 <展现 C#> （rainbow 翻译）- 第二章 NGWS Runtime
发信人: wuxq (很想好好休息), 信区: DotNET
标 题: <展现 C#> （rainbow 翻译）- 第二章 NGWS Runtime
发信站: BBS 水木清华站 (Mon Apr 30 13:43:25 2001)
第二章 NGWS runtime 技术基础
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，NG
WS 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(s
tub)，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JI
T。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 run
time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Ma
x 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，V
OS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 compil
er,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CL
S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(int
eroperability)。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。
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※ 来源:·BBS 水木清华站 smth.org·[FROM: 166.111.215.13]
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2004/11/9 2:25:00
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