что такое управляемый код и clr основные требования к управляемому коду

Что такое управляемый код

Сравните это с запуском программы C/C++, которая также называется «неуправляемым кодом». В мире неуправляемого кода практически за все отвечает программист. Сама программа представляет собой двоичный файл, который операционная система (ОС) загружает в память и запускает. За все остальное — от управления памятью до различных аспектов безопасности — отвечает программист.

Промежуточный язык и выполнение

После создания IL из кода высокого уровня вы, скорее всего, захотите запустить его. В этот момент среда CLR берет управление на себя и запускает процесс JIT-компиляции, используя JIT для преобразования кода из промежуточного языка в машинный код, который может выполняться на ЦП. Таким образом, среде CLR точно известно, что делает код, поэтому она может эффективно управлять им.

Промежуточный язык иногда называют языком CIL или MSIL.

Взаимодействие неуправляемого кода

Конечно же, среда CLR позволяет пересекать границы между управляемым и неуправляемым кодом, и даже в библиотеках базовых классов объем подобного кода довольно велик. Это называется взаимодействием или межпрограммным взаимодействием. Все это позволяет вам, например, заключить неуправляемую библиотеку в оболочку и вызвать ее. Но следует отметить, что после того как код пересекает границы среды выполнения, управление выполнением снова осуществляется в виде неуправляемого кода с соответствующими ограничениями.

Аналогично, C# — это язык, позволяющий использовать неуправляемые конструкции, такие как указатели, прямо в коде с помощью так называемого небезопасного контекста, указывающего часть кода, для которой выполнение не управляется средой CLR.

Источник

Процесс выполнения управляемого кода

Процесс управляемого исполнения включает следующие шаги, которые подробно разбираются позднее в этом разделе:

Чтобы воспользоваться преимуществами среды CLR, необходимо использовать один или несколько языковых компиляторов, обращающихся к среде выполнения.

При компиляции исходный код преобразуется в MSIL и создаются необходимые метаданные.

Во время выполнения JIT-компилятор преобразует инструкции MSIL в машинный код. Во время этой компиляции выполняется проверка кода и метаданных MSIL с целью установить, можно ли для них определить, является ли код типобезопасным.

Среда CLR предоставляет инфраструктуру, обеспечивающую выполнение кода, и ряд служб, которые можно использовать при выполнении.

Выбор компилятора

Чтобы воспользоваться преимуществами, предоставляемыми средой CLR, необходимо применить один или несколько языковых компиляторов, ориентированных на среду выполнения, например компилятор Visual Basic, C#, Visual C++, F# или один из многочисленных компиляторов от независимых разработчиков, например компилятор Eiffel, Perl или COBOL.

Поскольку среда выполнения является многоязычной, она поддерживает широкий набор разнообразных типов данных и языковых средств. Доступные средства среды выполнения определяются используемым языковым компилятором, и разработчики создают код с использованием этих средств. Используемый в коде синтаксис определяется компилятором, а не средой выполнения. Если компонент должен быть полностью доступен для компонентов, написанных на других языках, то экспортируемые этим компонентом типы должны предоставлять исключительно языковые функции, включенные в состав спецификации CLS. Атрибут CLSCompliantAttribute позволяет гарантировать, что код является CLS-совместимым. Дополнительные сведения см. в разделе Независимость от языка и независимые от языка компоненты.

Компиляция в MSIL

При компиляции в управляемый код компилятор преобразует исходный код в промежуточный язык Microsoft (MSIL), представляющий собой независимый от процессора набор инструкций, который можно эффективно преобразовать в машинный код. Язык MSIL включает инструкции для загрузки, сохранения, инициализации и вызова методов для объектов, а также инструкции для арифметических и логических операций, потоков управления, прямого доступа к памяти, обработки исключений и других операций. Перед выполнением код MSIL необходимо преобразовать в код для конкретного процессора, обычно с помощью JIT-компилятора. Поскольку среда CLR предоставляет для каждой поддерживаемой компьютерной архитектуры один или несколько JIT-компиляторов, один набор инструкций MSIL можно компилировать и выполнять в любой поддерживаемой архитектуре.

Когда компилятор создает код MSIL, одновременно создаются метаданные. Метаданные содержат описание типов в коде, включая определение каждого типа, сигнатуры каждого члена типа, члены, на которые есть ссылки в коде, а также другие сведения, используемые средой выполнения во время выполнения. MSIL и метаданные содержатся в переносимом исполняемом (PE) файле, который основывается на форматах Microsoft PE и COFF, ранее использовавшихся для исполняемого контента, но при этом расширяет их возможности. Этот формат файлов, позволяющий размещать код MSIL или машинный код, а также метаданные, позволяет операционной системе распознавать образы среды CLR. Наличие в файле метаданных наряду с MSIL позволяет коду описывать себя. Это устраняет потребность в библиотеках типов и языке IDL. Среда выполнения находит и извлекает метаданные из файла по мере необходимости при выполнении.

Компиляция инструкций MSIL в машинный код

Компиляция с помощью JIT-компилятора

При JIT-компиляции язык MSIL преобразуется в машинный код во время выполнения приложения по требованию, когда загружается и выполняется содержимое сборки. Поскольку среда CLR предоставляет JIT-компилятор для каждой поддерживаемой архитектуры процессора, разработчики могут создавать набор сборок MSIL, которые могут компилироваться с помощью JIT-компилятора и выполняться на разных компьютерах с разной архитектурой. Если управляемый код вызывает специфический для платформы машинный API или библиотеку классов, то он будет выполняться только в соответствующей операционной системе.

При JIT-компиляции учитывается возможность того, что определенный код может никогда не вызываться во время выполнения. Чтобы не тратить время и память на преобразование всего содержащегося в PE-файле MSIL в машинный код, при компиляции MSIL преобразуется в машинный код по мере необходимости во время выполнения. Полученный таким образом машинный код сохраняется в памяти, что позволяет использовать его при дальнейших вызовах в контексте этого процесса. Загрузчик создает и присоединяет заглушки к каждому методу в типе, когда тип загружается и инициализируется. При первом вызове метода заглушка передает управление JIT-компилятору, который преобразует MSIL для этого метода в машинный код и заменяет заглушку на созданный машинный код. Поэтому последующие вызовы метода, скомпилированного с помощью JIT-компилятора, ведут непосредственно к машинному коду.

Создание кода во время установки с помощью NGen.exe

Тот факт, что JIT-компилятор преобразует MSIL-код сборки в машинный код при вызове отдельных методов, определенных в этой сборке, отрицательно сказывается на производительности во время выполнения. В большинстве случаев снижение производительности приемлемо. Что более важно, код, созданный JIT-компилятором, будет привязан к процессу, вызвавшему компиляцию. Его нельзя сделать общим для нескольких процессов. Чтобы созданный код можно было использовать в нескольких вызовах приложения или в нескольких процессах, которые совместно используют набор сборок, среда CLR предоставляет режим предварительной компиляции. В таком режиме компиляции для преобразования сборок MSIL в машинный код в стиле JIT-компилятора используется генератор образов в машинном коде (Ngen.exe). Однако, работа Ngen.exe отличается от JIT-компилятора в трех аспектах.

Ngen.exe выполняет преобразование из MSIL-кода в машинный код перед выполнением приложения, а не во время его выполнения.

При этом сборка компилируется целиком, а не по одному методу за раз.

Она сохраняет созданный код в кэше образа машинного кода в виде файла на диске.

Проверка кода

В процессе компиляции в машинный код MSIL-код должен пройти проверку, если только администратор не установил политику безопасности, разрешающую пропустить проверку кода. MSIL-код и метаданные проверяются на типобезопасность. Это подразумевает, что код должен обращаться только к тем адресам памяти, к которым ему разрешен доступ. Типобезопасность помогает изолировать объекты друг от друга и способствует их защите от непредумышленного или злонамеренного повреждения. Она также гарантирует надежное применение условий безопасности для кода.

Среда выполнения основывается на истинности следующих утверждений для поддающегося проверке типобезопасного кода:

ссылка на тип строго совместима с адресуемым типом;

для объекта вызываются только правильно определенные операции;

удостоверения являются подлинными.

В процессе проверки кода MSIL делается попытка подтвердить, что код может получать доступ к расположениям в памяти и вызывать методы только через правильно определенные типы. Например, код не должен разрешать доступ к полям объекта так, чтобы можно было выходить за границы расположения в памяти. Кроме того, проверка определяет, правильно ли был создан код MSIL, поскольку неверный код MSIL может приводить к нарушению правил строгой типизации. В процессе проверки передается правильно определенный типобезопасный код. Однако иногда типобезопасный код может не пройти проверку из-за ограничений процесса проверки, а некоторые языки по своей структуре не позволяют создавать поддающийся проверке типобезопасный код. Если в соответствии с политикой безопасности использование типобезопасного кода является обязательным и код не проходит проверку, то при выполнении кода создается исключение.

Выполнение кода

Среда CLR предоставляет инфраструктуру, обеспечивающую управляемое выполнение кода, и ряд служб, которые можно использовать при выполнении. Перед выполнением метода его необходимо скомпилировать в код для конкретного процессора. Каждый метод, для которого создан MSIL-код, компилируется с помощью JIT-компилятора при первом вызове и затем запускается. При следующем вызове метода будет выполняться существующий JIT-скомпилированный код. Процесс JIT-компиляции и последующего выполнения кода повторяется до завершения выполнения.

Во время выполнения для управляемого кода доступны такие службы, как сборка мусора, обеспечение безопасности, взаимодействие с неуправляемым кодом, поддержка отладки на нескольких языках, а также поддержка расширенного развертывания и управления версиями.

В Microsoft Windows Vista загрузчик операционной системы выполняет поиск управляемых модулей, анализируя бит в заголовке COFF. Установленный бит обозначает управляемый модуль. При обнаружении управляемых модулей загружается библиотека Mscoree.dll, а подпрограммы _CorValidateImage и _CorImageUnloading уведомляют загрузчик о загрузке и выгрузке образов управляемых модулей. Подпрограмма _CorValidateImage выполняет следующие действия:

Проверяет, является ли код допустимым управляемым кодом.

Заменяет точку входа в образе на точку входа в среде выполнения.

В 64-разрядных системах Windows _CorValidateImage изменяет образ, находящийся в памяти, путем преобразования его из формата PE32 в формат PE32+.

Источник

В качестве примера приведу текст программы, выводящий на экран возраст объекта:
исходный текст программы, чтобы было понятно:

Что такое CLR?

CLR (Common language runtime) — общеязыковая исполняющая среда. Она обеспечивает интеграцию языков и позволяет объектам благодаря стандартному набору типов и метаданным), созданным на одном языке, быть «равноправными гражданами» кода, написанного на другом.

Другими словами CLR этот тот самый механизм, который позволяет программе выполняться в нужном нам порядке, вызывая функции, управляя данными. И все это для разных языков (c#, VisualBasic, Fortran). Да, CLR действительно управляет процессом выполнения команд (машинного кода, если хотите) и решает, какой кусок кода (функцию) от куда взять и куда подставить прямо в момент работы программы. Процесс компиляции представлен на рисунке:

Компилятор, помимо ассемблера IL создает полные метаданные.

Метаданные — набор из таблиц данных, описывающих то, что определено в модуле. Также есть таблицы, указывающие на что ссылается управляемый модуль (например, импортируемые типы и числа). Они расширяют возможности таких технологий как библиотеки типов и файлы языка описания интерфейсов (IDL). Метаданные всегда связаны с файлом с IL кодом, фактически они встроены в *.exe или *.dll.
Таким образом метаданные это таблицы, в которых есть поля, говорящие о том, что такой-то метод находится в таком-то файле и принадлежит такому-то типу(классу).
Вот как выглядят метаданные для моего примера (таблицы метаданных просто преобразованы в понятный вид с помощью дизассемблера ILdasm.exe. На самом деле это часть *.exe файла программы:

Разобравшись с основными понятиями, давайте посмотрим из чего же состоит тот самый управляемый модуль (или просто наш файл ConsoleApplication_Test_Csharp.exe, который выполняет вывод на экран возраста объекта):

Заголовок показывает на каком типе процессора будет выполняться программа. РЕ32 (для 32 и 64 битных ОС) или РЕ32+ (только для 64 битных ОС)
Заголовок CLR — содержит информацию, превращающую этот модуль в управляемый (флаги, версия CLR, точки входа в Main())
Метаданные — 2 вида таблиц метаданных:
1) определенные в исходном коде типы и члены
2) типы и члены, имеющие ссылки в исходном коде.
Код IL — Код, создаваемый компилятором при компиляции кода на C#. Затем IL преобразуется в процессорные команды (0001 0011 1101… ) при помощи CLR (а точнее JIT)

Работа JIT

И так, что же происходит, когда запускается впервые программа?
Сперва происходит анализ заголовка, чтобы узнать какой процесс запустить (32 или 64 разрядный). Затем загружается выбранная версия файла MSCorEE.dll ( C:\Windows\System32\MSCorEE.dll для 32разрядных процессоров)
После чего вызывается метод, расположенный MSCorEE.dll, который и инициализирует CLR, сборки и точку входа функции Main() нашей программы.

Для выполнения какого-либо метода, например System.Console.WriteLine(«Hello „), IL должен быть преобразован в машинные команды (те самые нули и единицы) Этим занимается Jiter или just-in-time compiler.

Сперва, перед выполнением Main() среда CLR находит все объявленные типы (например тип Console).
Затем определяет методы, объединяя их в записи внутри единой “структуры» (по одному методу определенному в типе Console).
Записи содержат адреса, по которым можно найти реализации методов (т.е. те преобразования, которые выполняет метод).

При первом обращение к функции WriteLine вызывается JiT-compiler.
JiTer ‘у известны вызываемый метод и тип, которым определен этот метод.
JiTer ищет в метаданных соответствующей сборки — реализацию кода метода (код реализации метода WriteLine(string str) ).
Затем, он проверяет и компилирует IL в машинный код (собственные команды), сохраняя его в динамической памяти.
После JIT Compiler возвращается к внутренней «структуре» данных типа (Console) и заменяет адрес вызываемого метода, на адрес блока памяти с исполняемыми процессорными командами.
После этого метод Main() обращается к методу WriteLine(string str) повторно. Т.к. код уже скомпилирован, обращение производится минуя JiT Compiler. Выполнив метод WriteLine(string str) управление возвращается методу Main().

Из описания следует, что «медленно» работает функция только в момент первого вызова, когда JIT переводит IL код в инструкции процессора. Во всех остальных случаях код уже находится в памяти и подставляется как оптимизированный для данного процессора. Однако если будет запущена еще одна программа в другом процессе, то Jiter будет вызван снова для того же метода. Для приложений выполняемых в х86 среде JIT генерируется 32-разрядные инструкции, в х64 или IA64 средах — соответственно 64-разрядные.

Оптимизация кода. Управляемый и неуправляемый код

IL может быть оптимизирован, т.е. из него будут удалены IL — команды NOP (пустая команда). Для этого при компиляции нужно добавить параметры

Чем же отличается управляемый код от неуправляемого?

Неуправляемый код компилируется для конкретного процессора и при вызове просто исполняется.

В управляемой среде компиляция производится в 2 этапа:

1) компилятор переводит C# код в IL
2) для исполнения нужно перевести IL код в машинный код процессора, что требует доп. динамической памяти и времени (как раз та самая работа JIT).

Взаимодействие с неуправляемым кодом:

— управляемый код может вызывать направляемую функцию из DLL посредствам P/Invoke (например CreateSemaphore из Kernel32.dll).
— управляемый код может использовать существующий COM-компонент (сервер).
— неуправляемый код может использовать управляемый тип (сервер). Можно реализовать COM — компоненты в управляемой среде и тогда не нужно вести подсчет ссылок интерфейсов.

Параметр /clr позволяет скомпилировать Visual С++ код в управляемые IL методы (кроме когда, содержащего команды с ассемблерными вставками ( __asm ), переменное число аргументов или встроенные процедуры ( __enable, _RetrurAddress )). Если этого сделать не получится, то код скомпилируется в стандартные х86 команды. Данные в случае IL кода не являются управляемыми (метаданные не создаются) и не отслеживаются сборщиком мусора (это касается С++ кода).

Система типов

В дополнение хочу рассказать о системе типов CTS, принятой Microsoft.

CTS (Common Type System) — общая система типов в CLR (тип, по-видимому — это аналог класса C#). Это — стандарт, признанный ECMA который описывает определение типов и их поведение. Также определяет правила наследования, виртуальных методов, времени жизни объектов. После регистрации ECMA стандарт получил название CLI ( Common Language Infrastructure)

— CTS поддерживает только единичное наследование (в отличие от С++)
— Все типы наследуются от System.Object (Object — имя типа, корень все остальных типов, System — пространство имен)

По спецификации CTS любой тип содержит 0 или более членов.

Поле — переменная, часть состояния объекта. Идентифицируются по имени и типу.
Метод — функция, выполняющая действие над объектом. Имеет имя, сигнатуру(число параметров, последовательность, типы параметров, возвр. значение функции) и модификаторы.
Свойство — в реализации выглядит как метод (get/set) а для вызывающей стороны как поле ( = ). Свойства позволяют типу, в котором они реализованы, проверить входные параметры и состояние объекта.
Событие — обеспечивает механизм взаимного уведомления объектов.

Public — метод доступен любому коду из любой сборки
Private — методы вызывается только внутри типа
Family (protected) — метод вызывается производными типами независимо от сборки
Assembly (internal) — метод вызывается любым кодом из той же сборки
Family or Assembly
(protected internal) — метод вызывается производными типами из любой сборки и + любыми типами из той же сборки.

CLS (Common Language Specification) — спецификации выпущенная Майкрософт. Она описывает минимальный набор возможностей, которые должны реализовать производители компиляторов, чтобы их продукты работали в CLR. CLR/CTS поддерживает больше возможностей, определенных CLS. Ассемблер IL поддерживает полный набор функций CLR/CTS. Языки (C#, Visual Basic) поддерживает часть возможностей CLR/CTS (в т.ч. минимум от CLS).
Пример на рисунке

Пример проверки на соответствие CLS

Атрибут [assembly: CLSCompliant(true)] заставляет компилятор обнаруживать любые доступные извне типы, содержащие конструкции, недопустимые в других языках.

Первое предупреждение: UInt32 Abc() возвращает целочисленное целое без знака. Visaul Basic, например, не работает с такими значениями.
Второе предупрждение: два открытых метода Abc() и abc() — одиноквые и отличаются лишь регистром букв и возвращаемым типом. VisualBasic не может вызывать оба метода.

Убрав public и оставив только sealed class SomeLibraryType оба предупреждения исчезнут. Так как SomeLibraryType по-умолчанию будет internal и не будет виден извне сборки.

Источник

Что такое управляемый/неуправляемый код в C#?

что такое управляемый и неуправляемый код? Я не понимаю.

12 ответов

некоторый код библиотеки должен вызывать неуправляемый код (например, API собственного кода, например Win32). Поскольку это означает выход за пределы периметра безопасности для управляемого кода, необходимо соблюдать осторожность.

вот еще одно бесплатное объяснение управляемого кода:

Я думаю, это потому, что NUnit выполняет ваш код для UnitTesting и может иметь некоторую его часть, которая неуправляема. Но я не уверен, поэтому не принимайте это за золото. Я уверен, что кто-то сможет дать вам больше информации об этом. Надеюсь, это поможет!

этой хорошая статья о предмете.

уроженца код часто является синонимом неуправляемого, но не идентичен.

когда вы думаете о неуправляемые, думайте машин-специфический, машин-ровный код. Как ассемблере x86. Неуправляемый (родной) код компилируется и связывается для запуска непосредственно на процессоре, для которого он был разработан, исключая все ОС на данный момент. Он не переносной, но быстрый. Очень простой, урезанный код.

в нескольких словах, как это возможно:

NUnit загружает модульные тесты в отдельный AppDomain, и я предполагаю, что точка входа не вызывается (вероятно, не требуется), поэтому сборка записи равна null.

Управляемый Код:
Код, который работает по «договору о сотрудничестве» с общеязыковая среда выполнения. Управляемый код должен предоставлять метаданные необходимые для выполнения оказания услуг, таких как память управления, межъязыковая интеграция, код доступа, и автоматический контроль времени жизни объектов. Весь код на основе Microsoft промежуточный язык (MSIL) выполняется как управляемый код.

ООН-Управляемый Код:
Созданный код без учета соглашения и требования среды выполнения common language. Неуправляемый код выполняется в среде CLR с минимальными службы (например, нет сборки мусора, ограниченная отладка и т. д.).

OTOH,unmanged code что-то специфическое к машине и подготавливает для использования, никакая потребность обрабатывать ее более далее.

Источник

Предисловие

Управляемый модуль содержит управляемый код.

Управляемый код – это код, который выполняется в среде CLR. Код строится на основе объявляемых в исходном модуле структур и классов, содержащих объявления методов. Управляемому коду должен соответствовать определенный уровень информации (метаданных) для среды выполнения. Код C#, Visual Basic, и JScript является управляемым по умолчанию. Код Visual C++ не является управляемым по умолчанию, но компилятор может создавать управляемый код, для этого нужно указать аргумент в командной строке(/CLR). Одной из особенностей управляемого кода является наличие механизмов, которые позволяют работать с УПРАВЛЯЕМЫМИ ДАННЫМИ.

Декларация сборки (Manifest) – составная часть сборки. Это еще один набор таблиц метаданных, который:

Эта информация используется в период выполнения для поддержки корректной работы приложения.

Процессор НЕ МОЖЕТ выполнять IL-код. Перевод IL-кода осуществляется JIT-компилятором (Just In Time – в нужный момент), который активизируется CLR по мере необходимости и выполняется процессором. При этом результаты деятельности JIT-компилятора сохраняются в оперативной памяти. Между фрагментом оттранслированного IL-кода и соответствующим блоком памяти устанавливается соответствие, которое в дальнейшем позволяет CLR передавать управление командам процессора, записанным в этом блоке памяти, минуя повторное обращение к JIT-компилятору.

В среде CLR допускается совместная работа и взаимодействие компонентов программного обеспечения, реализованных на различных языках программирования.

CLR берет на себя решение многих проблем, которые традиционно находились в зоне особого внимания разработчиков приложений. К числу функций, выполняемых CLR, относятся:

Структура среды выполнения CLR (основные функциональные элементы среды) представлена на рисунке.

Строгий контроль типов, в частности, предполагает проверку соответствия типа объекта диапазону значений, которые могут быть присвоены данному объекту.

Функциональные блоки CLR Code Manager и Garbage Collector работают совместно: Code Manager обеспечивает размещение объектов в управляемой памяти, Garbage Collector – освобождает управляемую память.

Exception Manager включает следующие компоненты:

AppDomain (домен приложения) – это логический контейнер сборок, который используется для изоляции приложения в рамках адресного пространства процесса. Код, выполняемый в CLR (CLR-процесс), отделен от других процессов, выполняемых на компьютере в это же самое время. Обычный процесс запускается системой в рамках специально выделяемого процессу адресного пространства. CLR предоставляет возможность выполнения множества управляемых приложений в ОДНОМ ПРОЦЕССЕ. Каждое управляемое приложение связывается с собственным доменом приложения (сокращенно AppDomain). Все объекты, создаваемые приложением, создаются в рамках определенного домена приложения. Несколько доменов приложений могут существовать в одном процессе операционной системы. CLR изолирует приложения, управляя памятью в рамках домена приложения. В приложении, помимо основного домена, может быть создано несколько дополнительных доменов.

Источник