.NET Core 底层入门

第1章公共语言运行时概述1

1.1.1.NET框架简介1

1.1.2公共语言运行时中的各个组成部分3

1.1.3名称规范5

第2章MSIL入门7

第1节逆向 .NET程序到IL7

2.1.1ildasm7

2.1.2使用ILSpy10

2.1.3dnSpy10

第2节基础语法11

2.2.1IL语法格式11

2.2.2IL指令格式17

2.2.3评价堆栈18

2.2.4常用指令19

2.2.5常见的C#代码与IL代码的对比21

第3节流程控制26

2.3.1IL流程控制26

2.3.2常见的流程控制C#代码与IL代码对比28

第3章x86汇编入门37

第1节汇编与机器码37

3.1.1理解汇编语言与机器码37

3.1.2RISC与CISC42

3.1.3流水线42

第2节内存44

3.2.1位与字节44

3.2.2负数的表现46

3.2.3小端与大端47

3.2.4内存地址47

3.2.5虚拟内存48

3.2.6了解虚拟内存的实现50

第3节寄存器50

3.3.1通用寄存器50

3.3.2程序计数器52

3.3.3标志寄存器52

第4节基础指令55

3.4.1汇编指令记法55

3.4.2汇编指令格式56

3.4.3汇编指令简写57

3.4.4基础汇编指令58

3.4.5更多指令68

3.4.6机器码的编码方式68

第5节流程控制69

3.5.1流程控制实现69

3.5.2比较指令70

3.5.3跳转指令73

3.5.4其他流程控制77

3.5.5分支预测79

第6节函数调用82

3.6.1栈结构82

3.6.2函数调用85

3.6.3enter与leave指令89

3.6.4调用规范89

第7节系统调用91

3.7.1系统调用简介91

3.7.2在x86上发起系统调用(软中断)92

3.7.3在x86上发起系统调用(sysenter)93

3.7.4在x8664上发起系统调用(syscall)94

第8节内存屏障95

3.8.1乱序执行95

3.8.2内存屏障简介96

3.8.3双检锁97

第4章编译与调试CoreCLR100

第1节在Windows上编译CoreCLR100

4.1.1准备编译环境100

4.1.2下载CoreCLR源代码101

4.1.3编译CoreCLR102

4.1.4使用编译出来的CoreCLR103

4.1.5*新的编译文档103

第2节在Windows上调试CoreCLR104

4.2.1使用Visual Studio调试CoreCLR104

4.2.2使用WinDbg调试CoreCLR105

4.2.3在WinDbg中使用SOS扩展109

4.2.4更方便地调试托管方法对应的汇编代码113

第3节在Linux上编译CoreCLR113

第4节在Linux上调试CoreCLR116

4.4.1使用LLDB调试CoreCLR116

4.4.2在LLDB中使用SOS扩展119

第5章异常处理实现126

第1节异常处理简介126

5.1.1通过返回值报告错误与通过异常报告错误的区别126

5.1.2.NET中的异常处理129

第2节用户异常的触发132

5.2.1用户异常132

5.2.2通过throw关键词抛出异常133

5.2.3调用 .NET运行时内部函数抛出异常135

5.2.4JIT编译时自动插入抛出异常的代码135

5.2.5CoreCLR中的相关代码137

第3节硬件异常的触发137

5.3.1硬件异常137

5.3.2访问null对象的字段时抛出异常138

5.3.3调用null对象的方法时抛出异常142

5.3.4对整数进行零除时的处理144

5.3.5CoreCLR中的相关代码146

第4节异常处理实现146

5.4.1异常处理的过程146

5.4.2捕捉异常并获取抛出异常的位置147

5.4.3通过调用链跟踪获取抛出异常的函数与所有调用来源148

5.4.4获取函数元数据中的异常处理表150

5.4.5枚举异常处理表调用对应的finally块与catch块151

5.4.6重新抛出异常的处理151

5.4.7CoreCLR中的相关代码153

第5节异常处理对性能的影响154

第6章多线程实现158

第1节原生线程158

6.1.1原生线程简介158

6.1.2上下文切换159

6.1.3线程调度161

6.1.4栈空间161

第2节托管线程162

6.2.1托管线程简介162

6.2.2托管线程对象163

6.2.3创建托管线程的例子163

6.2.4前台线程与后台线程164

6.2.5CoreCLR中的相关代码166

第3节抢占模式与合作模式166

6.3.1切换模式的实现167

6.3.2CoreCLR中的相关代码169

第4节线程本地储存169

6.4.1ThreadStatic Attribute属性的实现171

6.4.2ThreadLocal类的实现172

6.4.3CoreCLR中的相关代码175

第5节原子操作175

6.5.1原子操作简介175

6.5.2.NET中的原子操作179

6.5.3无锁算法182

6.5.4CoreCLR中的相关代码183

第6节自旋锁184

6.6.1线程锁184

6.6.2使用Thread.SpinWait实现自旋锁185

6.6.3使用System.Threading.SpinWait代替187

6.6.4使用System.Threading.SpinLock实现自旋锁188

6.6.5Thread.Sleep(0)与Thread.Yield的区别189

6.6.6使用pause指令的另一个原因190

6.6.7CoreCLR中的相关代码190

第7节互斥锁191

第8节混合锁与lock语句197

6.8.1线程中止安全200

6.8.2CoreCLR中的相关代码201

第9节信号量204

6.9.1轻量信号量206

6.9.2通过信号量实现生产者—消费者模式206

6.9.3通过Monitor类实现生产者—消费者模式208

6.9.4CoreCLR中的相关代码210

第10节读写锁213

第11节异步操作216

6.11.1阻塞操作216

6.11.2事件循环机制217

6.11.3异步编程模型219

6.11.4异步编程模型的实现原理221

6.11.5任务并行库224

6.11.6任务并行库的实现原理226

6.11.7ValueTask229

6.11.8async与await关键字的例子230

6.11.9async与await关键字的实现原理231

6.11.10堆积的协程与无堆的协程239

6.11.11CoreCLR中的相关代码239

第12节执行上下文242

6.12.1异步本地变量与执行上下文242

6.12.2CoreCLR中的相关代码247

第13节同步上下文248

6.13.1同步上下文的使用例子(基于WinForm)249

6.13.2自定义同步上下文实现252

6.13.3CoreCLR中的相关代码258

第7章GC垃圾回收实现260

第1节GC简介260

7.1.1栈空间与堆空间260

7.1.2值类型与引用类型261

7.1.3.NET中的GC263

7.1.4垃圾回收VS引用计数271

第2节对象内存结构271

7.2.1值类型对象的内存结构271

7.2.2引用类型对象的内存结构273

7.2.3存活标记与固定标记276

7.2.4装箱与拆箱277

7.2.5CoreCLR中的相关代码278

第3节托管堆结构280

7.3.1.NET程序的内存结构280

7.3.2托管堆与堆段282

7.3.3分配上下文284

7.3.4分代的实现286

7.3.5自由对象列表287

7.3.6跨代引用记录289

7.3.7析构对象列表与析构队列291

7.3.8CoreCLR中的相关代码291

第4节分配对象流程293

7.4.1new关键字生成的代码293

7.4.2从托管堆分配空间的内部函数297

7.4.3分配小对象的流程299

7.4.4分配大对象的流程299

7.4.5记录包含析构函数的对象到析构对象列表302

7.4.6CoreCLR中的相关代码302

第5节垃圾回收流程303

7.5.1GC的触发303

7.5.2执行GC的线程306

7.5.3GC的总体流程307

7.5.4重新决定目标代309

7.5.5判断是否应该执行后台GC311

7.5.6CoreCLR中的相关代码312

第6节标记阶段314

7.6.1获取根对象314

7.6.2递归扫描根对象并设置存活标记315

7.6.3通过卡片表扫描跨代引用并设置存活标记318

7.6.4枚举强引用GC句柄并设置存活标记318

7.6.5枚举固定GC句柄并设置固定标记319

7.6.6枚举弱引用GC句柄并清空不再存活对象引用319

7.6.7扫描析构对象列表并添加不再存活对象到析构队列319

7.6.8枚举跟踪复活弱引用GC句柄并清空不再存活对象引用320

7.6.9决定是否启用升代320

7.6.10CoreCLR中的相关代码321

第7节计划阶段323

7.7.1构建Plug树323

7.7.2构建Brick表324

7.7.3模拟压缩325

7.7.4判断是否执行压缩与新建短暂堆段327

7.7.5CoreCLR中的相关代码328

第8节重定位阶段328

7.8.1修改对象引用地址328

7.8.2CoreCLR中的相关代码330

第9节压缩阶段330

7.9.1复制对象值330

7.9.2结束GC332

7.9.3CoreCLR中的相关代码333

第10节清扫阶段333

7.10.1创建自由对象并加到自由列表333

7.10.2结束GC334

7.10.3CoreCLR中的相关代码334

第11节后台GC335

7.11.1后台标记阶段335

7.11.2后台清扫阶段336

7.11.3CoreCLR中的相关代码337

第12节调整GC行为338

7.12.1设置GC模式338

7.12.2设置延迟模式339

7.12.3设置延迟等级340

7.12.4开启无GC区域341

7.12.5开启大对象堆压缩342

7.12.6保留堆段空间地址342

7.12.7更多选项(针对 .NET Core)343

第13节获取GC信息344

7.13.1获取GC执行次数344

7.13.2注册完整GC触发前的通知345

7.13.3在Windows系统上使用ETW捕捉GC事件347

7.13.4在Linux系统上使用Lttng捕捉GC事件350

7.13.5使用EventListener捕捉GC事件351

第8章JIT编译器实现354

第1节JIT简介354

8.1.1JIT编译器354

8.1.2.NET中的RyuJIT编译器356

8.1.3在Visual Studio中查看生成的汇编代码356

8.1.4使用JITDump日志查看JIT编译流程与生成的汇编代码357

第2节JIT编译流程358

8.2.1JIT的触发358

8.2.2分层编译360

8.2.3JIT编译流程362

8.2.4CoreCLR中的相关代码363

第3节IR结构366

8.3.1HIR与LIR366

8.3.2HIR的结构367

8.3.3HIR的例子367

8.3.4LIR的结构372

8.3.5LIR的例子372

8.3.6常见的HIR结构376

8.3.7CoreCLR中的相关代码382

第4节IL解析383

8.4.1创建本地变量表383

8.4.2创建基础块列表383

8.4.3创建异常处理表384

8.4.4构造语法树385

8.4.5CoreCLR中的相关代码386

第5节函数内联387

8.5.1内联的条件388

8.5.2内联的处理389

8.5.3CoreCLR中的相关代码390

第6节IR变形390

8.6.1添加内部代码390

8.6.2提升构造体391

8.6.3标记暴露地址的本地变量393

8.6.4对基础块中的各个节点进行变形操作393

8.6.5消除三元条件运算节点396

8.6.6CoreCLR中的相关代码398

第7节流程分析399

8.7.1计算前任基础块与后任基础块399

8.7.2计算边缘权重(Edge Weight)400

8.7.3调整基础块顺序400

8.7.4计算可到达的基础块400

8.7.5计算支配与支配边界401

8.7.6插入GC检测点402

8.7.7添加小函数402

8.7.8CoreCLR中的相关代码403

第8节本地变量排序404

8.8.1根据引用计数排序本地变量404

8.8.2CoreCLR中的相关代码404

第9节评价顺序定义405

8.9.1决定语法树节点的评价顺序405

8.9.2CoreCLR中的相关代码405

第10节变量版本标记406

8.10.1SSA406

8.10.2构建SSA407

8.10.3构建VN410

8.10.4CSSA与TSSA411

8.10.5CoreCLR中的相关代码411

第11节循环优化413

8.11.1循环的结构413

8.11.2循环反转415

8.11.3循环克隆416

8.11.4循环展开417

8.11.5循环不变代码外提418

8.11.6CoreCLR中的相关代码419

第12节赋值传播420

8.12.1替换拥有相同值的变量420

8.12.2CoreCLR中的相关代码421

第13节公共子表达式消除421

8.13.1合并拥有相同值的表达式421

8.13.2CoreCLR中的相关代码422

第14节断言传播424

8.14.1生成并传播断言424

8.14.2CoreCLR中的相关代码425

第15节边界检查消除426

8.15.1根据断言消除边界检查426

8.15.2CoreCLR中的相关代码427

第16节合理化427

8.16.1转换HIR结构到LIR结构427

8.16.2转换LCL_VAR节点428

8.16.3转换ADDR与IND节点428

8.16.4删除COMMA节点430

8.16.5CoreCLR中的相关代码430

第17节低级化431

8.17.1分割针对long类型的操作431

8.17.2转换算术运算到地址模式431

8.17.3转换除法运算和求余运算431

8.17.4转换SWITCH节点433

8.17.5针对函数调用添加PUTARG_REG与PUTARG_STK节点435

8.17.6转换CALL节点436

8.17.7标记节点是否为被包含节点440

8.17.8标记节点被使用时是否需要先加载到CPU寄存器440

8.17.9CoreCLR中的相关代码441

第18节线性扫描寄存器分配442

8.18.1寄存器分配442

8.18.2线性扫描寄存器分配简介442

8.18.3CoreCLR中的相关代码450

第19节汇编指令生成451

8.19.1计算帧布局451

8.19.2生成汇编指令453

8.19.3包含异常处理小函数的汇编代码456

8.19.4CoreCLR中的相关代码459

第20节机器代码生成460

8.20.1生成机器码与元数据460

8.20.2CoreCLR中的相关代码463

第21节函数头信息464

8.21.1除错信息的结构465

8.21.2异常处理表的结构466

8.21.3GC信息的结构466

8.21.4函数对象的结构467

8.21.5栈回滚信息的结构467

第22节AOT编译468

8.22.1使用.NET Framework的NGen工具执行AOT编译469

8.22.2使用.NET Core的CrossGen工具执行AOT编译469

附录A中英文专业名词对照表472

附录B常用IL指令一览480

附录C常用汇编指令一览485

附录DSOS扩展命令一览489

附录EIR语法树节点类型一览517

参考文献523