我眼中的IL, JIT,CTS, CLS,CLR

开发

一  概念及作用

1. IL代码：

1）概念：.NET框架中的中间语言（Intermediate Language）的缩写，IL还有另外的2种叫法：CIL，Common Intermediate Language；MSIL， MicrosoftIntermediate Language。

作用：使用.NET框架提供的编译器（例如VS）可以直接将源程序（例如C++,VB.NET，C#）编译为.exe或.dll文件，但此时编译出来的程序代码并不是CPU能直接执行的机器代码，而是一种中间语言IL（Intermediate Language）的代码。因此还需要通过JIT编译器进行二次编译，将IL代码转化成机器代码。

2）优点：使用中间语言的优点有两点，一是可以实现平台无关性，即与特定CPU无关，意思是对平台没有依赖性，不指定特定的CPU，可以跨平台跨系统，具有一定通用性；二是只要把.NET框架某种语言编译成IL代码，就实现.NET框架中语言之间的交互操作。

3）IL与程序集的关系：IL代码是程序集的核心部分。

4）.NET程序集的构成

从结构上看，一个.NET程序集（*.dll或者*.exe）包含以下几个部分：

 

Windows文件首部

Windows文件首部使程序集被Windows系列操作系统加载和操作。这些首部信息标识了应用程序将以什么类型（是基于控制台、基于图形用户界面还是*.dll代码库）驻留在Windows操作系统中。

 

CLR文件首部

为了驻留于CLR中，所有的.NET文件都必须含有CLR首部数据块，简单地讲，CLR文件首部定义了多个标记，它们使得运行时环境可以了解到托管文件的布局。

 

IL代码

IL代码是程序集的核心部分，是独立于平台和CPU的中间语言。在运行时，程序集内部的IL代码只在绝对必需的情况下才被（实时的JIT编译器）编译成特定平台和CPU的指令。”绝对必需”通常是指一段IL指令（例如一个方法实现）被CLR引用时。在这种机制下，.NET程序集可以在多种不同的架构、设备和操作系统下运行。

 

类型元数据

类型元数据完整地描述了程序集内含类型和引用外部类型的格式。.NET运行时环境利用元数据在内存的二进制布局类型中解析类型（以及类型的成员）的位置，使远程方法调用更便利。

 

程序集清单

清单（manifest,也称程序集元数据，是对程序集本身的自描述）详细记录了程序集中的每一个模块、构建程序集的版本以及该程序集引用的所有外部程序集。它提供有关程序集的类型、版本、区域性和安全要求等信息。

 

可选的嵌入资源

.NET程序集还可以包含一些嵌入资源，如应用程序图标、图像文件、声音片段或者字符串表。事实上，.NET平台支持卫星程序集（satellite assembly），这些程序集只包含本地化资源。在构建国际化软件系统的时候，我们可能想基于特定区域（英语、德语等）来对资源进行分类打包，这时候附属程序集就显得非常有用。

 

5）程序集加载流程：

IL 代码与资源（例如位图和字符串）一起作为一种称为程序集的可执行文件存储在磁盘上，通常具有的扩展名为 .exe 或.dll。

执行 C# 程序时，程序集将加载到 CLR 中，这可能会根据清单中的信息执行不同的操作。然后，如果符合安全要求，CLR 就会执行实时 (JIT) 编译以将 IL 代码转换为本机机器指令。

2. JIT编译器：

概念：JIT编译器，英文写作Just-In-Time Compiler，中文意思是即时编译器。

作用：JIT编译器能够将MSIL代码进行二次编译后成为各种不同的机器代码，以适应对应的系统和平台，最终使得程序在目标系统中得到顺利地运行。（帮助IL实现跨系统）

 

3. CTS: 公共类型系统(Common Type System)

CTS（通用类型系统）是一个正式的规范，它规定了类型必须如何定义才能被CLR承载。通过正式的规范来描述类型的定义和行为，所有.net框架下的目标语言定义的语言都要与CTS的类型进行映射对应，这样才能保证各语言之间的互操作性。

 

4.CLS：公共语言规范(Common Language Specification)

CLS限制了由各种语言不同特性而引发的互操作性问题,CLS制定了一种以.NET平台为目标的语言所必须支持的最小特征，

以及该语言与其他.NET语言之间实现互操作性所需要的完备特征。即.NET框架下的目标语言如果要实现互操作性，至少需要对CLS规范进行完全支持。

 

由图总结：

1） CTS定义类型，CLS定义规范，在共同定义的环境下实现以.Net平台为目标的各语言之间的互操作性。

2）CLS是各语言间实现互操作性的最低规范。但是内部使用语言时可以只满足CTS不满足CLS。  

3） CRL严格按照CTS进行实现。

 

5.CLR：公共语言运行时（Common Language RunTime）

概念：是.NET提供的一种运行环境，可以被支持.NET的所有语言和平台所使用。它负责执行用.NET语言开发的代码（可以理解为托管代码的操作系统）。CLR是适用于所有.NET语言的运行库。它用于执行和管理用任何一种针对.NET平台的语言编写的所有代码。

CLR负责的工作

1）加载.NET执行引擎（读取程序集）：

CLR中最重要的部分是由名为mscoree.dll的库（又称公共对象运行时执行引擎）物理表示的。当用户程序引用一个程序集，要使用它时，mscoree.dll将首先自动加载，然后由它负责将需要的程序集导入内存。运行时引擎负责许多任务，首要的任务是负责解析程序集的位置，并通过读取其中包含的元数据，在二进制文件中发现所请求的类型。接着，CLR在内存中为类型布局（内存分配），将关联的CIL编译成特定平台的机器指令，执行所有需要的安全检查，然后运行当前的代码。

2）加载.NET基础类库（类加载器）：

CLR会与包含在.NET基础类库的类型进行交互。虽然完整的基础类库被分为若干分离的程序集，但最重要的程序集是mscorlib.dll。mscorlib.dll包含大量核心类型，它们封装了各种常见的编程任务与.NET语言用到的核心数据类型。当建立一个.NET解决方案时，你可以自动访问这些程序集。

3） 内存管理(代码托管，内存分配，GC垃圾回收机制，字符串内存特殊管理)：

a.程序托管与内存管理：C#中应用程序不直接与操作系统（操作系统负责分配内存）打交道，应用程序先向CLR发请求，CLR再向操作系统请求分配内存。当内存不再使用时，应用程序无需告知CLR，由CLR发现内存不再引用，便会自动进行销毁，这就是托管的含义（CLR负责内存管理）  好处在于不用操心内存管理；坏处是过分依赖；

b. 字符串内存特殊管理，是通过字符串拘留池（重复字符串的优化）：程序中大量使用字符串，导致不少是重复的，为了降低内存占用，.NET的CRL可能会将代码中声明的字符串放到字符串拘留池中，由于字符串的不可变性，能保证实例的值在存储时具有稳定性（值不会被改变），因此可以将值相同的字符串共同指向同一个实例对象。并不是所有字符串都在拘留池中，.NET的CLR会判断哪些该放。

场景1：

String S1 = “abc”;

String S2 = ”abc”;

bool b = object.ReferenceEquals(s1,s2);

b为true 

解读：原本应该会是两个对象，但是由于字符串拘留池的存在， CLR进行了类似于重用处理，将值相同的字符串只产生一个string对象，大家共同指向这个对象，可以减少对内存的使用。因此该情况只针对于字符串类型成立。

 

场景2：

String S1 = “abc”;

String S2 = new string（”abc”.ToCharArry()）;

bool b = object.ReferenceEquals(s1,s2);

b为false

解读：该场景下创建了两个对象，因为只要通过new的方式，就一定会开辟新的内存空间，以此CRL就不能再进行重用优化了，变量存的地址指向不同的对象。

 

区别：只有固定生成的字符串值才能被CRL进行重用优化，进入字符串拘留池。动态生成的字符串值（new的方式）则没法被CLR优化，不会在字符串拘留池中。

 

拓展：

 只有在代码区中写的值内容才会有可能进字符串拘留池。

String S1 = “abc”;

String a1 = console.ReadLine();//输入a

String a2= console.ReadLine();//输入bc

String S2 = a1+a2;

bool b = object.ReferenceEquals(s1,s2);

b为false

 

4）CLR执行流程总结：

一图以蔽之：