Процесс загрузки и исполнения кода в платформе NET

 

При выполнении исполняемого файла Windows анализирует заголовок ЕХЕ-файла на предмет необходимого для его работы адресного пространства – 32-или 64-разрядного. Файл с заголовком РЕ32 может выполняться в адресном пространстве любого из указанных двух типов, а файлу с заголовком РЕ32+ требуется 64-разрядное пространство. Windows также проверяет информацию о процессорной архитектуре на предмет совместимости с имеющейся конфигурацией.64-разрядные версии Windows поддерживают технологию выполнения 32-разрядных приложений в 64-разрядной среде, которую называют W0W64 (WindowsonWindows64). Она даже позволяет выполнять 32-разрядные приложения на машине с процессором Itanium за счет эмуляции команд х8б, но за это приходится расплачиваться снижением производительности.

После анализа заголовка ЕХЕ-файла для выяснения того, какой процесс запустить – 32-, 64-разрядный или WoW64, Windows загружает в адресное пространство процесса соответствующую (х86, х64 или IA64) версию библиотеки MSCorEE.dll. В Windows версии х86 одноименная версия MSCorEE.dll хранится в каталоге C:\Windows\System32. В версиях х64 и IA64 версия х86 библиотеки находится в каталоге C:\Windows\SysWow64, а 64-разрядная версия MSCorEE.dll (хб4 orIA64) размещается в каталоге C:\Windows\System32 (это сделано из соображений обратной совместимости).

Далее основной поток процесса вызывает определенный в MSCorEE.dll метод, который инициализирует CLR, загружает сборку ЕХЕ, а затем ее метод точки входа (Main). На этом процедура запуска управляемого приложения считается завершенной.

Как уже упоминалось, управляемые модули содержат метаданные и код на промежуточном языке (IL). IL – не зависящий от процессора машинный язык, это язык более высокого уровня в сравнении с большинством других машинных языков. Он позволяет работать с объектами и имеет команды для создания и инициализации объектов, вызова виртуальных методов и непосредственного манипулирования элементами массивов. В нем даже есть команды генерации и перехвата исключений для обработки ошибок. IL можно рассматривать как объектно-ориентированный машинный язык.

Для выполнения какого-либо метода его IL-код должен быть преобразован в машинные команды. Этим занимается JIT-компилятор CLR. Рассмотрим пример:

publicvoidMain()

{

Console.WriteLine(“HelloWorld”);

}

Непосредственно перед исполнением метода Main среда CLR находит все типы, на которые ссылается код Main. При этом CLR выделяет внутренние структуры данных, используемые для управления доступом к типам, на которые есть ссылки. В примере метод Main ссылается на единственный тип – Console, и CLR выделяет единственную внутреннюю структуру. Эта внутренняя структура данных содержит по одной записи для каждого метода, определенного в типе Console. Каждая запись содержит адрес, по которому можно найти реализацию метода. При инициализации этой структуры CLR заносит в каждую запись адрес внутренней, недокументированной функции, содержащейся в самой CLR. Это функция JIT Compiler.

Функции JIT Compiler известен вызываемый метод и тип, в котором он определен. JIT Compiler ищет в метаданных соответствующей сборки IL-код вызываемого метода. Затем JIT Compiler проверяет и компилирует IL-код в собственные машинные команды, которые сохраняются в динамически выделенном блоке памяти.

После этого JIT Compiler возвращается к внутренней структуре данных типа и заменяет адрес вызываемого метода адресом блока памяти, содержащего готовые машинные команды. В завершение JIT Compiler передает управление коду в этом блоке памяти. Этот код – реализация метода Write Line (той его версии, что принимает параметр String). Из этого метода управление возвращается в Main, который продолжает выполнение в обычном порядке.

Затем Main обращается к Write Line вторично. К этому моменту код Write Line уже проверен и скомпилирован, так что обращение к блоку памяти производится, минуя вызов JIT Compiler. Отработав, метод Write Line возвращает управление Main. Снижение производительности наблюдается только при первом вызове метода. Все последующие обращения выполняются «на полной скорости»: повторная верификация и компиляция не производятся.

JIT-компилятор хранит машинные команды в динамической памяти. Это значит, что скомпилированный код уничтожается по завершении работы приложения. Так что, если потом снова вызвать приложение или если одновременно запустить второй его экземпляр (в другом процессе ОС), JIT-компилятор заново будет компилировать IL-код в машинные команды.

Для большинства приложений снижение производительности, связанное с работой JIT-компилятора, незначительно. Большинство приложений раз за разом обращается к одним и тем же методам. На производительности это скажется только раз. К тому же, скорее всего больше времени занимает выполнение самого метода, а не обращение к нему.

Полезно также знать, что JIT-компилятор CLR оптимизирует машинный код аналогично компилятору неуправляемого кода C++. Создание оптимизированного кода занимает больше времени, но производительность его будет гораздо выше, чем неоптимизированного.

Многие авторитетные авторы считают, что управляемые приложения могут работать производительнее неуправляемых, и тому есть масса причин. Взять хотя бы тот факт, что превращая IL-код в команды процессора в период выполнения, JIT-компилятор располагает более полными сведениями о среде выполнения, чем компилятор неуправляемого кода. Ниже перечислены особенности, которые позволяют управляемому коду работать производительнее неуправляемого:

- JIT-компилятор может обнаружить факт выполнения приложения на Pentium 4 и сгенерировать машинный код, полностью использующий все преимущества особых команд этого процессора. Неуправляемые приложения обычно компилируют в расчете на среднестатистический процессор, избегая специфических команд, которые заметно повышают производительность приложения на новейших процессорах.

- JIT-компилятор может обнаружить, что определенное выражение на конкретной машине всегда равно false. Например, посмотрим на метод с таким кодом:

if (numberOfCPUs> 1)

{

…

}

Здесь number OfCPUs - число процессоров. Код указывает JIT-компилятору, что для машины с одним процессором не нужно генерировать никаких машинных команд. В этом случае машинный код оптимизирован для конкретной машины: он короче и выполняется быстрее.

- CLR может проанализировать выполнение кода и перекомпилировать IL-код в команды процессора во время выполнения приложения. Перекомпилированный код может реорганизовываться с учетом обнаруженных некорректных прогнозов ветвления.

Это лишь малая часть аргументов в пользу того, что управляемый код будущего будет исполняться лучше сегодняшнего неуправляемого. Производительность и сейчас очень неплохая для большинства приложений, а со временем ситуация только улучшится[1].

 

IL-код и верификация

 

IL ориентирован на работу со стеком, то есть все его команды помещают операнды в стек исполнения и извлекают результаты из стека. Поскольку в IL нет команд работы с регистрами, это упрощает работу разработчикам компиляторов для CLR: не нужно думать об управлении регистрами, да и команд в IL меньше (за счет отсутствия тех же команд работы с регистрами).

Команды IL не связаны и с типами. Например, IL-команда add складывает два последних операнда, помещенных в стек; нет отдельных 32- и 64-разрядной версий команды. При выполнении add определяет типы операндов в стеке и делает, что требуется.

Главное достоинство IL не в том, что он позволяет абстрагироваться от конкретного типа процессора, а в надежности и безопасности приложений. При компиляции IL в машинный код CLR выполняет верификацию, в процессе которой проверяется, все ли «безопасно» делает высокоуровневый IL-код: например, нужное ли число параметров передается методу и корректны ли их типы, правильно ли используются возвращаемые методами значения, имеют ли все методы операторы возврата и т.д. Все необходимые для верификации сведения о методах и типах есть в метаданных управляемого модуля.

В Windows у каждого процесса собственное виртуальное адресное пространство. Отдельные адресные пространства нужны потому, что нельзя полностью доверять коду приложения. Весьма вероятно, что приложение будет считывать или записывать данные по недопустимому адресу. Размещение каждого процесса Windows в отдельное адресное пространство позволяет добиться надежности: процесс не может нарушить работу других.

Между тем, верифицировав управляемый код, можно быть уверенным, что он не обратится некорректно к памяти и не повлияет на код другого приложения. Это значит, что можно выполнять несколько управляемых приложений в едином виртуальном адресном пространстве Windows.

Поскольку процессы в Windows требуют массу ресурсов ОС, наличие множества процессов отрицательно сказывается на производительности и ограничивает доступные ресурсы. Уменьшение количества процессов за счет запуска нескольких приложений в одном процессе ОС увеличивает производительность и снижает потребности в ресурсах, но никак не в ущерб надежности. Это еще одно преимущество управляемого кода перед неуправляемым.

CLR предоставляет возможность выполнения множества управляемых приложений в одном процессе ОС. Каждое управляемое приложение связано с доменом приложения (AppDomain). По умолчанию каждый управляемый ЕХЕ-модуль работает в собственном, отдельном адресном пространстве, где есть только один домен приложения. Однако процесс, являющийся хостом CLR (например, InternetInformationServices (IIS) или Microsoft SQL Server 2005), может выполнять домены приложений в одном процессе ОС[1].