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《.net編程先鋒C#》第二章理論基礎－公用語言運行環境

編輯：關於C語言

第二章理論基礎－公用語言運行環境
既然你已經具有了C#全面的印象，我也想讓你了解NGWS runtime的全貌。C#依靠由NGWS提供的運行時；因此，有必要知道運行時如何工作，以及它背後所蘊含的概念。
所以，這一章分為兩部分——它們是所有的概念和使用的基礎。兩部分的內容雖然有些重疊，但它有助於加深理解正在學習的概念。

2.1 NGWS Runtime
NGWS和NGWS Runtime為你提供了一種運行時環境。該運行時管理執行代碼，並提供了使編程更容易的服務。只要你的編譯器支持這種運行時，你就會從這種受管理的執行環境中得益。
你猜測C#編譯器支持NGWS runtime很正確，但是不僅它支持NGWS runtime，VB和C++也支持。這些為支持運行時所創建的代碼稱作"受管代碼"(managed code)。以下是你的應用程序從NGWS runtime那裡所得到的利益：

交叉語言集成(通過通用語言規范)
自動內存管理(垃圾收集)
交叉語言異常處理(統一展開)
增強安全(包括類型安全)
版本支持("DLL地獄"終結者)
組件交互簡化模式

因NGWS runtime 要提供了所有的這些好處，編譯器必須把元文件和受管代碼一起發出。元文件描述代碼中的類型，它和你的代碼存在一起(與PE類似---PE為可變位執行文件)
正如你從很多種交叉語言功能所看到的，NGWS runtime主要是關於高度集成交叉多異編程語言(tight integration across multiple different programming languages)。這種支持可達到允許你從一個VB對象派生出一個C#類的程度(我後面會給出要討論的文章)。
C#程序員將會喜歡的一個功能是，他們不必擔心內存管理—也就是說不必擔心臭名昭著的內存洩漏。NGWS runtime提供了內存管理，當對象和變量的生命期結束(不再被引用)時，垃圾收集器釋放它們。我真的喜歡這個功能，因為在COM中的內存管理一直是我的一塊心病。
應該鼓勵配置一個管理應用程序或者組件。因為管理應用程序含有元數據文件，NGWS runtime可以利用這些信息，以確保你的應用程序具有它所需的各種規定版本。所產生的明顯效果為，由於你的代碼沒有相互之間的依賴，很少可能出現中斷。
這章余下來的將分為兩部分，每一部分討論NGWS runtime的各個方面，直到你的C#應用程序能執行為止。
1、中間語言(Intermediate Language，縮寫IL)和元數據
2、即時編譯器(just-in-time complIErs,簡稱JITers)

2.1.1 中間語言和元數據
由C#編譯器生成的受管代碼並不是原始代碼，但它是中間語言(IL)代碼。這種IL代碼自身變成了NGWS runtime的受管執行進程的入口。IL代碼明顯的優勢在於它是CPU無關的，這也意味著，你要用目標機器上的一個編譯器才能把IL代碼轉換成原始代碼。
盡管IL代碼由編譯器產生，但它並不是編譯器提供給運行時僅有的東西。編譯器同樣產生有關你代碼的元數據，它告訴運行時有關你代碼的更多的東西，例如各種類型的定義、各種類型成員的簽名以及其它數據。基本上，元數據是類型庫、注冊表內容和其它用於COM的信息。盡管如此，元數據還是直接和執行代碼合並在一起，並不處在隔離的位置。
IL和元數據存放於擴展了PE格式的文件中(PE格式用於.exe和.dll文件)。當這樣的一個PE文件被裝載時，運行時從文件中定位和分離出元數據和IL。
在進一步說明之前，我想給你已有的IL指令的簡短目錄。盡管它不是一個完整的清單，也不需要你熟記和理解，但是它列出了你所必需的、C#程序所基於的知識基礎。

算術和邏輯操作符
控制流
直接內存訪問
堆棧操作
參數和局部變量
堆棧分配
對象模式
實例類型值
臨界區
數組
分型位置
即時編譯器(JITters)

2.1.2 即時編譯器(JITters)
由C#或其它能產生受管代碼的編譯器所生成的受管代碼就是IL碼。雖然IL代碼被包裝在一個有效的PE文件中，但是你還是不能執行它，除非它被轉換成為受管原始代碼。這就是NGWS runtime 即時編譯器(也稱作JITters)大顯身手的時候。
為什麼你會對即時編譯代碼感到厭繁，為什麼不把整個IL PE文件編譯成原始代碼? 答案是時間——需要把IL代碼編譯成CPU規格的代碼的時間。這種編譯將更加有效率，因為一些程序段從來就沒有被執行過。例如，在我的字處理器中，郵件合並功能從來就沒有被編譯。
從技術上說，全部的處理過程如下：當一個類型被裝載時，裝載器創建一個存根(stub)，並使它連接每一個類型的方法。當一個方法第一次被調用時，存根把控制交給JIT。JIT把IL編譯為原始代碼，且把存根指針指向緩沖了的原始代碼。接著的調用將執行原始碼。在某些位置上(At some point)，所有的IL都被轉換成為原始代碼，而JITter處於空閒狀態。
正如我在前面提到的，JIT編譯器有很多，不止一個。在Windows平台上，NGWS runtime裝有3個不同的JIT編譯器。
JIT——這是NGWS runtime默認使用的JIT編譯器。它是一個後台(back end)優化的編譯器，在前台(up front)實行數據流分析，並創建了高度優化的受管原始代碼做為輸出結果。JIT可以使用不嚴格的IL指令集編碼，但是所需資源將十分可觀。主要的限制在於內存足跡(footprint)、結果工作集，以及實行優化所消耗的時間。
EconoJIT—— 和主JIT相比，EconJIT的目標是把IL高速地轉換成受管原始代碼。它允許緩沖所產生的原始代碼，但是輸出碼並不象主JIT生成的代碼那樣優化(代碼小)。當內存緊張時，快速代碼生成方案的優勢將蕩然無存。通過永久地拋棄無用的已JIT過的代碼，你可以把更大的IL程序裝入代碼緩沖區。因為JIT編譯快，執行速度也仍然很快。
PreJIT—盡管它是基於主JIT的，但操作起來更象是一個傳統的編譯器。你安裝了NGWS組件，它才能運行，才可以把IL代碼編譯成受管原始代碼。當然最終的結果為，更快的裝載時間和更快的應用程序啟動時間(不需要更多的JIT編譯)。
在所列出的JITters中，有兩個是運行時的JITters。可是你怎麼決定要使用哪一個JIT，它如何使用內存? 有一個稱做"JIT編譯管理器"的小應用程序(jitman.exe)，它存放於NGWS SDK安裝目錄下的bin目錄中。當執行該程序時，它把一個圖標加到系統任務條上，雙擊該圖標打開程序對話框(見圖2.1)。

圖2.1 JIT編譯管理器允許你設置各種相關性能的選項

盡管它是一個小小的對話框，可是你所選擇的選項功能是相當強大的。每一個選項將在以下描述。
Use EconoJIT only 選項——當該復選框沒有選上時，NGWS runtime使用默認的正常的JIT編譯器。前面就曾經解釋過兩種JITter的區別。
Max Code Pitch Overhead(%)選項——該設置僅保留給EconoJIT。它控制了JIT編譯時間和執行代碼時間的百分比。如果超過了設定的域值，代碼緩沖區得到擴充，以縮短JIT編譯所消耗的時間。
Limit Size of Code Cache選項——該項默認為非選。沒有選擇該項意味著緩沖區將使用它所能得到的內存。如果你想限制緩沖區大小，復選該選項，這將允許你使用Max Size of Cache(bytes)選項。
Max Size of Cache(bytes)選項—控制容納JIT代碼的緩沖區的最大值。雖然你可以非常嚴格地限制這個值，但你還是應該小心，不能超過這個緩沖區所適合的最大值。否則該方法的JIT編譯將會失敗。
Optimize For Size選項——告訴JIT 編譯器，優化的目的是為了使代碼更小而不是能執行得更快。這個設置默認是關掉的。
Enable Concurrent GC[garbage collection]選項——垃圾收集(GC)默認地運行在用戶代碼的線程中。意味GC發生時，可能會注意到回應有輕微的延遲。為防止出現該現象，打開當前GC。注意，當前GC比標准GC更慢，它僅在Windows 2000上寫時(the time of writing)有效。
當用C#創建項目時，你可能使用不同的設置試驗過。當創建 UI-intensive應用程序時，你將會看到允許當前GC的最大差別。

2.2 虛擬對象系統(VOS)
到目前為止，你僅看到了NGWS runtime如何工作，但是並不了解它工作的技術背景以及為什麼它要這樣工作。這節都是關於 NGWS 虛擬對象系統的(VOS)。
以下為在VOS中形成聲明、使用和管理類型模型時，NGWS runtime的規則。在VOS背後的思想是建立一個框架，在執行代碼時不能犧牲性能，允許交叉語言集成和類型安全。
我提到的框架是運行時架構的基礎。為了幫助你更好地了解它，我將它勾出四個區域。當開發C#應用程序和組件時，理解它們很重要。
VOS類型系統——提供豐富的類型系統，它打算支持全面編程語言的完全實施。
元數據——描述和引用VOS類型系統所定義的類型。元數據的永久格式與編程語言無關，但是，元數據拿自己當作一種互換機制(nterchange mechanism)來使用，這種互換是在在工具和NGWS的虛擬執行系統之間。
通用語言規范(CLS)——CLS定義了VOS中類型的子集，也定義了常規的用法。如果一個類庫遵守CLS的規則，它確保類庫可以在其它所有能實現CLS的編程語言上使用。
虛擬執行系統(VES)——這是VOS實時的實現。VES負責裝入和執行為NGWS運得時編寫的程序。
這四個部分一起組成了NGWS runtime架構。每一部分在下面小節中描述。

2.2.1 VOS類型系統
VOS類型系統提供豐富的類型系統，它打算支持多種編程語言的完全實施。所以，VOS必須都支持面向對象的語言和過程編程語言。
現在，存在著很多種近似但有點不兼容的類型。就拿整型當例子，在VB中，它是16位長，而在C++中，它是32位。還有更多的例子，特別是用在日期和時間以及數據庫方面的數據類型。這種不兼容使應用程序的創建和維護不必要地復雜化，尤其當程序使用了多種編程語言時。
另一個問題是，因為編程語言之間存在著一些差別，你不能在一種語言中重用另一種語言創建的類型。(COM用二進制標准接口部分地解決了這個問題)。當今代碼重用肯定是有限的。
發布應用程序的最大障礙是各種編程語言的對象模型不統一。幾乎每一方面都存在著差異：事件、屬性、永久保存(persistence)等等。
VOS這裡將改變這種現象。VOS定義了描述值的類型，並規定了類型的所有值所必須支持的一條合約。由於前面提到的支持面向對象和過程編程語言，就存在著兩種值和對象。

對於值，類型存儲於表述(representation)中，同樣操作也在其中實行。對象更強大因為它顯式地存於表述中。每一個對象都有一個區別於其它對象的識別號。支持不同的VOS類型在第四章 "C#類型"中提出。

2.2.2元數據
盡管元數據用於描述和引用由VOS類型系統定義的類型，但它還不能鎖定到這個單個目標。當你寫一個程序時，通過利用類型聲明，你所聲明的類型(假定它們是數值類型或引用類型)被介紹給NGWS runtime類型系統。類型聲明在存於PE可執行文件內部的元數據中得到描述。
基本上，元數據用於各項任務：用於表示NGWS runtime用途的信息，如定位和裝載類、內存中這些類的事例、解決調用、翻譯IL為原始碼、加強安全並設置運行時上下文邊界。
你不必關心元數據的生成。元數據是由C#的"代碼轉IL編譯器"(code-to-IL compiler,不是JIT編譯器)生成的。代碼轉IL編譯器發送二進制元數據信息給PE文件，是以標准的方式發送的，不象C++編譯器那樣，為出口函數創建它們自己的修飾名字。
你從元數據和可執行代碼並存所獲得的主要優勢為，有關類型的信息同類型自身固定在一起，不會遍布很多地方。同樣有助於解決存在於COM中的版本問題。進一步地，你可以在相同的上下文中使用不同的版本庫，因為庫不僅被注冊表引用，也被包含在可執行代碼中的元數據引用。

2.2.3通用語言規范
通用語言規范(CLS)並不是虛擬對象系統(VOS)真正的一部分，它是特殊的。CLS定義了VOS中的一個類型子集，也定義了必須符合CLS的常規用法。
那麼，對此有什麼迷惑呢?如果一個類庫遵守CLS規則，其它編程語言同樣也遵守CLS規則，那麼其它編程語言的客戶也可以使用類庫。CLS是關於語言的交互可操作性(interOperability)。因此，常規用法必須僅遵循外部可訪問項目 (externally visible items)如方法、屬性和事件等等。
我所描述的優點是你可以做以下工作。用C#寫一個組件，在VB中派生它，因加在VB中的功能是如此之強大，在C#中再次從VB類派生它。只要所有的外部可訪問項遵守CLS規則，這樣是可行的。
我在這本書中出示的代碼不關心CLS協定。但在構建你的類庫時要注意到CLS協定。我提供了表2.1，用以給類型和外部可訪問項定義協定規則。
這個清單不完整。它僅包含一些很重要的項目。我不指出出現在本書中每一種類型的CLS協定，所以有個好主意：當你尋找CLS協定時，至少應該用浏覽該表，以了解哪種功能有效。不要擔心你不熟悉這章表中的每一個含義，在這本書中你會學到它們。

表2.1 通能語言規范中的類型和功能

bool
char
byte
short
int
long
float
double
string
object(所有對象之母)

Arrays(數組)
數組的維數必須是已知的(>=1)，而且最小下標數必須為0。
要素類型必須是一個CLS類型。

類型(Types)
可以被抽象或隱藏。
零或更多的接口可以被實現。不同的接口允許擁有具有相同名字和簽名的方法。
一個類型可以准確地從一個類型派生。允許成員被覆蓋和被隱藏。
可以有零或更多的成員，它們是字段(fIElds)、方法、事件或者類型。
類型可以擁有零或更多個構造函數。
一種類型的可訪問性可以是公共的或者對NGWS組件來說是局部的；但是，僅公共成員可以認為是類型接口的一部分。
所有的值型必須從系統值型繼承。異常是一個枚舉——它必須從系統枚舉(System Enum)繼承。

類型成員
類型成員允許隱藏或者覆蓋另一種類型中的其它成員。
參數和返回值的類型都必須是 CLS 協定類型。
構造函數、方法和屬性可以被重載。
一個類型可以有抽象成員，但僅當類型不被封裝時。

方法
一種方法可以是靜態、虛擬或者實例。
虛擬和實例方法可以是抽象的，或者是一個實現。靜態方法必須總擁有一個實現。
虛擬方法可能是最後的(或者不是)。

字段(FIElds)
可以是靜態或者是非靜態。
靜態字段可以被描述或只初始化。

屬性
當獲取和設置方法而不是使用屬性語法時，屬性可以公開。
獲取的返回類型和設置方法的第一個參數必須是相同的CLS類型——屬性的類型。
屬性名字必須不同，不同的屬性類型用於區分是不充分的。
由於使用方法實現屬性訪問，如果 PropertyName 是同一個類中定義的一個屬性，你不能實現命名為 get_PropertyName 和 set_PropertyName 的方法。
屬性可以被索引。
屬性訪問必須遵循這種命名格式：get_ProName，set_PropName。

枚舉(Enumerations)
強調類型必須是byte、short、int 或long。
每一個成員是一個枚舉類型的靜態描述字段。
一個枚舉不能實現任何接口。
你允許給多字段設定相同的值。
一個枚舉必須繼承系統枚舉(隱含在C#中)

異常
可以被引發和被捕獲。
自定義異常必須繼承系統異常。

接口
可需要實現其它接口。
一個接口可以定義屬性、事件和虛擬方法。實現取決於派生類。

事件
增加和取消方法必須是都提供或者都沒有，每一種方法采用一個參數，它是一個從系統代表元(System Delegate)派生下來的類。

自定義屬性
可以僅使用下更類型：Type(類型),char, char, bool, byte, short, int, long, float, double, enum (一種CLS 類型), and object.

代表元(Delegates)
可以被創建和被激活

標識符(IdentifIErs)
一個標識符的第一個字母必須來自一限制集。
通過大小寫在單一范圍內，不可能唯一地區別兩個或更多個標識符(大小寫不敏感)。

2.2.4虛擬執行系統(VES)
虛擬執行系統實現了虛擬對象系統。通過實現一個負責NGWS runtime的執行引擎(execution engine，縮寫EE)創建VES。這個執行引擎執行你用C#編寫和編譯的應用程序。
下列組件為VES的一部分。
1、中間語言(IL)——被設計為很容易受各種各樣的編譯器所兼容。在該框架之外，C++、VB和C#編譯器都能夠生成IL。
2、裝入受管代碼——這包括解決內存中的名字、表層類(laying out classes )，並且創建JIT編譯所必需的存根。通過執行經常性校驗，包括加強一些訪問規則，類裝載器同樣也增強了安全性。
3、用JIT轉換IL成原始代碼——IL代碼並不是設計成為一種傳統的解釋字節代碼或樹型代碼，IL轉換是真正的編譯。
4、裝入元數據、校驗類型安全和方法的完整性
5、垃圾收集(GC)和異常處理——兩者都是基於堆棧格式的服務。受管代碼允許你動態地跟蹤堆棧。要動態地識別各個堆棧框架，JITter或其它編譯器必須提供一個代碼管理器。
6、描繪和查錯服務——兩者都取決於由源語言編譯器所生成的信息。必須發出兩個映射：一個映射從源語言結構發到指令流中的地址，一個映射從地址發到堆棧框架中的位置。當執行從IL到原始代碼的轉換時，這些映射被重新計算。
7、管理線程和上下文，還有遠程管理——VES為受管代碼提供這些服務。
雖然這個清單並不完整，但它足以讓你理解運行時基於的由VES提供的低層架構。肯定將會有專門討論運行時的書，而這本書將稍為深入地挖掘各種話題。

2.3 小結
這一章，我帶你逛了一回運行時的世界。我描述了當創建、編譯和配置C#程序時它是如何工作的。你學會了中間語言(IL)，還有元數據是如何用於描述被編譯為IL的類型。元數據和IL都用於JITter檢測和執行你的代碼。你甚至可以選擇用哪一種JITter來執行應用程序。
在這一章的第二部分，涉及到了運行時為何按這種方式工作的理論。你學了虛擬對象系統(VOS)和組成它的那部分。對於類庫設計者最為感興趣的就是通用語言規范(CLS)，它為基於VOS的語言交互操作設定規則。最後，你看到了虛擬執行系統(VES)如何通過NGWS runtime實現VOS。