.NET框架

三年前写的《.NET之美》的第六章，现在书名改为了《.NET专题解析》。

本书是一本讲解.NET技术的书籍，目标读者群也是在.NET框架（.NET Framework）下进行开发的程序员，因此我们无法回避的问题就是：什么是.NET框架？它包含了哪些内容？为开发程序提供了哪些支持？很多朋友对这 类个问题的第一反应可能是.NET框架所提供的庞大类库及编写代码所采用的C#语言，实际上远不止这些。

要描述.NET框架，自然会遇到与其相关的一系列专业的技术术语和缩写，相信大家已经见到过许多了，比如：CLI、CIL、CTS、CLS、 CLR、JIT、BCL、FCL、Module、Assembly 等，足以让很多人一头雾水、望而却步。笔者不会像字典一样按首字母排序对术语进行逐一解释，因为这样还是难以理解。我们还是从大家最熟悉的东西开始吧！

6.1 引子

设想一下：编写下面这样一个最简单的显示“Hello, World！”的控制台程序，并将该程序运行起来需要哪几个步骤呢？

using System;
 
class Program {
    static void Main(string[] args) {
        string text = "hello, world!";
        Console.WriteLine(text);
    }
}

这些步骤包括：打开Visual Studio，创建一个C#控制台应用程序项目（在这里将它命名为ConsoleApp），编写代码，编译程序然后运行。虽然这样的程序谁都会写，但是再多进行一下思考就会发现，尽管是一个很小的程序，但已经引入了.NET框架的几个重要方面。

如果创建一个VB.NET类型的项目，实现和上面C#项目完全一样的功能，那么编译后生成的文件有什么区别？

编写控制台应用程序，将字符输出到屏幕，需要调用Console.WriteLine()方法。这个Console类型从何而来呢？

生成的文件在系统中是如何运行起来的？其机制和使用传统VC++生成的可执行文件是否相同？

其实，上面每一个问题的答案都包含.NET框架所提供的支持，这里将它分为三个部分：

• 对于编译后生成的文件格式和内容，.NET中存在着诸多规范。符合这些规范的程序语言，也叫做面向.NET的语言。编译后生成的文件都可以在.NET运行时下执行，这就是大家所熟知的.NET多语言支持。
• 在开发阶段，.NET提供了一个庞大的类库，支持开发者快速开发各种应用程序，也支持程序语言设计者开发其语言编译器。
• 在程序执行阶段，.NET提供了一个程序运行时的环境，这个运行时环境帮助我们管理内存、实时编译程序、进行安全检查、执行垃圾回收等。

接下来就针对上述内容开始为大家详细讲述。

6.2 CIL——公共中间语言

首先要了解的就是C#程序源码在编译之后会得到什么样的一个文件。大家知道，过去使用VC++生成的可执行文件，经过预编译、编译、汇编、链接几个
步骤后，最终生成的可执行文件中就已经包含了处理器的本地代码（Native
Code），支持它运行的只是操作系统和本地的机器指令集。那么采用C#编译器生成的文件又是什么呢？现在需要引入程序集这个概念：在.NET框架下，类
似C#这样的高级语言经过编译后生成的结果文件被称做程序集，其后缀名是.dll（类库）或.exe（可执行程序）。在引入这个概念之前，前面（上一节）
提到程序集时，都是用“文件”这个词来描述的。

程序集的定义只是给编译后生成的文件一个稍微正式一点的名称，对于解释“它是由什么构成的”这个问题并没有太大的帮助。为了进一步了解程序集，我们
再来做一个试验，使用VB.NET创建一个控制台应用程序项目（ConsoleAppVB），并生成一个程序集，代码功能和上面用C#创建的项目是一样的
的。

Module Program
Sub Main()
Dim text AsString = "hello, world !"
        Console.WriteLine(text)
EndSub
EndModule

现在，需要一个工具来查看这个程序集的内容，并且与C#项目生成的程序集进行对比。还好，微软已经提供了一个利器——IL DASM（IL
Disassembler，IL反汇编程序）来帮助开发者查看程序集的信息。如果安装了Visual Studio，IL DASM将会随同Visual
Studio一起安装。依次选择开始菜单→ Microsoft Visual Studio 2010 → Microsoft Windows
SDK Tools →IL 反汇编程序(IL DASM)可以启动IL DASM。

打开IL DASM后选择VB.NET项目生成的ConsoleAppVB.exe，可以看到如图6-1所示的界面。

图6-1 IL DASM 运行界面

这部分内容很多，会在下一章“程序集”中进行专门讲述，，这里暂且略过。展开图6-1中的ConsoleAppVB.Program类型，在
Main()方法上双击，会弹出另外一个窗口，显示图6-2中的代码，看上去有点像汇编语言。在这里可以看到熟悉的string
text变量声明及“hello, world !”。

图6-2 方法体的CIL语言描述（VB.NET）

接下来再打开C#项目生成的ConsoleApp.exe，进行同样的操作，在打开Main()方法后会发现其中的代码与图6-2中几乎完全一样，如图6-3所示

图6-3方法体的CIL语言描述（C#）

至此，可以得到一个初步的推断：不管是VB.NET还是是C#，编译之后的程序集都能够用IL DASM打开，因此它们生成的程序集的格式都是相同的；当程序所实现的功能相同时，程序集所包含的CIL代码也是类似的。

现在对上面程序集中所包含的类似汇编的语言做一下介绍，即是本节标题中的CIL（Common Intermediate
Language，公共中间语言）。CIL最初是随着.NET由微软一起发布的，因此之前也叫做MSIL（Microsoft Intermediate

Language），后来进行了标准化，之后便被称做CIL。在一些书或文章中，CIL也会简写为IL，其实都是指同样的东西。为了避免混淆，本书统一用
CIL这个缩写。

我们可以将上面的过程用图6-4来表示出来。

图6-4 源程序编译为了程序集

接下来再深入地分析一下，公共中间语言这个术语到底包含了哪几层含义。

• 公共。因为不论是C#语言也好，VB.NET语言也好，C++/CLI语言也好，甚至是重新开发的一套以自己的名字缩写命名的语言，只要它期望运行的目标平台是.NET，在经过相应的编译器编译之后，所生成的程序集就是由CIL语言代码描述的。
• 中间。这个词也是大有深意，为什么不叫公共机器语言（Common Machine Language），或者公共本地语言（Common
  Native
  Language）？因为这种语言只是比我们使用的高级语言，比如C#低级一点，并不是CPU可以直接执行的本地机器语言。这种语言还需要.NET运行时
  （.Net
  runtime）环境的支持，在执行之前，进行一个被称为Just-in-time（即时）的二次编译过程，才能转变成计算机可以识别的指令。关
  于.NET运行时，以及详细过程后面再介绍，现在只要知道，这个文件所包含的CIL代码并非机器可以直接执行的指令代码。
• 语言。CIL不过是一种程序语言，只不过相对于C#来说，它是一种更低级语言。从图6-2
  的代码截图中，已经可以看到，CIL是一种基于堆栈的语言，同时，它提供了class、interface、继承、多态等诸多面向对象的语言特性，因此它
  又是完全面向对象的语言。如果愿意，甚至可以直接编写CIL代码，并且使用CIL的编译工具IL ASM（IL
  Assembler，IL汇编程序）来对它进行编译。只不过，和大多数低级语言一样，这种方式会使开发效率会变得很低。这里注意区别一下IL
  ASM和IL DASM，它们的拼写是不同的。

为了加深一下印象，我们来做一个试验：编写一段简单的CIL代码，并且使用IL ASM工具对其进行编译，得到和前面一样的ConsoleApp.exe程序。

1）打开记事本程序，输入下面的代码，然后将其保存在D:\ConsoleApp.il。

.assembly extern mscorlib{}
.assembly ConsoleApp{}
.module ConsoleApp.exe
.class public auto ansi Program extends System.Object
{
    .method public static void Main()
    {
        .entrypoint
        nop
        ldstr "Hello, World!"
        call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
        nop
        ret
    }
}

2）打开Visual Studio 2010命令行工具，输入：

D:\>ilasm ConsoleApp.il

3）成功后会看到ConsoleApp.exe程序，它的执行结果和上面用C#编写的完全一样。

由于程序集是由CIL语言所描述的，因此CIL也叫做程序集语言（Assembly
Language）。又因为.NET程序集需要由.NET运行时加载才能运行，可以视其为由.NET运行时进行管理的，所以CIL代码也叫做托管代码
（Managed Code）。相对的，不需要.NET运行时就可以执行的代码就叫做非托管代码（Unmanaged Code）。

好了，已经知道了CIL的存在，从现在开始，最好在头脑里建立起两个模型或两种视角：一种是基于C#或其他高级语言的源程序的视角，一种是基于
CIL中间语言的程序集视角。C#源程序在被编译为程序集以后，就独立于C#，因此程序集可以由其他种类的语言所调用；同时，因为程序集并没有包含本地机
器的指令，所以它与具体的机器类型也分隔开了，可以被装有.NET框架的任何机器运行。

6.3 BCL和FCL

6.3.1 BCL——基类库

我们先来看一个有意思的现象：再次打开前面创建的C#控制台项目（ConsoleApp），然后在解决方案面板下打开“引用”文件夹，如果用的是Visual Studio 2010，并且面向的目标框架是.NET 4.0版本，那么将会看到如图6-5所示的这些引用。

图6-5 解决方案中的“引用”文件夹

在创建项目时并没有做任何额外的操作，那么这些引用显然是在创建项目时自动添加的。为了方便初学者，这里稍微解释一下：要使用（实际上笔者觉得
Consume这个词表达的更贴切）其他开发者所设计的类型，就需要在项目中将该类型所在的程序集引用进来。现在看到的这些程序集引用，都是微软认为很常
用的，几乎是每个项目都会使用到的，所以在创建项目时自动添加了进来，免得开发者再手动进行添加。

但是在这里这些引用不利于我们理解一些内容，所以我们把这些引用全部删除掉，如图6-6所示，然后再次编译程序。

图6-6 删除掉所有的项目引用

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
 
namespace ConsoleApp {
    classProgram {
        staticvoid Main(string[] args) {
            string text = "Hello, world!";
            Console.WriteLine(text);
        }
    }
}

可能有人会认为，在删掉这些引用之后，编译器将会毫不客气地提示编译错误：未能找到类型或命名空间“System”（是否缺少using指令或程序
集引用？）。可实际上，当编译并运行上面的代码时，程序会正确无误地执行。这是因为我们已经删掉了所有引用的程序集，只定义了一个Program类型，并
没有定义Console类型，所以此时要面对的第一个问题就是：Console类型从哪里来？

Visual
Studio提供了一个快捷的办法使我们可以快速查看类型：将光标定位在Console上，然后按下键盘上的F12，就可以看到Console的类型定
义。在Console类型定义的最上方，可以看到它所在的程序集地址：C:\Program Files\Reference
Assemblies\Microsoft\Framework\.NETFramework\v4.0\mscorlib.dll。

#region 程序集 mscorlib.dll, v4.0.30319
// C:\Program Files\Reference Assemblies\Microsoft\Framework\.NETFramework\v4.0\mscorlib.dll
#endregion
using System.IO;
using System.Runtime.ConstrainedExecution;
using System.Security;
using System.Text;
 
namespace System {
    public static class Console {
        // 中间略
    }
}

可以看到Console类型来自于mscorlib.dll这个程序集。从上面的实验可以看出，不管我们是否引用mscorlib.dll程序集，
它总是会自动引用进来。这个程序集中所包含的类库，即是本节标题中的BCL（Base Class
Library，基类库）。从名字就可以看出来，这个类库包含的都是些最基本的类型，其本身已经与CIL语言融为一提了，为CIL语言提供基础的编程支
持，以至于该类库已经成为了CLI标准的一部分（后面会介绍，因此也可以说BCL中的类型就是CIL语言的类型，所有面向CIL的语言都能够使用它们。我
们可以使用对象浏览器（Visual
Studio菜单→视图→对象浏览器）来查看mscorlib.dll程序集中都包含了哪些命名空间和类型，如图6-7所示。

图6-7 mscorlib.dll中包含的命名空间

可以看到该程序集下包含的主要是System命名空间，稍微细心一点的读者会发现，在新建项目的时候，还包含了System.dll程序集，并且其中所包含的类型与mscorlib中的类型十分相似。

图6-8 System 程序集

图6-9 System.dll中包含的命名空间

这又是怎么回事呢？实际上，只要点开System命名空间就会发现，mscorlib.dll的System命名空间下面定义的类型和System.dll的System命名空间下面定义的类型完全不同，它们之间并没有冲突之处。

现在就明白了：BCL提供了像Console这样的类型来支持开发者编写类似控制台这样的程序。

既然已经思考了这么多，不妨再深入一下，思考这样一个问题：写下的这条语句string text = “hello, world
!”，其中的string从哪里来？从直觉来看，string在Visual
Studio中以深蓝色呈现，属于C#的关键字，那么它应该是C#提供的内置类型。可是，当我们将光标移动到string上并按下F12时，转到
string的定义时，看到的却是下面这样的内容：

#region 程序集 mscorlib.dll, v4.0.30319
// C:\Program Files\Reference Assemblies\Microsoft\Framework\.NETFramework\v4.0\mscorlib.dll
#endregion
 
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
// 为了节约篇幅，省略了一些using
 
namespace System {
    public sealed class String : IComparable, ICloneable, IConvertible, IComparable<string>, IEnumerable<char>, IEnumerable, IEquatable<string> {
    // 省略定义
    }
}

注意最上方的程序集地址，再次看到了mscorlib.dll，并且String类型与Console类型一样，同位于System命名空间下。由
此可见，C#的关键字string，不过是BCL中System.String类型的一个别名而已。类似地，VB.NET中的String关键字也是
BCL中的System.String类型的别名。因此，在.NET框架中，语言从本质上来说没有太大的区别，更多的区别是在语法方面。从上面的例子也可
以看出，C#和VB.NET的很多语言能力并不是自己的，而是从CIL“借”过来的这样做也保证了在不同语言中相应类型的行为是一致的。

表6-1列出了几个典型的，不同语言关键字与CIL类型的对应关系。笔者觉得理解重于记忆，所以这里只列出了几个。要了解其他基础类型时，只要将光标移动到类型上，然后再按下F12键就可以了。

表6-1不同语言关键字与CIL类型的对应关系

CIL 类型	C# 关键字	VB.NET关键字
System.Byte	byte	Byte
Sytem.Int16	short	Short
System.Int64	int	Integer

从表6-1可以看出，.NET同时也对语言开发者提供支持.如你需要设计一款语言，那么在开发编译器时将语言的关键字映射为CIL中的类型就可以了，也就是说，对自己语言中的一些特殊符号（关键字）进行映射处理，就好像C#中的关键字int和string一样。

大家可能听说过这样一种特殊的类型——基元类型(Primitive
Type)。实际上，讲到这里大家应该已经明白了，那些由编译器直接支持，将语言本身的关键字类型转换为CIL类型的，就叫做基元类型。显然，上面的
byte、int、string都是基元类型。而C#中并没有一个关键字去映射Console，所以我们认为Console只是普通的类类型（Class
Type）。

6.3.2 FCL——框架类库

作为一名.NET程序员，每天都要打交道的就是FCL了（Framework Class
Library，框架类库）。在上一节中介绍了BCL，它是FCL的一个子集。BCL中包含了与编译器及CIL语言关系紧密的核心类型，以及常见开发任务
中都会使用到的类型。而FCL包含的内容极多，仅服务于一种应用场景的子类库就足够写一本书了，这里仅简单对它进行介绍。

从功能上来看，可以将FCL框架类库划分成以下几层。

• 最内一层，由BCL的大部分组成，主要作用是对.NET框架、.NET运行时及CIL语言本身进行支持，例如基元类型、集合类型、线程处理、应用程序域、运行时、安全性、互操作等。
• 中间一层，包含了对操作系统功能的封装，例如文件系统、网络连接、图形图像、XML操作等。
• 最外一层，包含各种类型的应用程序，例如Windows Forms、Asp.NET、WPF、WCF、WF等。

6.4 CTS——公共类型系统

假设要开发一套新的语言，这种语言和C#或VB.NET一样，在编译后也能够生成CIL代码，也可以在.NET环境下运行，那么首先需要什么呢？

根据6.2节所讲述的内容我们知道，要开发的新语言相当于CIL的高级语言版本，所以实际上要做什么并不是由新语言决定的，而是由CIL来决定的。
因此，需要一套CIL的定义、规则或标准。这套规则定义了我们的语言可以做什么，不可以做什么，具有哪些特性。这套规则就称作CTS（Common
Type
System，公共类型系统）。任何满足了这套规则的高级语言就可以称为面向.NET框架的语言。C#和VB.NET不过是微软自己开发的一套符合了
CTS的语言，实际上还有很多的组织或团体，也开发出了这样的语言，比如Delphi.Net、FORTRAN等。

那么CTS具体包括哪些内容呢？在回答这个问题之前我们需要弄清楚一个概念。还是通过一段C#代码来说明，先看下面几行代码：

public class Book {
// 省略实现
}
Book item1 = new Book();
Book item2 = new Book();

对于以上代码，通常是这么描述的：定义了一个Book类，并且创建了两个Book类的实例item1、item2。实际上这只包含了两层含义如表6-2所示。

表6-2 类、类的实例

类	Book
类的实例	item1，item2

再思考一下就会发现，还有一个更高的层面，那就是Book这个类的类型，我们称之为类类型(Class Type)，因此上表可以改成如表6-3所示。

表6-3 类类型、类、类的实例

类类型	class
类	Book
类的实例	item1，item2

类似的，还有枚举类型（Enum Type）、结构类型（(Struct
Type）等。现在大家应该明白这里要表达的意思了，CTS规定了可以在语言中定义诸如类、结构、委托等类型，这些规则定义了语言中更高层次的内容。因
此，在C#这个具体的语言实现中，我们才可以去定义类类型（Class Type）或者结构类型（Struct Type）等。

同样，可以在Book类中定义一个字段name并提供一个方法ShowName()。实际上，这些也是CTS定义的，它规范了类型中可以包含字段（filed）、属性（property）、方法（method）、事件（event）等。

除了定义各种类型外，CTS还规定了各种访问性，比如Private、Public、Family（C#中为Protected）、
Assembly(C#中为internal)、Family and assembly(C#中没有提供实现)、Family or
assembly(C#中为protected internal)。

CTS还定义了一些约束，例如，所有类型都隐式地继承自System.Object类型，所有类型都只能继承自一个基类。从CTS的名称和公共类型
系统可以看出，不仅C#语言要满足这些约束，所有面向.NET的语言都需要满足这些约束。众所周知，传统C++是可以继承自多个基类的。为了让熟悉C++
语言的开发者也能在.NET框架上开发应用程序，微软推出了面向.NET的C++/CLI语言（也叫托管C++），它就是符合CTS的C++改版语言，为
了满足CTS规范，它被限制为了只能继承自一个基类。

关于上面内容有两点需要特别说明：

1）C#并没有提供Family and assembly的实现，C#中也没有全局方法(Global
Method)。换言之，C#只实现了CTS
的一部分功能。，也就是说，CTS规范了语言能够实现的所有能力，但是符合CTS规范的具体语言实现不一定要实现CTS规范所定义的全部功能。

2）C++/CLI又被约束为只能继承自一个基类，换言之，C++中的部分功能被删除了。，就是说，任何语言要符合CTS，其中与CTS不兼容的部分功能都要被舍弃。

显然，由于CIL是.NET运行时所能理解的语言，因此它实现了CTS的全部功能。虽然它是一种低级语言，但是实际上，它所具有的功能更加完整。C#语言和CIL的关系，可以用图6-10进行表示。

图6-10 C#和CIL的关系

6.5 CLS——公共语言规范

既然已经理解了CTS是一套语言的规则定义，就可以开发一套语言来符合CTS了。假设这个语言叫做N#，它所实现的CTS非常有限，仅实现了其中很少的一部分功能，它与CTS和C#语言的关系可能如图6-11所示。

图6-11 C#、N#和CIL的关系

那么现在就有一个问题：由C#编写的程序集，能够引用由N#编写的程序集吗？答案显然是不能，，虽然C#和N#同属于CTS旗下，但是它们并没有共
通之处。因此，虽然单独的N#或C#程序可以完美地在.NET框架下运行，但是它们之间却无法相互引用。如果使用N#开发项目的开发者本来就不希望其他语
言类型的项目来引用他的项目倒也罢了，但是，如果N#项目期望其他语言类型的项目能够对它进行引用，就需要N#中公开的类型和功能满足C#语言的特性，即
它们需要有共通之处。注意，这句话中有一个词很重要，就是“公开的”（public）。N#中不公开的部分（private、internal、
protected）是不受影响的，可以使用独有的语言特性，因为这些不公开的部分本来就不允许外部进行访问。因此，
如果N#想要被C#所理解和引用，它公开的部分就要满足C#的一些规范，此时，它与CTS和C#语言的关系就会变成如图6-12所示。

图6-12 C#、N#、CIL的关系

如果世界上仅有C#和N#两种语言就好办了，把它们共同的语言特性提取出来，然后要求所有公开的类型都满足这些语言特性，这样C#和N#程序集就可
以相互引用了。可问题是：语言类型有上百种之多，并且.NET的设计目标是实现一个开放的平台，不仅现有的语言经过简单修改就可以运行在.NET框架上，
后续开发的新语言也可以，而新语言此时并不存在，如何提取出它的语言特性？因此又需要一套规范和标准来定义一些常见的、大多数语言都共有的语言特性。对于
未来的新语言，只要它公开的部分能够满足这些规范，就能够被其他语言的程序集所使用。这个规范就叫做CLS （Common Language
Specification，公共语言规范）。很明显，CLS是CTS的一个子集。现在引入了CLS，图6-12的关系图就可以改成如图6-13所示。

图6-13 语言、CLS、CIL的关系

如果利用C#开发的一个程序集的公开部分仅采用了CLS中的特性，那么这个程序集就叫做CLS兼容程序集（CLScompliant
assembly）。显然，对于上面提到的FCL框架类库，其中的类型都符合CLS，仅有极个别类型的成员不符合CLS，这就保证了所有面向.NET的语
言都可以使用框架类库中的类型。

现在，读者又会有一个疑问：上面几段文字中反复出现了一个词———“语言特性”（language
features），满足CLS就是要求语言特性要一致，那么什么叫做语言特性？这里给出几个具体的语言特性：是否区分大小写，标识符的命名规则如何，可
以使用的基本类型有哪些，构造函数的调用方式（是否会调用基类构造函数），支持的访问修饰符等。

那么我们如何检验程序集是否符合CLS呢？.NET为我们提供了一个特性CLSCompliant，便于在编译时检查程序集是否符合CLS。我们来看下面一个例子：

using System;
 
[assembly:CLSCompliant(true)]
 
public class CLSTest {
 
    public string name;
 
    // 警告:仅大小写不同的标识符“CLSTest.Name()”不符合 CLS
    public string Name() {
        return "";
    }
 
    // 警告：“CLSTest.GetValue()”的返回类型不符合 CLS
    public uint GetValue() {
        return 0;
    }
 
    // 警告: 参数类型“sbyte”不符合 CLS
    public void SetValue(sbyte a) { }
 
    // 警告标识符“CLSTest._aFiled”不符合 CLS
    public string _MyProperty { get; set; }
}

可以注意到，在CLSTest类的前面为程序集加上了一个CLSCompliant特性，表明这个程序集是CLS兼容的。但是，有三处并不满足这个要求，因此编译器给出了警告信息。这三处是：

• 不能以大小写来区分成员，因此字段name和方法Name()不符合CLS。
• 方法的返回类型和参数类型必须是CLS兼容的，uint和sbyte类型并非CLS兼容，因此GetValue()和SetValue()方法不符合CLS。
• 标识符的命名不能以下划线“_”开头，因此属性_MyProperty不符合CLS。

还会注意到，编译器给出的只是警告信息，而非错误信息，因此可以无视编译器的警告，不过这个程序集只能由其他C#语言编写的程序集所使用。

6.6 CLR——公共语言运行时

6.6.1 程序集概述

前面提到过：程序集包含了CIL语言代码，而CIL语言代码是无法直接运行的，需要经过.NET运行时进行即时编译才能转换为计算机可以直接执行的机器指令。那么这个过程是如何进行的呢？

接下来我们要了解的就是.NET框架的核心部分：CLR（Common Language
Runtime），公共语言运行时），有时也会称做.NET运行时（.NET
runtime）。在了解CLR之前，需要先进一步学习一下程序集，因为下一节会对程序集进行专门的讲述，这里仅简单介绍一下程序集中对于理解CLR有帮
助的概念。

从直觉上来看，前面以.exe为后缀的控制台应用程序就是一个直接的可执行文件，因为在双击它后，它确实会运行起来。这里的情况和面向对象中的继承有一点像：一台轿车首先是一部机动车、一只猫首先是一个动物，而一个.NET程序集首先是一个Windows可执行程序。

那么什么样格式的文件才是一个Windows可执行文件？这个格式被称做PE/COFF（Microsoft Windows Portable
Executable/Common Object File
Format），Windows可移植可执行/通用对象文件格式。Windows操作系统能够加载并运行.dll和.exe是因为它能够理解PE
/COFF文件的格式。显然，所有在Windows操作系统上运行的程序都需要符合这个格式，当然也包括.NET程序集在内。在这一级，程序的控制权还属
于操作系统，PE/COFF头包含了供操作系统查看和利用的信息。此时，程序集可以表示成如图6-14所示。

图6-14 程序集结构1

在前面提到过，程序集中包含的CIL语言代码并不是计算机可以直接执行的，还需要进行即时编译，那么在对CIL语言代码进行编译前，需要先将编译的
环境运行起来，因此PE/COFF头之后的就是CLR头了。CLR头最重要的作用之一就是告诉操作系统这个PE/COFF文件是一个.NET程序集，区别
于其他类型的可执行程序。

图6-15 程序集结构2

在CLR头之后就是大家相对熟悉一些的内容了。首先，程序集包含一个清单（manifest），这个清单相当于一个目录，描述了程序集本身的信息，例如程序集标识（名称、版本、文化）、程序集包含的资源（Resources）、组成程序集的文件等。

图6-16 程序集结构3

清单之后就是元数据了。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所包含的内容。这些内容包括：程序集包含的模块（会在第7章介
绍）、类型、类型的成员、类型和类型成员的可见性等。注意，元数据并不包含类型的实现，有点类似于C++中的.h头文件。在.NET中，查看元数据的过程
就叫做反射（Reflection）。

图6-17 程序集结构4

接下来就是已经转换为CIL的程序代码了，也就是元数据中类型的实现，包括方法体、字段等，类似于C++中的.cpp文件。

图6-18 程序集结构

注意，图6-18中还多添加了一个资源文件，例如.jpg图片。从这幅图可以看出，程序集是自解释型的（Self-Description），不再需要任何额外的东西，例如注册表，就可以完整地知道程序集的一切信息。

至此对程序集的简单介绍就先到这里，接下来看一下程序集是如何被执行的。

6.6.2  运行程序集

现在已经了解过了程序集，并且知道程序集中包含的CIL代码并不能直接运行，还需要CLR的支持。概括来说，CLR是一个软件层或代理，它管理
了.NET程序集的执行，主要包括：管理应用程序域、加载和运行程序集、安全检查、将CIL代码即时编译为机器代码、异常处理、对象析构和垃圾回收等。相
对于编译时（Compile
time），这些过程发生在程序运行的过程中，因此，将这个软件层命名为了运行时，实际上它本身与时间是没有太大关系的。有一些朋友在初学.NET的时
候，纠结在了Runtime这个词上，总以为和时间有什么关系，总是不能很好地理解CLR。笔者认为重要的是理解CLR是做什么的，而不用过于关注它的名
称。

实际上，CLR还有一种叫法，即VES（Virtual Execution
System，虚拟执行系统）。从上一段的说明来看，这个命名应该更能描述CLR的作用，也不容易引起混淆，但是可能为了和CIL、CTS、CLS等术语
保持一致性，最后将其命名为了CLR。在这里，我们知道CLR不过是一个.NET程序集的运行环境而已，有点类似于Java虚拟机。VES这个术语来自于
CLI，会在6.7节进行讲述。

可以用图6-19来描述CLR的主要作用。

图6-19 CLR的主要作用

前面已经概要地了解了CLR的作用，接下来开始更进一步的学习。首先遇到的问题就是：CLR以什么样的形式位于什么位置？

由于CLR本身用于管理托管代码，因此它是由非托管代码编写的，并不是一个包含了托管代码的程序集，也不能使用IL
DASM进行查看。它位于C:\%SystemRoot%\Microsoft.NET\Framework\版本号下，视安装的机器不同有两个版本，一
个是工作站版本的mscorwks.dll，一个是服务器版本的mscorsvr.dll。wks和svr分别代表work
station和server。

接下来再看一下CLR是如何运行起来的。虽然从Windows Server 2003开始，.NET框架已经预装在操作系统中，但是它还没有集成为操作系统的一部分。当操作系统尝试打开一个托管程序集（.exe）时，它首先会检查PE头，根据PE头来创建合适的进程。

接下来会进一步检查是否存在CLR头，如果存在，就会立即载入MsCorEE.dll。这个库文件是.NET框架的核心组件之一，注意它也不是一个
程序集。MsCorEE.dll位于C:\%SystemRoot%\System32\系统文件夹下所有安装了.NET框架的计算机都会有这个文件。大
家可能注意到了，这个库安装在System32系统文件夹下，而没有像其他的核心组件或类库那样按照版本号存放在C:\%SystemRoot%
\Microsoft.NET\Framework\文件夹下。这里又存在一个“鸡生蛋问题”：根据不同的程序集信息会加载不同版本的CLR，因此加载
CLR的组件就应该只有一个，不能再根据CLR的版本去决定加载CLR的组件的版本。

MsCorEE.dll是一个很细的软件层。加载了MsCorEE.dll之后，会调用其中的_CorExeMain()函数，该函数会加载合适版
本的CLR。在CLR运行之后，程序的执行权就交给了CLR。CLR会找到程序的入口点，通常是Main()方法，然后执行它。这里又包含了以下过程：

1. 加载类型。在执行Main()方法之前，首先要找到拥有Main()方法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的数据结构中。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，还会为它的每个方法插入一个存根
   （stub）。
2. 验证。在CLR中，还存在一个验证程序（verifier），该验证程序的工作是在运行时确保代码是类型安全的。它主要校验两个方面，一个是元数据是正确的，一个是CIL代码必须是类型安全的，类型的签名必须正确。
3. 即时编译。这一步就是将托管的CIL代码编译为可以执行的机器代码的过程，由CLR的即时编译器（JIT
   Complier）完成。即时编译只有在方法的第一次调用时发生。回想一下，类型加载程序会为每个方法插入一个存根。在调用方法时，CLR会检查方法的存
   根，如果存根为空，则执行JIT编译过程，并将该方法被编译后的本地机器代码地址写入到方法存根中。当第二次对同一方法进行调用时，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，无需再次进行JIT编译。

可以看出，采用这种架构的一个好处就是，.NET程序集可以运行在任何平台上，不管是Windows、UNIX，还是其他操作系统，只要这个平台拥有针对于该操作系统的.NET框架就可以运行.NET程序集。

6.7 CLI——公共语言基础

CLI是一个国际标准，由ECMA和ISO进行了标准化，全称为Common Language
Infrastructure（公共语言基础）。它只是一个概念和汇总，实际上本章的每一小节都是这个标准的一部分。CLI包括：CIL、CTS、
CLS、VES、元数据、基础框架。

看到这里很多人会感觉到有点奇怪，为什么CLI和.NET框架包含的内容如此雷同？它们之间是什么关系？简单来说，CLI是一个标准，而.NET框
架是这个标准的具体实现。在CLI中，并没有CLR的概念，只有VES，而CLR就是.NET框架中VES的具体实现。既然CLI只是一个标准，
而.NET框架是它在Windows平台上的具体实现，那么是不是就只有.NET框架这一个CLI的实现？显然不是，Mono
Project就是CLI标准的另一个实现。Mono Project的目标就是将.NET框架多平台化，使其可以运行在各种平台上，包括Mac
OS、Linux等。

CLI的详细信息可以在这里查看：http://www.ecma-international.org/publications/standards/Ecma-335.htm，感兴趣的朋友可以将它的PDF标准文档下载下来看一下。

6.8 本章小结

本章系统的学习地介绍了一下.NET框架的底层知识，几乎包含了常见的所有术语，例如程序集、CIL、CTS、CLS、CLR等，同时也介绍了它们之间是如何相互协作共同构建起整个.NET平台的。相信经过本章的学习，大家会对.NET框架有一个更好的全局性认识。

感谢阅读，希望这篇文章能给你带来帮助。