CLR 的执行模型（2）

第一章 CLR 的执行模型（2）

本篇内容大纲

1. Framework 类库(Framework Class Library , FCL)
2. 通用类型系统(Common Type System,CTS)
3. 公共语言规范(Common Language Specification,CLS)
4. 总结

一、Framework 类库(Framework Class Library , FCL)

1、mscorlib.dll （Microsoft Core Library,微软核心类库）

我们先来看个例子。新建一个控制台程序，然后在Main方法中输入如下代码：

1         static void Main(string[] args)

2         {

3             string str = "Hello World";

4             Console.WriteLine(str);

5         }

我们将光标放在 Console类型上，按F12转到定义，会跳转到:

#region 程序集 mscorlib.dll, v4.0.30319

// C:\Program Files (x86)\Reference Assemblies\Microsoft\Framework\.NETFramework\v4.0\mscorlib.dll

#endregion



using System.IO;

using System.Runtime.ConstrainedExecution;

using System.Security;

using System.Text;



namespace System

{

    // 摘要:

    //     表示控制台应用程序的标准输入流、输出流和错误流。此类不能被继承。

    public static class Console

    {

        // 略...

    }

}

从上面代码可以得知Console类型定义在mscorlib.dll中，然后我们再看我们的项目的引用：

　　我们的项目中并没有添加对mscorlib.dll的引用，甚至我们将所有的引用都删除，上面的代码还是可以正常运行。由此可以看出，不管我们是否引用mscorlib.dll程序集，它总是会自动引用进来。这个程序集中所包含的类库，就是微软核心类库（Mricrosoft Core Library），有些资料也称之为BCL （Base Class Library，基类库）。从名字就可以看出来，这个类库包含的都是些最基本的核心类型，其本身已经与IL语言融为一体了，为IL语言提供基础的编程支持，以至于该类库已经成为了LI标准的一部分（因此也可以说mscorlib.dll中的类型就是IL语言的类型，所有面向IL的语言都能够使用它们）。我们可以使用对象浏览器（Visual Studio菜单→视图→对象浏览器）来查看mscorlib.dll程序集中都包含了哪些命名空间和类型，如下图：
mscorlib.dll程序集：

可以看到该程序集下包含的主要是System命名空间，稍微细心一点的读者会发现，在新建项目的时候，还包含了System.dll程序集，并且其中所包含的类型与mscorlib中的类型十分相似。
System.dll程序集：

这又是怎么回事呢？实际上，只要点开System命名空间就会发现，mscorlib.dll的System命名空间下面定义的类型和System.dll的System命名空间下面定义的类型完全不同，它们之间并没有冲突之处。如下图:

mscorlib.dll 的 System命名空间下的类型	System.dll 的 System命名空间下的类型

从上面的几幅图我们就明白了：mscorlib.dll提供了像Console这样的类型来支持开发者编写类似控制台这样的程序。这也就解释了，为什么我们删除了项目的所有引用，而我们的

Console.WritLine(str);还是可以正常运行，其实头部的 这些个引用都是来自mscorlib.dll（这没了解这部分之前，小白的我一直以为这些using的命名空间是存在于System.dll中的。这段关于mscorlib.dll的介绍引自－子阳的博文）。

我们再来看下string text = “hello, world !”，其中的string从哪里来？从直觉来看，string在Visual Studio中以深蓝色呈现，属于C#的关键字，那么它应该是C#提供的内置类型。可是，当我们将光标移动到string上并按下F12时，转到string的定义时，看到的却是下面这样的内容：

#region 程序集 mscorlib.dll, v2.0.50727

// C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v2.0.50727\mscorlib.dll

#endregion



using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using System.Globalization;

using System.Reflection;

using System.Runtime.ConstrainedExecution;

using System.Runtime.InteropServices;

using System.Text;



namespace System

{

    // 摘要:

    //     表示文本，即一系列 Unicode 字符。

    [Serializable]

    [ComVisible(true)]

    public sealed class String : IComparable, ICloneable, IConvertible, IComparable<string>, IEnumerable<char>, IEnumerable, IEquatable<string>

    {

        //略。。。

    }

}

注意最上方的程序集地址，再次看到了mscorlib.dll，并且String类型与Console类型一样，同位于System命名空间下。由此可见，C#的关键字string，不过是BCL中System.String类型的一个别名而已。类似地，VB.NET中的String关键字也是BCL中的System.String类型的别名。因此，在.NET框架中，语言从本质上来说没有太大的区别，更多的区别是在语法方面。从上面的例子也可以看出，C#和VB.NET的很多语言能力并不是自己的，而是从IL“借”过来的这样做也保证了在不同语言中相应类型的行为是一致的。下表列出了几个典型的，不同语言关键字与IL类型的对应关系。
不同语言关键字与CIL类型的对应关系

CIL 类型	C# 关键字	VB.NET关键字
System.Byte	byte	Byte
Sytem.Int16	short	Short
System.Int64	long	Long

　　笔者觉得理解重于记忆，所以这里只列出了几个。要了解其他基础类型时，只要将光标移动到类型上，然后再按下F12键就可以了。大家可能听说过这样一种特殊的类型——基元类型(Primitive Type)。实际上，讲到这里大家应该已经明白了，那些由编译器直接支持，将语言本身的关键字类型转换为IL类型的，就叫做基元类型。显然，上面的byte、int、string都是基元类型。而C#中并没有一个关键字去映射Console，所以我们认为Console只是普通的类类型（Class Type）。

2、Framework Class Library，FCL（框架类库）

.NET Framework 中包含了Framework 类库(Framewokr Class Library, 框架类库)。FCL 是一组DLL程序集的统称(如上面介绍的 mscorlib.dll-Microsoft Core Library 就是FCL的一个子集)，其中包含有数千个类型定义，每个类型都公开了一些功能。从功能上来看，可以将FCL框架类库划分成以下几层。

• 最内一层，由BCL的大部分组成，主要作用是对.NET框架、.NET运行时及CIL语言本身进行支持，例如基元类型、集合类型、线程处理、应用程序域、运行时、安全性、互操作等。
• 中间一层，包含了对操作系统功能的封装，例如文件系统、网络连接、图形图像、XML操作等。
• 最外一层，包含各种类型的应用程序，例如Windows Forms、ASP.NET、WPF、WCF、WF等。

二、通用类型系统(Common Type System,CTS)

　　经过上面一节的了解，我们知道.NET Framework 包含了Framework Class Library（FCL） ，而FCL是一组DLL程序集的统称，这些个程序集为我们程序开发提供了很多功能，我们也可以扩展这些程序集和定义自己的程序集，而这些程序集的运行都是由CLR来管控的。所以，CLR 是完全围绕“类型”展开的（笔者认为：这里的“类型”不是指FCL中的类型，也不是指我们自定义的类型，而是一种更高层次的“类型”）。这里有点难以理解，请看下面的例子：
我们自定义个类型 Person
　　public class Person
　　{
　　　　// 省略实现
　　}
　　//实例化 Person 类型
　　Person  p1 = new Person();
　　Person  p2 = new Person();

对于以上代码，通常是这么描述的：定义了一个Person类，并且创建了两个Person类的实例p1、p2。实际上这只包含了两层含义如下表所示。
 类、类的实例

类	Person
类的实例	p1，p2

再思考一下就会发现，还有一个更高的层面，那就是Person这个类的类型，我们称之为类类型(Class Type)，因此上表可以改成:
类类型、类、类的实例

类类型	class
类	Person
类的实例	p1，p2

      类似的，还有枚举类型（Enum Type）、结构类型（(Struct Type）等。现在大家应该明白这里要表达的意思了，CLR 是围绕这些更高层次的“类型”展开的，而通过“类型”，用一种编程语言写的代码能与另一种语言写的代码沟通。由于类型是CLR的根本，所以Microsoft 制定了一个规范这些高层次”类型“的定义、规则或标准，即“通用类型系统”（Common Type System,CTS）,任何满足了CTS规则的高级语言就可以称为面向.NET框架的语言。C#和VB.NET不过是微软自己开发的一套符合了CTS的语言，实际上还有很多的组织或团体，也开发出了这样的语言，比如Delphi.Net、FORTRAN等。

      CTS规定了可以在语言中定义诸如类、结构、委托等类型，这些规则定义了语言中更高层次的内容。因此，在C#这个具体的语言实现中，我们才可以去定义类类型（Class Type）或者结构类型（Struct Type）等。

      同样，可以在Person类中定义一个字段name并提供一个方法ShowName()。实际上，这些也是CTS定义的，它规范了类型中可以包含字段（filed）、属性（property）、方法（method）、事件（event）等。

      除了定义各种类型外，CTS还规定了各种访问性，比如Private、Public、Family（C#中为Protected）、Assembly(C#中为internal)、Family and assembly(C#中没有提供实现)、Family or assembly(C#中为protected internal)。

      CTS还定义了一些约束，例如，所有类型都隐式地继承自System.Object类型，所有类型都只能继承自一个基类。从CTS的名称和公共类型系统可以看出，不仅C#语言要满足这些约束，所有面向.NET的语言都需要满足这些约束。众所周知，传统C++是可以继承自多个基类的。为了让熟悉C++语言的开发者也能在.NET框架上开发应用程序，微软推出了面向.NET的C++/CLI语言（也叫托管C++），它就是符合CTS的C++改版语言，为了满足CTS规范，它被限制为了只能继承自一个基类。

关于上面内容有两点需要特别说明：

      1）C#并没有提供Family and assembly的实现，C#中也没有全局方法(Global Method)。换言之，C#只实现了CTS 的一部分功能。，也就是说，CTS规范了语言能够实现的所有能力，但是符合CTS规范的具体语言实现不一定要实现CTS规范所定义的全部功能。

      2）C++/CLI又被约束为只能继承自一个基类，换言之，C++中的部分功能被删除了。就是说，任何语言要符合CTS，其中与CTS不兼容的部分功能都要被舍弃。

显然，由于IL是.NET运行时所能理解的语言，因此它实现了CTS的全部功能。虽然它是一种低级语言，但是实际上，它所具有的功能更加完整。C#语言和IL、CTS、CLR的关系，可以用下图表示：

 

三、公共语言规范(Common Language Specification,CLS)

　1、CLS的概念　

　　COM 允许使用不同语言创建的对象相互通信。现在，CLR集成了所有语言，允许在一种语言中使用另一种语言创建的对象。之所以能实现这样的集成，是以为CLR使用了标准类型集、元数据（自描述的类型信息）以及公共执行环境。
　　要创建能让其他编程语言访问的支持的类型，只能从自己的编程语言中挑选其他所有语言都确定支持的那些功能。为了在这个方面提供帮助，Microsoft 定义了一个”公共语言规范"（Common Language Specification,CLS），它详细定义了一个最小的功能集。任何编译器生成的类型想要兼容于其他”符合CLS、CTS，面向CLR的语言"所生成的组件，就必须支持这个最小的功能集。CLR/CTS 支持的功能比CLS定义的子集要多的多。CLR/CTS、CLS与具体语言实现的关系如下图1所示：

图一  ClR/CTS , CLS 与具体语言的关系	图二  未实现CLS规范的语言与其他符合CLS规范的语言关系

　　CLS是各种语言中定义的类型相互兼容的前提。每种语言都提供了CLR/CTS的一个子集以及CLS的一个超集（但不一定是同一个超集）。上图1描述：CLR/CTS 提供了一个功能集合。有的语言实现了CLR/CTS的一个较大的子集。例如，假定开发人员使用IL汇编语言写程序，那他就可以使用 CLR/CTS提供的所有功能。但是，其他大多数语言（比如 C#、F#、VB等）都只实现了CLR/CTS的一部分功能。CLS定义了所有语言都必须支持的一个最小的功能集合（如果各语言要相互兼容）。
　　具体来说，在开发类型和方法的时候，如果希望他们对外“可见”，能够从符合CLS的任何一种编程语言中访问，就必须遵守由CLS定义的规则。这里要注意的是：假如代码只是从定义（这些代码的）的程序集内部访问，CLS规则就不适用了。也就是说，我们在一种语言中定义的类型，希望在另一种符合CLS的语言中使用时，我们必须将定义的类型设置为public或者protected，并且不要在类型中使用位于CLS之外的功能。否则其他语言就不能访问我们定义的类型了，当然，假如某一种语言N#，它创建的类型和方法，不想被其他语言访问，那这个语言可以不用实现CLS的规范，这时这种语言和其他语言及CLR/CTS的关系如上图2。

2、Sample 理解CLS

　　下面我们来举个例子具体说明CLS：现在我们知道了 CLS是各种面向CLR/CTS的语言能相互操作必须满足的语言规范，而面向CLR的语言需要符合CTS的规范，加入我们现在开发一套面向CTS的语言，这种语言叫 N#,它实现的功能非常有限，它值只实现了CLS/CTS的非常小一部分功能，它和CLR/CTS、C#等其他语言的关系可能如下图3所示：

图三  自定义的面向CLR的语言N#	图四  自定义的面向CLR的语言N#

　　好，现在N#语言是面向CLR并且满足CTS规范，那我们就可以在.NET 平台下使用 N#提供的功能来开发了。但是现在有个问题，N#创建的类型和方法，C#语言能访问吗？从上图可以看出，显然是不能访问的。因为，虽然C#和N#都是面向CLR也符合CTS通用类型规则，但是它们并没有交集合。如果要N#和其他语言能相互兼容，那N#也必须符合CLS规范，N#和其他语言的关系就变成上图4所描述的那样了。至此，我们应该明白 CLS是个什么概念了。

3、检测定义的类型、方法是否符合CLS规范

　　我们如何去检测我们创建的类型和方法是否符合CLS的规范呢？.NET为我们提供了一个特性CLSCompliant，便于在编译时检查我们定义的类型或方法是否符合CLS。我们来看下面一个例子：

using System;



[assembly: CLSCompliant(true)]

//因为是public 类，所以会显示警告，如果是私有的，则不检测CLS规范

public class ValidateCLSDemo

{

    public string name;



    //警告1：仅大小写不同的标识符 ValidateCLSDemo.Name()不符合CLS

    public string Name()

    {

        return this.name;

    }

    //警告2：ValidateCLSDemo.GetInt() 的返回值类型不符合CLS

    public UInt32 GetInt()

    {

        return 0;

    }

    //私有方法，不显示警告

    private UInt32 getInt()

    {

        return 0;

    }

}

　　上述代码将[assembly:CLSCompliant(true)]应用与程序集，这个特性告诉编译器检查public的类型和方法，判断是否存在不符合CLS规范的内容，阻止了从其他编程语言中访问该类型。上述代码会显示两条警告，第二个警告是public的方法GetInt()返回了一个无符号的整数，有一些语言是不能操作无符号的整数的。第一个警告是存在两个public 的名为name的成员，只是大小写不同。VB和其他的语言无法区分这个两个成员的。这时，如果我们将ValidateCLSDemo类的public 去掉，再编译所有的警告都消失了。因为去掉了public 类就成默认的internal访问级别了，不再对程序集外部公开。要获得完整的CLS规则列表，可以参见：msdn-跨语言互操作性。
　　在CLR中类型的每个成员要么是字段，要么就是方法。这意味着每一种面向CLR的语言都能访问字段和调用方法。这些字段和方法通过特殊或者通用的方式来访问和调用。为了方便进行编程，语言通常提供了额外的抽象，对这些常见的编程模式进行了简化。例如：语言可能公开枚举、数组、属性、索引器、委托、事件、构造器、析构器、操作符重载、转换操作符等概念。编译器在源代码中遇到上述任何一种构造，都必须将其转换成 字段和方法，使CLR和其他语言能够访问这些结构。也就是说编译器最终编译成的IL代码中，只包含字段和方法，上面列出的具体语言提供的枚举、属性、等等结构都会被转换成字段和方法。可以使用 ILDasm.exe IL反编译工具来查看最终编译的托管模块中的IL代码。
关于IL代码的更多资料可以参见 赵姐夫的博客：老赵谈IL.

四、总结

　　到这里，《第一章：CLR的执行模型》已看完了。读完这两篇，我们只要明白以下几个问题：

1、什么是托管模块？托管模块中的包含哪些内容？
2、什么是程序集？程序集中包含那些内容，它和托管模块的关系？
3、程序集的执行过程-CLR JitCompiler对代码的编译过程？

4、.NET Framwork 框架 包含那些东西？核心是什么？
5、CLR、CTS、CLS、FCL都是什么东西？以及他们之间的包含关系？

以上问题也是面试中常见的问题，我希望看完这两遍博客的园友能在自己心里问问自己，我明白了这几个问题吗？

申明：本篇部分内容借鉴 张子阳的博文：.NET 架构

如发现文中有误，或有更好的建议，欢迎指出！

作者：邹毅