CLR(公共語言運行時)

從編程開發的角度來簡單來說，CLR就相當於“執行/運行”我們所編寫程式的“環境/服務”。這就好比如我們組裝了一個賽車，我們的賽車需要依賴“跑道”作為一個環境，賽車才能進行飛馳。而這個“跑道”就類似於CLR。在Java平臺中程式員要向一臺電腦部署軟體時，要確保軟體運行，電腦上就要按照JVM（Java虛擬機），那麼這裡的“Java虛擬機”就相當於我們.NET平臺的CLR(Common Language Runtime，公共語言運行時)。

對CLR整體概況來說，CLR是一個軟體層面的代理服務，它負責管理.NET程式集的執行/運行，其中主要包括：

• 管理應用程式域
• 載入和運行程式集
• 安全檢查
• 線程管理
• 將CIL代碼即時編譯為機器代碼
• 異常處理機制
• 對象析構
• 垃圾回收

註意，這些執行項目並非發生在編譯時，而是發生在程式運行的過程中，也因此名稱中包含了“運行時”一說。

CLR是.NET框架中最核心的部分，從上述的講解中我們只能對CLR有個簡單的印象，通過幾句話或者某些概念也並非能夠對CLR有一個深刻的理解，如果你想要牢記它，就必須知道它的作用以及它的工作流程，接下來開始隨著本文開始更進一步的學習。

1.讀取程式集

CLR在對CIL語言代碼進行編譯前，需要先將編譯的環境運行起來並對程式集進行一個讀取過程，這個讀取過程其實也就描述出了程式集中的一個基本構造。

讀取過程如下：

1.1.文件格式

操作系統首先檢查文件是否是一個可執行文件，對於Windows操作系統而言可執行文件就是：“PE/COFF(windows可移植可執行/通用對象文件格式)”。在檢查完文件是否是可執行文件後，操作系統會在檢查文件格式中是否包含“CLR頭”，如果存在“CLR頭”，那麼操作系統就知道該文件是一個.NET程式集，需要區別於其他類型的可執行程式。

1.2.清單

在讀取到“CLR頭”確認文件是一個程式集之後，會讀取程式集中包含的清單（manifest）。這個清單相當於一個目錄，描述了程式集自身的基本信息。這其中包括：程式集的標識（名稱和版本）、描述構成程式集的所有文件、程式集所有外部依賴項的列表等。

1.3.元數據

清單之後就是元數據，在.NET中查看元數據的過程也叫做反射。如果說清單描述了程式集自身的信息，那麼元數據則描述了程式集包含了哪些內容項。這些內容項包括：程式集包含的模塊、類型、類型的成員、類型和類型成員的可見性等。另外要強調的是，元數據並不包含其中內容項的具體實現。

1.4.CIL和資源

在接下來就是：已經被編譯器轉換的CIL代碼和一個資源文件。CIL代碼也就是元數據中所有類型的具體實現，例如包括：方法體、欄位等。資源文件代表程式集所嵌套包含的文件，其中會包含一些如：jpg、xml、txt等文件。

2.非托管的CLR

托管代碼之所以被稱為托管代碼，是因為它是由CLR進行托管的，所以間接的可以猜測到CLR肯定不是托管代碼編寫的。這就是好比如警察負責捉小偷，總不能找個小偷去捉小偷吧。因為CLR本身是用於管理托管代碼的，因此它是由非托管代碼C++編寫的。另外我們可以通過命令行工具在本機上查看對應CLR運行時的版本，如圖：

3.CLR運行工作流程

操作系統首先會檢查程式集文件中是否包含PE頭和CLR頭，如果存在則會載入mscoree.dll組件，mscoree.dll是CLR中最重要的一個組件，又稱公共對象運行庫執行引擎。它在載入之後，會調用它其中的_CorExeMain函數，該函數會根據程式集而載入合適版本的CLR。

在CLR運行之後，程式的執行權就叫給了CLR。CLR會找到程式入口點，通常是Main()方法，然後執行它。這個執行過程包含以下內容：

3.1.載入類型 Class loader（類載入程式）

在執行“程式入口點”之前，CLR首先要找到“程式入口點”的所在的類型並且載入這個類型。

CLR中一個名為Class loader（類載入程式）的組件負責這項工作。它會從GAC、配置文件、程式集元數據中尋找這個類型，然後將它的類型信息載入到記憶體中。在Class loader找到並載入完這個類型之後，它的類型信息會被緩存起來，這樣就無需再次進行相同的過程。在載入這個類以後，還會為它的每個函數插入一個存根。

另外，在類型載入是時候，CLR不光會載入我們自定義的程式集，這其中還會與.NET的基礎類庫中的類型進行交互。也就是對mscorlib.dll這個程式集進行類型載入，這個程式集封裝了各種我們常用的編程類庫和核心的數據類型。

3.2.驗證

在CLR中，還存在一個驗證程式（verfier），該驗證程式的工作是運行時確保代碼是類型安全的。註意驗證兩個方面，一個是元數據是否正確，另一個是CIL代碼必須是類型安全的，類型的簽名必須正確。例如，代碼不允許以允許記憶體位置溢出的方式訪問對象的欄位、驗證檢查代碼以確定是否已正確生成 MSIL等等。

3.3.即時編譯JIT

運行CIL (公共中間語言/中間代碼) 前，必須通過CLR(公共語言運行時)將其編譯為目標電腦基礎結構的本機代碼，這個編譯就是由CLR中的即時編譯器（JIT）來完成的。

即時編譯只有在函數的第一次調用時發生。因為在Class loader（類載入程式）執行的時候會為每個函數插入一個存根。那麼在調用函數時，CLR會檢查函數對應的存根，如果沒有相應的存根，則JIT才會執行編譯，並將該函數被編譯後的本地機器代碼地址寫入到函數對應的存根中。當第二次對同一函數進行調用時，會再次檢查這個存根，如果發現其保存了本地機器代碼的地址，則直接跳轉到本地機器代碼進行執行，而無需再次進行JIT編譯。

另外基於這一現象，我門也從側面知道函數存根中存儲的就是，函數對應的本地機器代碼的地址。

通過結合上面文字描述後，我們將其整理繪製出，CLR運行整體工作流程圖：

總結

在實際的生活當中，往往工作了幾年的程式員都沒對.NET框架有一個基本的認識，有的時候還會在面試中被這個方面的問題“卡過喉嚨”。而我個人認為作為一個合格的.Net程式員，理解.NET框架是最基本的素質之一，這也是為了走向更遠的奠基石。

如果要深入瞭解更多關於CLR部分的內容，可以瀏覽下方官方地址：

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/clr