CLR 筆記：CLR 執行模型核心架構

核心術語

• CLR：Common Language Runtime，多語言共用執行庫。
• 託管模組：標準 MS Windows PE32/PE32+ 檔案。
• IL：Intermediate Language，中間語言（託管代碼）。
• 中繼資料：特殊資料表集合。
• 組件：抽象邏輯單位。
• JIT：Just-In-Time 即時編譯，IL → 本機 CPU 指令。
• FCL：Framework Class Library。
• CTS：Common Type System，通用類型系統。
• CLI：Common Language Infrastructure，ECMA 標準（CTS + 其他）。
• CLS：Common Language Specification，公共語言規範（最小特性集）。

1.1 原始碼編譯為託管模組

流程：C# 原始碼 → C# 編譯器 → 託管模組 (IL + 中繼資料)。

託管模組組成：

1. PE32/PE32+ 標頭：檔案類型 (GUI/CUI/DLL)、建立時間、32/64 位元。
2. CLR 標頭：CLR 版本、進入點方法、模組中繼資料、資源、強名稱。
3. 中繼資料：定義內容、引用內容、資訊清單。
4. IL 代碼。

中繼資料用途：消除標頭/庫檔依賴、智慧感知、代碼驗證、序列化/反序列化、GC 追蹤物件生命週期與型別。

1.2 合併託管模組為組件

組件：一或多個託管模組/資源檔的邏輯分組，為最小重用、安全性、版本控制單元。可單檔/多檔。CLR 與組件協作，非託管模組。

1.3 載入 CLR

• CLRVer 指令查看機器所有 CLR 版本。
• csc /platform 決定組件類型：AnyCPU, x86, x64, Itanium。

1.4 執行組件代碼

• ILAsm (IL→組件)、ILDasm (組件→IL)。
• 高階語言為 CLR 子集，IL 可存取 CLR 所有功能。
• JIT 編譯器運作：方法首次執行時，CLR 檢測引用型別，配置內部資料結構管理存取。每方法一條記錄與位址，初始化為 JITCompiler 函數。呼叫時：尋找 IL、編譯為本機指令、存入動態記憶體區塊、更新位址、跳轉執行。二次執行直接執行快取代碼。程式結束本機代碼捨棄。

編譯器開關影響：

未優化 IL 產生 NOP 供偵錯設中斷點。IL 為堆疊架構（壓棧/彈棧）。IL 安全驗證機制保證記憶體存取安全，每個託管 EXE 獨立 AppDomain 執行。不安全代碼：/unsafe + unsafe 關鍵字。PEVerify 檢查不安全方法。

1.5 NGEN.exe 預先編譯

將 IL 預編譯至硬碟檔案：加快啟動、減少工作集 (代碼共享)。缺點：無法保護 IL 外洩、檔案可能失去同步、基址靜態計算修改慢、執行效能不如 JIT。無法使用 NGEN 檔案時自動回退 JIT。

1.7 CTS 規範

• 類型可含 0+ 成員。
• 類型可見性與成員存取規則。
• 繼承、虛方法、物件生命週期管理規則。
• 所有類型最終繼承自 System.Object。

1.8 CLS 合規性

• C# 定義的型別/方法若可在 VB 使用，則不可定義 CLS 外的 public/protected 特性；private 不受限。
• C# 允許僅大小寫不同的兩方法（不符 CLS）→ 不可為 public。
• [assembly:CLSCompliant(true)] 標記組件，編譯器檢查 CLS 相容性。實測：定義 A() 與 a() 產生警告；移除屬性或改為 private 則無警告。IL 中兩方法共存，證明 IL 語法範圍大於 CLS。VB 專案引用該 DLL，IntelliSense 不顯示不符 CLS 成員；修正後可見。
• 結論：不符 CLS 的語法在其他語言中不可見。

1.9 COM 互操作

1. 託管代碼呼叫非託管 DLL 函數 (Kernel32.dll, User32.dll)。
2. 託管代碼使用現成 COM 元件。
3. 非託管代碼使用託管型別 (C# 寫 ActiveX/Shell 擴展)。