C#筆記 – CLR的執行模型（三） 類庫及語言規範

Framework類庫

• .NET Framework 包含 Framework類庫（Framework Class Library, FCL）
  • FCL是一組DLL程序集的統稱，類型數量太多，因此相關的類型會被放到單獨的命名空間，如：
    • System（包含了每個應用程序都要用到的基本類型：Object/…）
    • System.Data
    • System.IO
    • System.Text
    • 等等

通用類型系統

• CLR一切都圍繞類型展開，類型是CLR的根本
  • 類型向應用程序和其他類型公開了功能
  • 類型使兩種編程語言寫的代碼之間可以溝通
• Microsoft對「類型」的定義和行為制定了規範——「通用類型系統」（Common Type System, CTS）
  • Microsoft把CTS和.NET Framework的其他組件已交給ECMA完成標準化工作，最後形成的標準稱為「公共語言基礎結構」（Common Language Infrastructure, CLI）

CTS規範

• 一個類型可包含0個或多個成員
  • 字段
    • 作為對象狀態的數據變量
  • 方法
    • 針對對象執行操作的函數
    • 方法有一個名稱、簽名、一個/多個修飾符
      • 簽名指定參數數量及其類型、返回值及其類型
  • 屬性
    • 對於調用者像是字段
    • 對於實現者像是方法
  • 事件
    • 實現對象之間的通知機制
• 可見性規則及訪問規則
  • private
    • 同一個類內可訪問
  • family
    • 派生類可訪問，即使不在同一個程序集中
    • 在C#中，等價於protected
  • family and assembly
    • 派生類可訪問，且需要在同一程序集中
    • C#不存在該限制
  • assembly
    • 同一程序集中可訪問
    • C#中，等價於internal
  • family or assembly
    • 派生類或同一程序集中可訪問
    • C#中，等價於 protected internal
  • public
    • 完全公開
• 「代碼的語言」與「代碼的行為」
  • 無論使用哪一種語言，類型的行為都完全一致
  • 語言會以開發者自身最熟悉的方式公開它的語法和類型規則，在編譯成程序集時，它會再將其特有的語法映射到IL（CLR的「語言」）
  • 最終都是由CLR的CTS來定義類型的行為

公共語言規範

• CLR集成了所有語言，用一種語言創建的對象在另一種語言中，和用後者創建的對象具有相同地位，使得不同語言創建的對象之間可以進行相互通信
  • 各種編程語言之間存在極大區別，要創建很容易從其他編程語言中訪問的類型，只能從自己的語言中挑選其他所有語言都支持的功能 => 公共語言規範（Common Language Specification，CLS），它定義了一個最小功能集。
  • 任何編譯器只要支持這個功能集，生成的類型就能兼容其他符合CLS、面向CLR的語言生成的組件
• 不同於CLR/CTS，CLS定義的只是一個子集
  • 如果開發類型和方法時，希望它對外「可見」，能從符合CLS的任何編程語言中訪問，就需要遵守CLS定義的規則
• CLR/CTS提供的是一個功能集，如果開發者用IL匯編寫程序，就可以使用CLR/CTS全部功能，一般語言（如C#）只公開了部分的功能
  • CLS定義了不同的語言（如C#、Fortan、Visual Basic）之間都必須支持的最小功能集

• • CLS的完整規則列表：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/language-independence

• 在CLR中，類型的每個成員要麼是字段（數據），要麼是方法（行為）

• • 每一種編程語言都必須能訪問字段和調用方法
    • 在編程語言中，往往會對字段和方法進行了額外的抽象，從而使編程變得更簡單。比如以下概念的公開：
      • 枚舉
      • 數組
      • 屬性
      • 委托
      • 構造器
      • 操作符重載
      • 等等
    • 編譯器在源代碼中遇到其中任何一樣，都必須將其轉換成字段和方法，使CLR和其他任何編程語言可以訪問這些構造
      • 如下例的源碼與IL代碼：

      •   using System;
          
          internal sealed class Test
          {
              //Constructor
              public Test() { }
          
              //終結器
              ~Test() { }
          
              //操作符重載
              public static bool operator == (Test t1, Test t2) { return true; }
              public static bool operator != (Test t1, Test t2) { return false; }
              public static Test operator + (Test t1, Test t2) { return null; }
          
              //屬性
              public string AProperty
              {
                  get { return null; }
                  set { }
              }
          
              //索引器
              public string this[int x]
              {
                  get { return null; }
                  set { }
              }
          
              //事件
              event EventHandler AnEvent;
          }

• 當中大部分的構造都被編譯成了.method（方法）

  • op_Addition

    .method public hidebysig specialname static 
            class CLR_Via_CSharp_4._0.Test  op_Addition(class CLR_Via_CSharp_4._0.Test t1,
                                                        class CLR_Via_CSharp_4._0.Test t2) cil managed
    {
      // 程式碼大小       7 (0x7)
      .maxstack  1
      .locals init (class CLR_Via_CSharp_4._0.Test V_0)
      IL_0000:  nop
      IL_0001:  ldnull
      IL_0002:  stloc.0
      IL_0003:  br.s       IL_0005
      IL_0005:  ldloc.0
      IL_0006:  ret
    } // end of method Test::op_Addition

  • get_Item

    .method public hidebysig specialname instance string 
            get_Item(int32 x) cil managed
    {
      // 程式碼大小       7 (0x7)
      .maxstack  1
      .locals init (string V_0)
      IL_0000:  nop
      IL_0001:  ldnull
      IL_0002:  stloc.0
      IL_0003:  br.s       IL_0005
      IL_0005:  ldloc.0
      IL_0006:  ret
    } // end of method Test

  • 還有一些被編譯成了.field（字段）

    • AnEvent : private class [System.Runtime]System.EventHandler

      •   .field private class [System.Runtime]System.EventHandler AnEvent
          .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.CompilerGeneratedAttribute::.ctor() = ( 01 00 00 00 ) 
          .custom instance void [System.Diagnostics.Debug]System.Diagnostics.DebuggerBrowsableAttribute::.ctor(valuetype [System.Diagnostics.Debug]System.Diagnostics.DebuggerBrowsableState) = ( 01 00 00 00 00 00 00 00 )

  • 例子各構造與CLR字段/方法對應關係表

    • 成員	成員類型	對應的編程語言構造
      AnEvent	字段	事件
      .ctor	方法	構造器
      Finalize	方法	終結器
      add_AnEvent	方法	事件的add方法
      get_AProperty	方法	屬性的get方法
      get_Item	方法	索引器的get方法
      op_Addition	方法	+操作符的重載方法
      op_Equality	方法	==操作符的重載方法
      op_Inequality	方法	!=操作符的重載方法
      remove_AnEvent	方法	事件的remove方法
      set_AProperty	方法	屬性的set方法
      set_Item	方法	索引器的set方法

  • 另外還有.class、.custom、AnEvent、AProperty、Item的節點不屬於字段/方法

    • 這些節點標識了類型的其他元數據，它們只提供了一些額外信息，供CLR、編程語言或工具訪問
    • 在這些節點裡面，往往包含了指向其他方法節點的信息

      • AProperty

        •   .property instance string AProperty()
            {
              //指向了get_AProperty方法
              .get instance string CLR_Via_CSharp_4._0.Test::get_AProperty()
              //指向了set_AProperty方法
              .set instance void CLR_Via_CSharp_4._0.Test::set_AProperty(string)
            } // end of property Test::AProperty

      • AnEvent

        •   .event [System.Runtime]System.EventHandler AnEvent
            {
              //指向了add_AnEvent方法
              .addon instance void CLR_Via_CSharp_4._0.Test::add_AnEvent(class [System.Runtime]System.EventHandler)
              //指向了remove_AnEvent方法
              .removeon instance void CLR_Via_CSharp_4._0.Test::remove_AnEvent(class [System.Runtime]System.EventHandler)
            } // end of event Test::AnEvent

參考書目

• 《CLR via C#》（第4版） Jeffrey Richter