2.2 .NET基礎知識

2.2.1 基本概念

1.公共類型系統

公共類型系統（Common Type System，CTS）是一個正式的規范，完整地描述了CLR所支持的所有數據類型和編程結構，指定了這些實體之間如何交互，并規定了它們在.NET元數據中如何表示。通常只有那些設計.NET平臺工具或者開發編譯器的人員才對CTS的內部工作非常關心，但是.NET編程人員必須了解CTS定義的常用類型，具體如表2-2所示。

另外，不同的語言用于聲明內建CTS數據類型的關鍵字一般是不同的，但是所有語言的關鍵字最終都將解釋成定義在mscorlib.dll程序集中的相同類型。

2.公共語言運行時

公共語言運行時（CLR）專為.NET Framework提供托管運行環境。我們開發的.NET程序都是基于CLR的類庫實現的，并運行在CLR的引擎之上，因此通常所說的.NET框架就是CLR。其主要作用是系統調用、內存管理、程序編譯啟動或停止、線程管理等，可以被支持.NET的所有語言和平臺共享。

（1）CLR版本

CLR是.NET Framework的子集，但是兩者的版本策略不同。截至2019年，微軟發布了4個版本的CLR，兩者對應關系如表2-3所示。

因此，使用ASP.NET Web Form開發的應用程序，在部署到IIS服務器時，不同的CLR版本需要選擇不同的托管管道模式，如圖2-5所示。

（2）CLR初始化加載

由于CLR是托管環境，因此運行時中的多個組件需要在執行任何代碼之前進行初始化。初始化時有60件以上的事情需要CLR幫助我們完成，60只是一個粗略的統計，具體的事件數量取決于當前系統使用的.NET運行時版本以及啟用了哪些功能。

以最簡單的控制臺程序為例，將“Hello World！”在控制臺窗口進行打印，代碼如下所示。

將上述.NET代碼生成可執行文件，運行時控制權會交由EE執行引擎，這個引擎由ceemain.cpp文件進行編譯，最終會通過EEStartupHelper()方法啟動執行。為了使它們更容易理解，我們將它們分為5個不同的階段，下面分別進行說明。

1）第一個階段主要對CLR加載時做基礎設施設置，如表2-4所示。

2）第二個階段主要對CLR核心和底層的組件做初始化配置，如表2-5所示。

3）第三個階段CLR開始啟動錯誤處理、分析API等功能，如表2-6所示。

4）第四個階段CLR開始啟動垃圾回收、AppDomain等功能，如表2-7所示。

5）第五個階段EE啟動后開啟通知其他組件等功能，如表2-8所示。

3.基礎類庫

基礎類庫（BCL）是由.NET平臺提供的，適用于全部.NET程序語言，封裝了線程、文件I/O、圖形繪制、硬件交互及其他應用服務等。比如，常見的命名空間System.*也屬于BCL。

BCL定義了一些可以創建任意類型應用軟件的基礎能力，如使用ASP.NET創建Web應用，使用WCF創建網絡通信服務，使用Windows Form/WPF創建桌面GUI應用，使用ADO.NET與關系數據庫交互、XML操作、文件系統交互等。

4.公共語言規范

公共語言規范（Common Language Specification，CLS）是一套規則，描述了.NET的編譯器必須支持的最小的和完全的特征集，以生成可由CLR承載的代碼，同時可以被所有.NET語言用統一的方式進行訪問。CLS和.NET語言之間的關系如圖2-6所示。

CLS可以看成CTS所定義完整功能的一個子集。.NET中可以使用特性來讓編譯器檢查代碼是否遵循CLS規則，代碼如下所示。

Add方法不遵循CLS，聲明時使用了無符號數unit，不符合CLS約束，因為某些.NET語言不支持無符號數unit。而第二個Sub方法遵循CLS，只在方法內部使用了無符號數（uint）x，并未在方法聲明時使用unit。

5.通用中間語言

通用中間語言（Common Intermediate Language，CIL）簡稱MSIL或IL，它運行于CLR之上，支持C#、Visual Basic.NET等托管的編程語言，當編譯器構建.NET程序集時就會把源碼翻譯成CIL，這樣可有效地轉換為本機代碼且獨立于CPU的指令。

CIL由一組CIL指令、CIL特性、CIL操作碼構成，下面分別對它們展開詳細介紹。

（1）CIL指令

CIL指令是用于描述.NET程序集總體結構的標記，并且通知CIL編譯器如何定義在程序集中用到的命名空間、類、成員。

以一個點號開頭，如.namespace、.class、.property、.method、.assembly等，具體說明如表2-9所示。

（2）CIL特性

CIL特性是在CIL指令并不能完全說明.NET成員和類的特性的情況下，對CIL指令進行補充說明的。比如一個自定義類聲明是公共的，繼承自某個父類，這時就需要用public、extends或implements特性對類的.class指令進行補充說明。圖2-7所示是一個.class指令的特性。

對于.class指令使用的特性，其使用說明如表2-10所示。

（3）CIL操作碼

CIL操作碼是對類或方法的內部邏輯進行描述和操作的代碼，比如Add操作碼表示將兩個值相加并將結果推送到堆棧中。Main方法操作碼如圖2-8所示。

CIL操作碼有很多，圖2-8中使用到的操作碼也是常見的，關于更多操作碼的詳細說明如表2-11所示。

6.Emit動態生成

.NET可以由VB、C#等語言進行編寫，這些語言會被不同的編譯器解釋為IL代碼并執行，而Emit類庫的作用就是用這些語言來編寫生成IL，并交給CLR進行執行。

.NET編譯后的每個.dll或.exe文件稱為程序集（Assembly），而在一個程序集中內部包含和定義了許多命名空間，這些命名空間被稱為模塊（Module），而模塊正是由一個個類型（Type）組成，如圖2-9所示。

所以我們必須先定義Assembly、Module、Type才能進行下一步工作，在Emit中所有創建類型均以Builder結尾，如表2-12所示。

（1）AssemblyBuilder和ModuleBuilder

由于創建程序集需要從Assembly開始創建，所以入口是AssemblyBuilder，而ModuleBuilder用于創建程序集中的模塊。通過這兩者可以動態生成包含類型和方法的程序集，代碼如下所示。

（2）TypeBuilder

TypeBuilder用于創建動態類型。可以使用DefineType方法來定義類型，并指定其名稱、基類、接口等信息，代碼如下所示。

（3）MethodBuilder

MethodBuilder用于創建動態方法。通過DefineMethod方法定義方法，然后使用GetIL-Generator獲取IL生成器，向方法中插入如下IL代碼。

下面是一段通過Emit動態技術實現控制臺輸出Hello World的完整示例，代碼如下：

首先需要引入類庫的命名空間System.Reflection.Emit，接著向IL生成器插入相應的操作碼，這些操作碼代表MSIL中的不同指令。比如使用OpCodes.Ldstr向堆棧壓入字符串Hello World！，OpCodes.Call調用Console.WriteLine方法，最后通過調用CreateType和CreateDelegate，可以將動態生成的類型轉換為委托，從而在運行時執行動態生成的代碼，啟動后控制臺輸出Hello World！，如圖2-10所示。

7.即時編譯

即時（JIT）編譯是一種執行計算機代碼的方式，在程序運行時而不是在執行之前進行編譯，JIT也是CLR的一部分，編譯器負責加快代碼執行速度，并提供對多平臺的支持，工作原理如圖2-11所示。

從圖2-11中可知，基于C#、VB.NET、F#開發的托管文件或.dll文件都不是本地代碼，不能像C或C++編寫的代碼那樣直接運行在CPU平臺上，因此啟動托管PE文件都會被JIT編譯成本地代碼運行。

由于即時編譯面臨性能損耗的問題，于是微軟又提供了預編譯方式，簡稱Pre-JIT，在.NET Framework中使用本機圖像生成器Ngen.exe將整個源代碼直接轉換為本地代碼，這樣就可以從緩存中使用本機代碼，而不是調用JIT編譯器。預編譯的工作原理如圖2-12所示。

這些方法在第一次調用時被編譯后存儲在緩存中，當再次調用相同的方法時，將使用緩存中的編譯代碼來執行，因此加快了執行速度。

與.NET Framework不同的是，.NET Core提供了一個叫作ReadToRun的功能，它可以預先將IL代碼編譯成本地代碼。要使用這個功能，只需在程序發布的時候執行CIL命令：dotnet publish -c Release -r win-x64 -p:PublishReadToRun=true，本質上ReadToRun也是AOT的一種形式。

另一種方式是使用.NET 5新增的AOT編譯功能，AOT編譯也是提前將IL代碼編譯成本地代碼，不同的是在發布時生成的單個文件還包含一個精簡版的本地運行時。

JIT編譯器的優點在于使用的內存較少，因為JIT編譯器僅將運行時所需的方法編譯為機器代碼。缺點是對性能的損耗，當龐大的應用程序最初執行時，JIT編譯器需要更多的啟動時間。