}:查詢某個物件的Method Table
!dumpheap -type {type name}:查看某個類別的詳細資訊

小結

越是原理的知識越不會改變且在緊要關頭有時候還可以救你一命（可以更快定位出問題）

本篇介紹了幾個CLR底層重要的物件希望對讀者們對於CLR可以有更深入的了解

__此文作者__：Daniel Shih(石頭)
__此文地址__： https://isdaniel.github.io/c-sharp-clr-deepknow/
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