译者注

这是在Datadog公司任职的Kevin Gosse大佬使用C#编写.NET分析器的系列文章之一,在国内只有很少很少的人了解和研究.NET分析器,它常被用于APM(应用性能诊断)、IDE、诊断工具中,比如Datadog的APM,Visual Studio的分析器以及Rider和Reshaper等等。之前只能使用C++编写,自从.NET NativeAOT发布以后,使用C#编写变为可能。

笔者最近也在尝试开发一个运行时方法注入的工具,欢迎熟悉MSIL 、PE Metadata 布局、CLR 源码、CLR Profiler API的大佬,或者对这个感兴趣的朋友留联系方式或者在公众号留言,一起交流学习。

原作者:Kevin Gosse

原文链接:https://minidump.net/writing-a-net-profiler-in-c-part-3-7d2c59fc017f

项目链接:https://github.com/kevingosse/ManagedDotnetProfiler

使用C#编写.NET分析器-一:https://www.cnblogs.com/InCerry/p/writing-a-net-profiler-in-c-sharp-part-1.html

使用C#编写.NET分析器-二:https://www.cnblogs.com/InCerry/p/writing-a-net-profiler-in-c-sharp-part-2.html

正文

在第一部分中,我们了解了如何使用NativeAOT让我们用C#编写一个分析器,以及如何暴露一个伪造的COM对象来使用分析API。在第二部分中,我们改进了解决方案,使用实例方法替代静态方法。现在我们知道了如何与分析API进行交互,我们将编写一个源代码生成器,自动生成实现ICorProfilerCallback接口中声明的70多个方法所需的样板代码。

首先,我们需要手动将ICorProfilerCallback接口转换为C#。从技术上讲,本可以从C++头文件中自动生成这些代码,但是相同的C++代码在C#中可以用不同的方式翻译,因此了解函数的目的以正确语义进行转换十分重要。

JITInlining函数为实际例子。在C++中的原型是:

HRESULT JITInlining(FunctionID callerId, FunctionID calleeId, BOOL *pfShouldInline);

一个简单的C#版本转换可能是:

HResult JITInlining(FunctionId callerId, FunctionId calleeId, in bool pfShouldInline);

但是,如果我们查看函数的文档,我们可以了解到pfShouldInline是一个应由函数自身设置的值。所以我们应该使用out关键字:

Result JITInlining(FunctionId callerId, FunctionId calleeId, out bool pfShouldInline);

在其他情况下,我们会根据意图使用in或ref关键字。这就是为什么我们无法完全自动化这个过程。

在将接口转换为C#之后,我们可以继续创建源代码生成器。请注意,我并不打算编写一个最先进的源代码生成器,主要原因是API非常复杂(是的,这话来自于一个教你如何用C#编写分析器的人),你可以查看Andrew Lock的精彩文章来了解如何编写高级源代码生成器。

编写源代码生成器

要创建源代码生成器,我们在解决方案中添加一个针对netstandard2.0的类库项目,并添加对Microsoft.CodeAnalysis.CSharpMicrosoft.CodeAnalysis.Analyzers的引用:

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
<TargetFramework>netstandard2.0</TargetFramework>
<ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
<LangVersion>latest</LangVersion>
<IsRoslynComponent>true</IsRoslynComponent>
</PropertyGroup> <ItemGroup>
<PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.CSharp" Version="4.0.1" PrivateAssets="all" />
<PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.Analyzers" Version="3.3.3">
<PrivateAssets>all</PrivateAssets>
<IncludeAssets>runtime; build; native; contentfiles; analyzers; buildtransitive</IncludeAssets>
</PackageReference>
</ItemGroup> </Project>

接下来,我们添加一个实现ISourceGenerator接口的类,并用[Generator]属性进行修饰:

[Generator]
public class NativeObjectGenerator : ISourceGenerator
{
public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
{
} public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
{
}
}

我们要做的第一件事是生成一个[NativeObject]属性。我们将用它来修饰我们想要在源代码生成器上运行的接口。我们使用RegisterForPostInitialization在管道早期运行这段代码:

[Generator]
public class NativeObjectGenerator : ISourceGenerator
{
public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
{
context.RegisterForPostInitialization(EmitAttribute); } public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
{
} private void EmitAttribute(GeneratorPostInitializationContext context)
{
context.AddSource("NativeObjectAttribute.g.cs", """
using System; [AttributeUsage(AttributeTargets.Interface, Inherited = false, AllowMultiple = false)]
internal class NativeObjectAttribute : Attribute { }
""");
}
}

现在我们需要注册一个ISyntaxContextReceiver来检查类型并检测哪些类型被我们的 [NativeObject] 属性修饰。

public class SyntaxReceiver : ISyntaxContextReceiver
{
public List<INamedTypeSymbol> Interfaces { get; } = new(); public void OnVisitSyntaxNode(GeneratorSyntaxContext context)
{
if (context.Node is InterfaceDeclarationSyntax classDeclarationSyntax
&& classDeclarationSyntax.AttributeLists.Count > 0)
{
var symbol = (INamedTypeSymbol)context.SemanticModel.GetDeclaredSymbol(classDeclarationSyntax); if (symbol.GetAttributes().Any(a => a.AttributeClass.ToDisplayString() == "NativeObjectAttribute"))
{
Interfaces.Add(symbol);
}
}
}
}

基本上,语法接收器将被用于访问语法树中的每个节点。我们检查该节点是否是一个接口声明,如果是,我们检查属性以查找NativeObjectAttribute。可能有很多事情都可以改进,特别是确认它是否是我们的NativeObjectAttribute,但我们认为对于我们的目的来说这已经足够好了。

在源代码生成器初始化期间,需要注册语法接收器:

    public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
{
context.RegisterForPostInitialization(EmitAttribute);
context.RegisterForSyntaxNotifications(() => new SyntaxReceiver());
}

最后,在Execute方法中,我们获取存储在语法接收器中的接口列表,并为其生成代码:

public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
{
if (!(context.SyntaxContextReceiver is SyntaxReceiver receiver))
{
return;
} foreach (var symbol in receiver.Interfaces)
{
EmitStubForInterface(context, symbol);
}
}

生成Native包装器

对于EmitStubForInterface方法,我们可以使用模板引擎,但是我们将依赖于一个经典的StringBuilder和Replace调用。

首先,我们创建我们的模板:

var sourceBuilder = new StringBuilder("""
using System;
using System.Runtime.InteropServices; namespace NativeObjects
{
{visibility} unsafe class {typeName} : IDisposable
{
private {typeName}({interfaceName} implementation)
{
const int delegateCount = {delegateCount}; var obj = (IntPtr*)NativeMemory.Alloc((nuint)2 + delegateCount, (nuint)IntPtr.Size); var vtable = obj + 2; *obj = (IntPtr)vtable; var handle = GCHandle.Alloc(implementation);
*(obj + 1) = GCHandle.ToIntPtr(handle); {functionPointers} Object = (IntPtr)obj;
} public IntPtr Object { get; private set; } public static {typeName} Wrap({interfaceName} implementation) => new(implementation); public static implicit operator IntPtr({typeName} stub) => stub.Object; ~{typeName}()
{
Dispose();
} public void Dispose()
{
if (Object != IntPtr.Zero)
{
NativeMemory.Free((void*)Object);
Object = IntPtr.Zero;
} GC.SuppressFinalize(this);
} private static class Exports
{
{exports}
}
}
}
""");

如果你对某些部分不理解,请记得查看前一篇文章。这里唯一的新内容是析构函数和Dispose方法,我们在其中调用NativeMemory.Free来释放为该对象分配的内存。接下来,我们需要填充所有的模板部分:{visibility}{typeName}{interfaceName}{delegateCount}{functionPointers}{exports}

首先是简单的部分:

var interfaceName = symbol.ToString();
var typeName = $"{symbol.Name}";
var visibility = symbol.DeclaredAccessibility.ToString().ToLower(); // To be filled later
int delegateCount = 0;
var exports = new StringBuilder();
var functionPointers = new StringBuilder();

对于一个接口MyProfiler.ICorProfilerCallback,我们将生成一个类型为NativeObjects.ICorProfilerCallback的包装器。这就是为什么我们将完全限定名存储在interfaceName(= MyProfiler.ICorProfilerCallback)中,而仅将类型名存储在typeName(= ICorProfilerCallback)中。

接下来我们想要生成导出列表及其函数指针。我希望源代码生成器支持继承,以避免代码重复,因为ICorProfilerCallback13实现了ICorProfilerCallback12,而ICorProfilerCallback12本身又实现了ICorProfilerCallback11,依此类推。因此我们提取目标接口继承自的接口列表,并为它们中的每一个提取方法:

var interfaceList = symbol.AllInterfaces.ToList();
interfaceList.Reverse();
interfaceList.Add(symbol); foreach (var @interface in interfaceList)
{
foreach (var member in @interface.GetMembers())
{
if (member is not IMethodSymbol method)
{
continue;
} // TODO: Inspect the method
}
}

对于一个QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr)方法,我们将生成的导出看起来像这样:

[UnmanagedCallersOnly]
public static int QueryInterface(IntPtr* self, Guid* __arg1, IntPtr* __arg2)
{
var handleAddress = *(self + 1);
var handle = GCHandle.FromIntPtr(handleAddress);
var obj = (IUnknown)handle.Target; var result = obj.QueryInterface(*__arg1, out var __local2); *__arg2 = __local2; return result;
}

由于这些方法是实例方法,我们添加了IntPtr* self参数。另外,如果托管接口中的函数带有in/out/ref关键字修饰,我们将参数声明为指针类型,因为UnmanagedCallersOnly方法不支持in/out/ref

生成导出所需的代码为:

var parameterList = new StringBuilder();

parameterList.Append("IntPtr* self");

foreach (var parameter in method.Parameters)
{
var isPointer = parameter.RefKind == RefKind.None ? "" : "*";
parameterList.Append($", {parameter.Type}{isPointer} __arg{parameter.Ordinal}");
} exports.AppendLine($" [UnmanagedCallersOnly]");
exports.AppendLine($" public static {method.ReturnType} {method.Name}({parameterList})");
exports.AppendLine($" {{");
exports.AppendLine($" var handle = GCHandle.FromIntPtr(*(self + 1));");
exports.AppendLine($" var obj = ({interfaceName})handle.Target;");
exports.Append($" "); if (!method.ReturnsVoid)
{
exports.Append("var result = ");
} exports.Append($"obj.{method.Name}("); for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
if (i > 0)
{
exports.Append(", ");
} if (method.Parameters[i].RefKind == RefKind.In)
{
exports.Append($"*__arg{i}");
}
else if (method.Parameters[i].RefKind is RefKind.Out)
{
exports.Append($"out var __local{i}");
}
else
{
exports.Append($"__arg{i}");
}
} exports.AppendLine(");"); for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
if (method.Parameters[i].RefKind is RefKind.Out)
{
exports.AppendLine($" *__arg{i} = __local{i};");
}
} if (!method.ReturnsVoid)
{
exports.AppendLine($" return result;");
} exports.AppendLine($" }}"); exports.AppendLine();
exports.AppendLine();

对于函数指针,给定与前面相同的方法,我们希望建立:

*(vtable + 1) = (IntPtr)(delegate* unmanaged<IntPtr*, Guid*, IntPtr*>)&Exports.QueryInterface;

生成代码如下:

var sourceArgsList = new StringBuilder();
sourceArgsList.Append("IntPtr _"); for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
sourceArgsList.Append($", {method.Parameters[i].OriginalDefinition} a{i}");
} functionPointers.Append($" *(vtable + {delegateCount}) = (IntPtr)(delegate* unmanaged<IntPtr*"); for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
functionPointers.Append($", {method.Parameters[i].Type}"); if (method.Parameters[i].RefKind != RefKind.None)
{
functionPointers.Append("*");
}
} if (method.ReturnsVoid)
{
functionPointers.Append(", void");
}
else
{
functionPointers.Append($", {method.ReturnType}");
} functionPointers.AppendLine($">)&Exports.{method.Name};"); delegateCount++;

我们在接口的每个方法都完成了这个操作后,我们只需替换模板中的值并添加生成的源文件:

sourceBuilder.Replace("{typeName}", typeName);
sourceBuilder.Replace("{visibility}", visibility);
sourceBuilder.Replace("{exports}", exports.ToString());
sourceBuilder.Replace("{interfaceName}", interfaceName);
sourceBuilder.Replace("{delegateCount}", delegateCount.ToString());
sourceBuilder.Replace("{functionPointers}", functionPointers.ToString()); context.AddSource($"{symbol.ContainingNamespace?.Name ?? "_"}.{symbol.Name}.g.cs", sourceBuilder.ToString());

就这样,我们的源代码生成器现在准备好了。

使用生成的代码

要使用我们的源代码生成器,我们可以声明IUnknownIClassFactoryICorProfilerCallback接口,并用[NativeObject]属性修饰它们:

[NativeObject]
public interface IUnknown
{
HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr);
int AddRef();
int Release();
}
[NativeObject]
internal interface IClassFactory : IUnknown
{
HResult CreateInstance(IntPtr outer, in Guid guid, out IntPtr instance);
HResult LockServer(bool @lock);
}
[NativeObject]
public unsafe interface ICorProfilerCallback : IUnknown
{
HResult Initialize(IntPtr pICorProfilerInfoUnk); // 70+ 多个方法,在这里省略
}

然后我们实现IClassFactory并调用NativeObjects.IClassFactory.Wrap来创建本机包装器并暴露我们的ICorProfilerCallback实例:

public unsafe class ClassFactory : IClassFactory
{
private NativeObjects.IClassFactory _classFactory;
private CorProfilerCallback2 _corProfilerCallback; public ClassFactory()
{
_classFactory = NativeObjects.IClassFactory.Wrap(this);
} // The native wrapper has an implicit cast operator to IntPtr
public IntPtr Object => _classFactory; public HResult CreateInstance(IntPtr outer, in Guid guid, out IntPtr instance)
{
Console.WriteLine("[Profiler] ClassFactory - CreateInstance"); _corProfilerCallback = new(); instance = _corProfilerCallback.Object;
return HResult.S_OK;
} public HResult LockServer(bool @lock)
{
return default;
} public HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr)
{
Console.WriteLine("[Profiler] ClassFactory - QueryInterface - " + guid); if (guid == KnownGuids.ClassFactoryGuid)
{
ptr = Object;
return HResult.S_OK;
} ptr = IntPtr.Zero;
return HResult.E_NOTIMPL;
} public int AddRef()
{
return 1; // TODO: 做实际的引用计数
} public int Release()
{
return 0; // TODO: 做实际的引用计数
}
}

并在DllGetClassObject中暴露它:

public class DllMain
{
private static ClassFactory Instance; [UnmanagedCallersOnly(EntryPoint = "DllGetClassObject")]
public static unsafe int DllGetClassObject(void* rclsid, void* riid, nint* ppv)
{
Console.WriteLine("[Profiler] DllGetClassObject"); Instance = new ClassFactory();
*ppv = Instance.Object; return 0;
}
}

最后,我们可以实现ICorProfilerCallback的实例:

public unsafe class CorProfilerCallback2 : ICorProfilerCallback2
{
private static readonly Guid ICorProfilerCallback2Guid = Guid.Parse("8a8cc829-ccf2-49fe-bbae-0f022228071a"); private readonly NativeObjects.ICorProfilerCallback2 _corProfilerCallback2; public CorProfilerCallback2()
{
_corProfilerCallback2 = NativeObjects.ICorProfilerCallback2.Wrap(this);
} public IntPtr Object => _corProfilerCallback2; public HResult Initialize(IntPtr pICorProfilerInfoUnk)
{
Console.WriteLine("[Profiler] ICorProfilerCallback2 - Initialize"); // TODO: To be implemented in next article return HResult.S_OK;
} public HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr)
{
if (guid == ICorProfilerCallback2Guid)
{
Console.WriteLine("[Profiler] ICorProfilerCallback2 - QueryInterface"); ptr = Object;
return HResult.S_OK;
} ptr = IntPtr.Zero;
return HResult.E_NOTIMPL;
} // Stripped for brevity: the default implementation of all 70+ methods of the interface
// Automatically generated by the IDE
}

如果我们使用一个测试应用程序运行它,我们会发现这些功能能按预期工作:

[Profiler] DllGetClassObject
[Profiler] ClassFactory - CreateInstance
[Profiler] ICorProfilerCallback2 - QueryInterface
[Profiler] ICorProfilerCallback2 - Initialize
Hello, World!

在下一步中,我们将处理拼图的最后一个缺失部分:实现ICorProfilerCallback.Initialize方法并获取ICorProfilerInfo的实例。这样我们就拥有了与性能分析器API实际交互所需的一切。

.NET性能优化交流群

相信大家在开发中经常会遇到一些性能问题,苦于没有有效的工具去发现性能瓶颈,或者是发现瓶颈以后不知道该如何优化。之前一直有读者朋友询问有没有技术交流群,但是由于各种原因一直都没创建,现在很高兴的在这里宣布,我创建了一个专门交流.NET性能优化经验的群组,主题包括但不限于:

  • 如何找到.NET性能瓶颈,如使用APM、dotnet tools等工具

  • .NET框架底层原理的实现,如垃圾回收器、JIT等等

  • 如何编写高性能的.NET代码,哪些地方存在性能陷阱

希望能有更多志同道合朋友加入,分享一些工作中遇到的.NET性能问题和宝贵的性能分析优化经验。目前一群已满,现在开放二群。

如果提示已经达到200人,可以加我微信,我拉你进群: lishi-wk

另外也创建了QQ群,群号: 687779078,欢迎大家加入。

抽奖送书活动预热!!!

感谢大家对我公众号的支持与陪伴!为庆祝公众号一周年,抽奖送出一些书籍,请大家关注公众号后续推文!

使用C#编写.NET分析器(三)的更多相关文章

  1. 【C学习笔记】day5-3 编写代码模拟三次密码输入的场景

    3.编写代码模拟三次密码输入的场景. 最多能输入三次密码,密码正确,提示"登录成功",密码错误, 可以重新输入,最多输入三次.三次均错,则提示退出程序. #define _CRT_ ...

  2. Problem A: 编写函数:三个数的最大最小值

    Description 给出三个数a,b,c,最大值是?最小值是? ------------------------------------------------------------------ ...

  3. Go - 如何编写 ProtoBuf 插件 (三) ?

    目录 前言 演示代码 小结 推荐阅读 前言 上篇文章<Go - 如何编写 ProtoBuf 插件 (二) >,分享了基于 自定义选项 定义了 interceptor 插件,然后在 hell ...

  4. 解读Unity中的CG编写Shader系列三

    转自http://www.itnose.net/detail/6096068.html 在上一个例子中,我们得到了由mesh组件传递的信息经过数学转换至合适的颜色区间以颜色的形式着色到物体上.这篇文章 ...

  5. Spring Boot 2.x 编写 RESTful API (三) 程序层次 & 数据传输

    用Spring Boot编写RESTful API 学习笔记 程序的层次结构 相邻层级的数据传输 JavaBean 有一个 public 的无参构造方法 属性 private,且可以通过 get.se ...

  6. 用仿ActionScript的语法来编写html5——第三篇,鼠标事件与游戏人物移动

    第三篇,鼠标事件与游戏人物移动 一,假设假设,所有可添加鼠标事件的对象,都有一个mouseEvent方法,添加的鼠标事件同过这个mouseEvent来调用.这样的话,添加鼠标事件,其实只需要给canv ...

  7. Egret 学习之 入口函数 及开始编写程序(三)

    1,Egret的程序入口: C和java是以一个main函数作为入口,但egret类似于ActionScript 是以一个文档类作为入口,确切的说是以这个文档类的构造函数作为入口: 2,文档类的构造函 ...

  8. JavaScript编写风格指南 (三)

    七(七):严格模式 // 严格模式应当仅限在函数内部使用,千万不要在全局使用 //不好的写法:全局使用严格模式"user strict"; function doSomething ...

  9. 开始编写Makefile(三)Makefile的默认模式规则

    1.make中建立的其他语言的规则 SCCS  , RCS , ar, lex 和yacc 命令 2.为了建立一个目标,make会遍历一连串的依赖关系:这个是为 决定何处开始创建: 如果没有找到目标文 ...

  10. .net core编写转发服务(三) 接入Polly

    在web服务里面,很常见出现各种问题,需要一些响应的策略,比如服务繁忙的时候,重试,或者重试等待 服务繁忙的时候根据策略即使处理 关于接入Polly我还是沿用之前的代码,继续迭代 Web Api用的是 ...

随机推荐

  1. ViewGroup的TouchTarget设计思维

    TouchTarget需要创建的时候先看下池子里面有没有被回收上来的,如果没有可以利用的就给你创建一个新的,否则就从池子里面把头部的那个可以利用的给你,你把你的东西放进去就行了.回收的时候就是把你放在 ...

  2. 安装vue-lic

    vue-cli是Vue.js开发的标准工具.它简化了程序员基于webppack创建工程化的Vue项目的过程.引用自vue-cli官网上的一句话:程序员可以专注在撰写应用上,而不必花好几天去纠结webp ...

  3. C# 从0到实战 基本类型

    C#语言的基本类型 与大多数编程语言一样,C#也有自己的基本类型,也称为内置类型.下面的表格就简单阐述了这些类型. C# 类型关键字 .NET 类型 bool System.Boolean byte ...

  4. RateLimiter使用

    1.maven依赖 <dependency> <groupId>com.google.guava</groupId> <artifactId>guava ...

  5. 用C#发送post请求,实现更改B站直播间标题[简单随笔]

    第一次发这样的网络数据包.记录一下. API参考 https://github.com/SocialSisterYi/bilibili-API-collect/blob/master/live/man ...

  6. 【开源游戏】Legends-Of-Heroes 基于ET 7.2的双端C#(.net7 + Unity3d)多人在线英雄联盟风格的球球大作战游戏。

    Legends-Of-Heroes 一个LOL风格的球球大作战游戏,基于ET7.2,使用状态同步  Main 基于C#双端框架[ET7.2],同步到ET主干详情请看日志.(https://github ...

  7. 【Redis】数据类型介绍

    一.字符 string Redis常用基本类型之一,存入Redis的所有key都是字符类型,常用于保存Session信息 字符类型 命令 含义 复杂度 set <key> <valu ...

  8. 2022-03-26:给定一个无向图, 从任何一个点x出发,比如有一条路径: x -> a -> b -> c -> y, 这条路径上有5个点并且5个点都不一样的话,我们说(x,a,b,c,y)是一条

    2022-03-26:给定一个无向图, 从任何一个点x出发,比如有一条路径: x -> a -> b -> c -> y, 这条路径上有5个点并且5个点都不一样的话,我们说(x ...

  9. 常用设计模式之.Net示例代码合集

    每一次初学者粉丝朋友,在后台向我咨询编程问题,我除了给他们指导学习路线,我都会建议他们学完基础知识后,一定要要注重编程规范,学习设计模式,修炼内功. 虽然说很多程序员,他们日常主要工作是CRUD,但是 ...

  10. ICANN 2001-Learning to Learn Using Gradient Descent

    Key Gradient Descent+LSTM元学习器 解决的主要问题 在之前的机器学习的学习方法中,不会利用到之前的经验,利用到之前经验的"knowledge transfer&quo ...