你的C#代码是怎么跑起来的（二）

2023-03-15 09:30:33

通过上篇文章知道了EXE文件的结构，现在来看看双击后是怎样运行的：

双击文件后OS Loader加载PE文件并解析，在PE Optional Header里找到基地址和RVA，通过这两个确定了程序的入口地址，这个地址指向MsCorEE.dll的_CorExeMain()，执行它。_CorExeMain()开始执行，选择加载合适版本的CLR，CLR开始运行，CLR运行时会分配一个连续的地址空间用作托管堆，并用一个指针NextObjPtr指到开始位置，下次分配内存时就从指针指的位置开始。

CLR运行后从CLR头里找到应用程序入口标识，也就是Main()方法的MethodDefToken，通过这个标识在元数据表MethodDef里找到Main方法的偏移位置，这样就可以找到Main()的IL代码。

CLR检查Main方法里面是否有没加载的类型，没有的话就加载进来并在托管堆上建一个类型对象，类型对象包含静态字段，方法，基类的引用。然后给类型的方法表里每个方法一个存根，存根是用于标识是否被JIT编译过。

JIT: just-in-time Compiler，即时编译器。

JIT编译之前CLR会对Main方法的代码进行验证，确保类型安全且元数据正确，一切没问题后先检查类型方法表里这个方法的存根，不为空的话表示已经编译过就不需要再次编译，没有的话JIT把这段IL代码编译成本地代码保存到内存中并方法表的存根做上标记，然后JIT返回编译前的位置并把原来CLR指向JIT的地址修改为指向本地代码的地址，这样函数的本地代码开始执行。程序执行到哪里就编译到哪里，没有执行到的就不会加载和编译，同样的代码再次执行的话就直接在内存里拿了，这也是为什么第一次运行C#时比较慢而后面就快的原因。这样就开始陆续执行所有的代码，程序也就跑起来了。

在内存上，运行线程会把函数的参数和局部变量压入线程栈上，栈上的空间默认是1M，方法的参数和局部变量都会压到函数的栈帧上，方法里的对象在托管堆NextObjPtr指向的位置分配内存并把内存地址存到栈上的局部变量里。CLR会给托管堆上的每个对象包括对象类型都添加两个字段，一个对象类型指针，一个同步块索引。

说起栈帧，大家在调试代码时应该都喜欢用CallStack吧，这可以通过看调用栈很方便来定位出问题的具体原因，这个CallStack也就是方法的栈帧的具体显示，一级一级的。

对象类型指针从字面上就很容易知道跟类型有关。CLR刚开始运行时就分配了一个Type的对象类型，他的对象类型指针指向自己，后面创建的对象类型的对象类型指针指针就指向这个Type，而new出来的对象的对象类型指针就指向它的类型，这样所有对象都能找到自己的类型使CLR在运行时能确保类型安全。

同步块索引的格式是前6个标志位加后面26位内容（32位系统），作用则有好几个。

1. 调用对象的gethashcode()后标志位改变一位，后26位会存储对象的hashcode，保证对象生命周期内hashcode的唯一；

2. lock时用到，CLR会维护一个同步块数组，每项由一个指向同步块的指针和对象指针组成，lock时同样改变标识位，然后去同步块数组找一个闲置项，后26则变成这项在数组中的索引，有人要问了，刚才hashcode不是用了这26位吗，现在变了，hashcode岂不是丢了。确实，hashcode在lock之后不能直接存到索引了，不过同步块中专门准备了一个字段用来存hashcode，所以可以转移到同步块中，这样设计是为了节省内存，因为大部分情况下是不用lock的，也就不需要增加多余的同步块。

另外为什么是索引而不是地址呢，因为同步块数组的大小不是固定的，随着对象的增多而变大，在内存上的位置可能会发生变化，所以用索引就不用管数组在哪个位置了。

当线程进入lock后检查同步块的m_motion，发现没有标识则进入lock区域并把标识改变，如果已经有同一个线程进去则把计数器加1，如果已经有其他线程则等待。

3. 垃圾回收时的标识，GC触发时首先认为所有的对象都是垃圾，由局部变量，寄存器，静态变量这些根向上找，凡是包含的对象都认为还有引用，在同步块索引上修改一位标识，当所有对象都遍历过后没有标识的对象就会被清掉，然后再是整理内存、修改引用地址等。

看个简单的例子，只用于演示，不考虑合理性：

 using System;

 namespace Test

 {

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

         {

             int height = ;

             int weight = ;

             People.Find();

             People developer = new Developer()(height, weight);

             bool isHealthyWeight = developer.IsHealthyWeight();

             bool isRich = developer.IsRich();

         }

     }

     class People

     {

         int _height;

         int _weight;

         public People(int height, int weight)

         {

             _height = height;

             _weight = weight;

         }

         public virtual bool IsRich();

         public bool IsHealthyWeight()

         {

             var healthyWeight = (Height - ) * 0.7;

             return Weight <= healthyWeight * 1.1 && Weight >= healthyWeight * 0.9;

         }

         public static string Find(string id) { return ""; }

     }

     class Developer : People

     {

         public Developer(int height, int weight) : base(height, weight)

         { }

         public override bool IsRich()

         {

             return false;

         }

     }

 }

*图片不清楚可以放大看

首先判断类型是否都加载，用到了int，bool，string，这些是在mscorlib.dll程序集的system命名空间下，所以先加载mscorlib.dll程序集，再把int，bool，string加到类型对象里。另外还有我们自己定义的Developer和People，也把类型对象创建好，另外也别忘了基类object，也要加载进来。（实际上还有double啊，这里就没画了）另外继承类的类型对象里面都有个字段指向基类，所以才能往上执行到基类方法表里的方法。

局部变量都在线程栈上，Find()方法是静态方法，直接去People类型对象的方法表里去找，找到后看是否有存根标识，没有的话做JIT编译，有的话直接运行。

developer的实例化虽然是用People定义的，但实例还是Developer，所以developer的类型对象指针指向Developer，对象里除了类型对象指针还有实例字段，包括基类的。内存分配在托管堆上，并把地址给到线程栈上的变量中。

虚函数也一样，在运行时已经确定是Developer，所以会调用Developer方法表里的IsRich方法，一样先JIT，再运行。

以上就是一个简单的C#程序的运行过程和在内存上的表现，本篇主要内容来自CLR via C#这本书，小弟算是总结一下，谢谢观看。

码农公寓

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