CLR(公共语言运行时)

从编程开发的角度来简单来说，CLR就相当于“执行/运行”我们所编写程序的“环境/服务”。这就好比如我们组装了一个赛车，我们的赛车需要依赖“跑道”作为一个环境，赛车才能进行飞驰。而这个“跑道”就类似于CLR。在Java平台中程序员要向一台电脑部署软件时，要确保软件运行，电脑上就要按照JVM（Java虚拟机），那么这里的“Java虚拟机”就相当于我们.NET平台的CLR(Common Language Runtime，公共语言运行时)。

对CLR整体概况来说，CLR是一个软件层面的代理服务，它负责管理.NET程序集的执行/运行，其中主要包括：

• 管理应用程序域
• 加载和运行程序集
• 安全检查
• 线程管理
• 将CIL代码即时编译为机器代码
• 异常处理机制
• 对象析构
• 垃圾回收

注意，这些执行项目并非发生在编译时，而是发生在程序运行的过程中，也因此名称中包含了“运行时”一说。

CLR是.NET框架中最核心的部分，从上述的讲解中我们只能对CLR有个简单的印象，通过几句话或者某些概念也并非能够对CLR有一个深刻的理解，如果你想要牢记它，就必须知道它的作用以及它的工作流程，接下来开始随着本文开始更进一步的学习。

1.读取程序集

CLR在对CIL语言代码进行编译前，需要先将编译的环境运行起来并对程序集进行一个读取过程，这个读取过程其实也就描述出了程序集中的一个基本构造。

读取过程如下：

1.1.文件格式

操作系统首先检查文件是否是一个可执行文件，对于Windows操作系统而言可执行文件就是：“PE/COFF(windows可移植可执行/通用对象文件格式)”。在检查完文件是否是可执行文件后，操作系统会在检查文件格式中是否包含“CLR头”，如果存在“CLR头”，那么操作系统就知道该文件是一个.NET程序集，需要区别于其他类型的可执行程序。

1.2.清单

在读取到“CLR头”确认文件是一个程序集之后，会读取程序集中包含的清单（manifest）。这个清单相当于一个目录，描述了程序集自身的基本信息。这其中包括：程序集的标识（名称和版本）、描述构成程序集的所有文件、程序集所有外部依赖项的列表等。

1.3.元数据

清单之后就是元数据，在.NET中查看元数据的过程也叫做反射。如果说清单描述了程序集自身的信息，那么元数据则描述了程序集包含了哪些内容项。这些内容项包括：程序集包含的模块、类型、类型的成员、类型和类型成员的可见性等。另外要强调的是，元数据并不包含其中内容项的具体实现。

1.4.CIL和资源

在接下来就是：已经被编译器转换的CIL代码和一个资源文件。CIL代码也就是元数据中所有类型的具体实现，例如包括：方法体、字段等。资源文件代表程序集所嵌套包含的文件，其中会包含一些如：jpg、xml、txt等文件。

2.非托管的CLR

托管代码之所以被称为托管代码，是因为它是由CLR进行托管的，所以间接的可以猜测到CLR肯定不是托管代码编写的。这就是好比如警察负责捉小偷，总不能找个小偷去捉小偷吧。因为CLR本身是用于管理托管代码的，因此它是由非托管代码C++编写的。另外我们可以通过命令行工具在本机上查看对应CLR运行时的版本，如图：

3.CLR运行工作流程

操作系统首先会检查程序集文件中是否包含PE头和CLR头，如果存在则会加载mscoree.dll组件，mscoree.dll是CLR中最重要的一个组件，又称公共对象运行库执行引擎。它在加载之后，会调用它其中的_CorExeMain函数，该函数会根据程序集而加载合适版本的CLR。

在CLR运行之后，程序的执行权就叫给了CLR。CLR会找到程序入口点，通常是Main()方法，然后执行它。这个执行过程包含以下内容：

3.1.加载类型 Class loader（类加载程序）

在执行“程序入口点”之前，CLR首先要找到“程序入口点”的所在的类型并且加载这个类型。

CLR中一个名为Class loader（类加载程序）的组件负责这项工作。它会从GAC、配置文件、程序集元数据中寻找这个类型，然后将它的类型信息加载到内存中。在Class loader找到并加载完这个类型之后，它的类型信息会被缓存起来，这样就无需再次进行相同的过程。在加载这个类以后，还会为它的每个函数插入一个存根。

另外，在类型加载是时候，CLR不光会加载我们自定义的程序集，这其中还会与.NET的基础类库中的类型进行交互。也就是对mscorlib.dll这个程序集进行类型加载，这个程序集封装了各种我们常用的编程类库和核心的数据类型。

3.2.验证

在CLR中，还存在一个验证程序（verfier），该验证程序的工作是运行时确保代码是类型安全的。注意验证两个方面，一个是元数据是否正确，另一个是CIL代码必须是类型安全的，类型的签名必须正确。例如，代码不允许以允许内存位置溢出的方式访问对象的字段、验证检查代码以确定是否已正确生成 MSIL等等。

3.3.即时编译JIT

运行CIL (公共中间语言/中间代码) 前，必须通过CLR(公共语言运行时)将其编译为目标计算机基础结构的本机代码，这个编译就是由CLR中的即时编译器（JIT）来完成的。

即时编译只有在函数的第一次调用时发生。因为在Class loader（类加载程序）执行的时候会为每个函数插入一个存根。那么在调用函数时，CLR会检查函数对应的存根，如果没有相应的存根，则JIT才会执行编译，并将该函数被编译后的本地机器代码地址写入到函数对应的存根中。当第二次对同一函数进行调用时，会再次检查这个存根，如果发现其保存了本地机器代码的地址，则直接跳转到本地机器代码进行执行，而无需再次进行JIT编译。

另外基于这一现象，我门也从侧面知道函数存根中存储的就是，函数对应的本地机器代码的地址。

通过结合上面文字描述后，我们将其整理绘制出，CLR运行整体工作流程图：

总结

在实际的生活当中，往往工作了几年的程序员都没对.NET框架有一个基本的认识，有的时候还会在面试中被这个方面的问题“卡过喉咙”。而我个人认为作为一个合格的.Net程序员，理解.NET框架是最基本的素质之一，这也是为了走向更远的奠基石。

如果要深入了解更多关于CLR部分的内容，可以浏览下方官方地址：

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