.NET学习笔记 -- 那堆名词到底是啥（CLR、CLI、CTS、CLS、IL、JIT）

什么是CLR？

CLR，公共语言运行时（Common Language Runtime）是一个由多种语言使用的“运行时”。他的核心功能包括（内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步），可以被面向CLR的所有语言使用。这里的“运行时”，就是一个运行时环境，就像JAVA虚拟机一样。哦，错了，确切的说是JRE（Java  Runtime Enviromental）。JVM确切的说不是一个实体的java虚拟机，而是一个规范，就像CLI一样。会有不同的实现，如：JRockit还是Hotspot（前者是Oracle的JVM商业实现，后者是Sun的开源实现——当然现在也是Oracle的）

什么是CLI？

公共语言基础结构（Common Language Infrastructure），定义了构成.NET Framework基础结构的可执行代码，以及代码运行时的环境规范。它定义了一个与语言无关的跨体系结构的运行环境，这使得开发者可以用规范内定义的各种高级语言来开发软件，并且无须修正即可将软件运行在不同的计算机体系结构上。CLI是一个开放型的技术规范，由微软、惠普和英特尔于2000年向ECMA倡议的。说白了，CLI就是一套规范，CLR是对CLI的一种实现。那么CLI这份规范中具体定义了哪些内容呢？不妨去ECMA的网站下一份看看，也可以在这里下载：

如上面截图所示：包含了6部分，：

Partition I: Concepts and Architecture –描述.NET CLI的全部体系结构，提供公共类型系统（CTS，Common Type System）、虚拟执行系统（VES，Virtual Execution System）和公共语言规范（CLS，Common Language Specification）的标准化描述，还提供对元数据（Metadata）的信息性描述。

通用类型系统（CTS）：规范.NET中数据的类型。

元数据系统（Metadata）：是.NET中描述数据的数据。

通用语言规范（CLS）：描述多语言之间进行交互的语言规范，.NET系统包括的语言有C#、C++、VB、J#，它们都遵守通用语言规范。

虚拟执行系统（VES）：是一个可运行受管理代码（Managed Code）的运行环境，它提供了运行受管理代码所需要的内置数据类型（data type），以及假定的机器型态与状态设置、流程控制与例外处理等参数。

Partition II: Metadata Definition and Semantics - 提供元数据的标准化描述，包括元数据在.NET扩展PE文件格式中的位置（以.NET扩展PE文件格式的形式表示），元数据的逻辑内容（以表格及其关联的集合的形式表示，实际上使用了形式化方法表示）和元数据的语义（以汇编成为虚拟机代码的汇编器ilasm理解的形式表示）。

Partition III: CIL Instruction Set –描述CIL的指令集（注意，是CIL,不是CLI哦）

Partition IV: Profiles and Libraries- 提供CLI库的简要介绍，以及将其分解为Profile和库的规范。这里有一个配套的文件CLILibraryTypes.xml，考虑过随这一部分一起发布，不过该文件是XML格式的，该文件提供了CLI库中每一个类、值类型和接口的细节说明。“Profile”一词在这里的含义是库的集合，一起组合起来构成提供一定功能级别的一致性整体，换而言之，不同的Profile对应不同的库集合，提供的功能级别也不同。

Partition V: Debug Interchange Format- 描述了CLI 产品的调试交互的标志方式；

Partition VI: Annexes- 提供了一些用ILAsm（CIL Assembly Language）写的例程等

什么是CTS？

CLR是完全围绕类型展开的，通过类型，通过一种编程语言写的代码可以与另一种语言写的代码沟通。所以Microsoft制定了一个正式的规范，“通用类型系统”（Common Type System，CTS），它描述了类型的定义和行为。上面已经提到，Microsoft已经将CTS和,NET Framework的其他组件 -- 包括（文件格式、元数字、中间语言及对底层平台的）提交给ECMA完成标准化工作，最终形成的标准称为“公共语言基础结构”（Common Language Infrastructure）。

CTS里定义了以下内容：

什么是CLS？

CLR中集成了多种语言，一种语言中可以调用另一种语言创建的对象。为了实现这一目的，微软定义了一个公共语言规范（Common Language Specification）。它详细定义了一个最小的功能集。任何编译器如果想生成类型兼容于其他“符合CLS，面向CLR语言”生成的组件，那么必须要支持这个最小功能集。下面用一张图来说明彼此间的关系：

什么是IL？

（截自《CLR.via.C#》）

先从上图看一下.net的编译过程，源代码文件经过编译器编译后生成托管模块（managed module）。托管模块说白了就是一个32位（PE32）或64位(PE32+)的PE文件。

具体的结构如下：

PE32或PE32+文件头

CLR头

元数据

IL代码

这里我们着重谈谈IL，IL是与CPU无关的机器语言，比大多数的CPU机器语言都要高级。能访问操作对象类型、创建及初始化对象、调用对象上的虚方法，直接操作数组元素，甚至能抛出和捕捉异常处理，可以说是一种面向对象的机器语言。

什么是JIT？它是如何工作的？

CLR执行托管模块，必须要将IL代码编译成本地CPU指令。这个事情由JIT（just in time）来执行。下面将以一个简单的例子来详细阐述JIT是如何工作的：

static void Main()
{
    Console.WriteLine("Hello");
    Console.WriteLine("Goodbye");
}

1、CLR在执行Main函数检查引用的所有类型，这里Main用到了Console类，CRL会为此分配一个内部结构。在这个结构中，Console类的所有方法都有对应的入口。

2、Mian首次调用WriteLine函数时，JITCCompiler函数会被调用。JITCCompiler知道是Console类定义了WriteLine函数，并在定义了Console类的程序集中查找WriteLine的IL代码。

3、动态分配一块内存；

4、对找到的IL代码进行验证，然后编译成本地CPU指令，将该指令放到前面动态分配的内存中；

5、修改内部结构中WriteLine函数的入口，使其指向动态分配的内存的地址；

6、JITCCompiler函数跳转到存有本地CPU指令；

7、执行完后，调回Main函数，继续执行后面的代码；

这里需要说明的是，第二次执行WriteLine函数的时候，并没有JIT啥事情了，因为会直接调用内存块中的本地CPU指令。

参考：《分清“语言/规范”以及“平台/实现”，以及跨平台.NET开发》

《CLR.via.C#》