[搬运] DotNetAnywhere:可供选择的 .NET 运行时

原文 : DotNetAnywhere: An Alternative .NET Runtime

作者 : Matt Warren

译者 : 张很水

我最近在收听一个名为DotNetRock 的优质播客，其中有以Knockout.js而闻名的Steven Sanderson 正在讨论 " WebAssembly And Blazor "。

也许你还没听过，Blazor 正试图凭借WebAssembly的魔力将 .NET 带入到浏览器中。如果您想了解更多信息，Scott Hanselmen 已经在 " .NET和WebAssembly——这会是前端的未来吗? "一文中做了一番介绍。( 点击查看该文的翻译)。

尽管 WebAssembly 非常酷炫，然而更让我感兴趣的是 Blazor 如何使用DotNetAnywhere作为底层的 .NET 运行时。本文将讨论DotNetAnywhere 是什么，能做什么，以及同完整的 .NET Framework 做比较。

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DotNetAnywhere

首先值得指出的是，DotNetAnywhere (DNA) 被设计为一个完全兼容的 .NET 运行时，可以运行被完整的.NET 框架编译的 dll 和 exe 。除此之外 (至少在理论上) 支持 以下的.NET 运行时的功能，真是令人激动!

• 泛型
• 垃圾收集和析构
• 弱引用
• 完整的异常处理 - try/catch/finally
• PInvoke
• 接口
• 委托
• 事件
• 可空类型
• 一维数组
• 多线程

另外对于反射提供部分支持

• 非常有限的只读方法
  
  typeof(), GetType(), Type.Name, Type.Namespace, Type.IsEnum(), .ToString()

最后，还有一些目前不支持的功能：

• 属性
• 大部分的反射方法
• 多维数组
• Unsafe 代码

各种各样的错误或缺少的功能可能会让代码无法在 DotNetAnywhere下运行，但其中一些已经被Blazor 修复，所以值得时不时检查 Blazor 的发布版本。

如今，DotNetAnywhere 的原始仓库不再活跃 (最后一个持续的活动是在2012年1月)，所以未来任何的开发或错误修复都可能在 Blazor 的仓库中执行。如果你曾经在 DotNetAnywhere 中修复过某些东西，可以考虑在那里发一个PR。

更新：还有其他版本的各种错误修复和增强：

• https://github.com/ncave/dotnet-js
• https://github.com/memsom/dna

源代码概览

我觉得 DotNetAnywhere 运行时最令人印象深刻的一点是 只由一个人开发，并且 只用了 40,000 行代码！反观，完整的 .NET 框架仅是垃圾收集器就有将近37000 行代码 ( 更多信息请我之前发布的CoreCLR 源代码漫游指南 )。

机器码 - 共 17,710 行

LOC	File
3,164	JIT_Execute.c
1,778	JIT.c
1,109	PInvoke_CaseCode.h
630	Heap.c
618	MetaData.c
563	MetaDataTables.h
517	Type.c
491	MetaData_Fill.c
467	MetaData_Search.c
452	JIT_OpCodes.h

托管代码 - 共 28,783 行

LOC	File
2393	corlib/System.Globalization/CalendricalCalculations.cs
2314	corlib/System/NumberFormatter.cs
1582	System.Drawing/System.Drawing/Pens.cs
1443	System.Drawing/System.Drawing/Brushes.cs
1405	System.Core/System.Linq/Enumerable.cs
745	corlib/System/DateTime.cs
693	corlib/System.IO/Path.cs
632	corlib/System.Collections.Generic/Dictionary.cs
598	corlib/System/String.cs
467	corlib/System.Text/StringBuilder.cs

关键组件

接下来，让我们看一下 DotNetAnywhere 中的关键组件，正是我们了解怎么兼容 .NET 运行时的好办法。同样我们也能看到它与微软 .NET Framework 的差异。

加载 .NET dll

DotNetAnywhere 所要做的第一件事就是加载、解析包含在 .dll 或者.exe 中的 元数据和代码。这一切都存放在MetaData.c中，主要是在LoadSingleTable(..) 函数中。通过添加一些调试代码，我能够从一般的 .NET dll 中获取所有类型的 元数据 摘要，这是一个非常有趣的列表：

MetaData contains     1 Assemblies (MD_TABLE_ASSEMBLY)
MetaData contains     1 Assembly References (MD_TABLE_ASSEMBLYREF)
MetaData contains     0 Module References (MD_TABLE_MODULEREF)

MetaData contains    40 Type References (MD_TABLE_TYPEREF)
MetaData contains    13 Type Definitions (MD_TABLE_TYPEDEF)
MetaData contains    14 Type Specifications (MD_TABLE_TYPESPEC)
MetaData contains     5 Nested Classes (MD_TABLE_NESTEDCLASS)

MetaData contains    11 Field Definitions (MD_TABLE_FIELDDEF)
MetaData contains     0 Field RVA's (MD_TABLE_FIELDRVA)
MetaData contains     2 Propeties (MD_TABLE_PROPERTY)
MetaData contains    59 Member References (MD_TABLE_MEMBERREF)
MetaData contains     2 Constants (MD_TABLE_CONSTANT)

MetaData contains    35 Method Definitions (MD_TABLE_METHODDEF)
MetaData contains     5 Method Specifications (MD_TABLE_METHODSPEC)
MetaData contains     4 Method Semantics (MD_TABLE_PROPERTY)
MetaData contains     0 Method Implementations (MD_TABLE_METHODIMPL)
MetaData contains    22 Parameters (MD_TABLE_PARAM)

MetaData contains     2 Interface Implementations (MD_TABLE_INTERFACEIMPL)
MetaData contains     0 Implementation Maps? (MD_TABLE_IMPLMAP)

MetaData contains     2 Generic Parameters (MD_TABLE_GENERICPARAM)
MetaData contains     1 Generic Parameter Constraints (MD_TABLE_GENERICPARAMCONSTRAINT)

MetaData contains    22 Custom Attributes (MD_TABLE_CUSTOMATTRIBUTE)
MetaData contains     0 Security Info Items? (MD_TABLE_DECLSECURITY)

更多关于 元数据 的资料请参阅 介绍 CLR 元数据，解析.NET 程序集—–关于 PE 头文件 和 ECMA 标准 等文章。

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执行 .NET IL

DotNetAnywhere 的另一大功能是 "即时编译器" (JIT)，即执行 IL 的代码，从 JIT_Execute.c和JIT.c 中开始执行。在 JITit(..) 函数 的主入口中 "执行循环"，其中最令人印象深刻的是在一个 1,374 行代码的 switch 中就有 200 多个 case !!

从更高的层面看，它所经历的整个过程如下所示：

与定义在 CIL_OpCodes.h (CIL_XXX) .NET IL 操作码 ( Op-Codes)  不同，DotNetAnywhere JIT 操作码 (Op-Codes) 是定义在 JIT_OpCodes.h (JIT_XXX)中。

有趣的是这部分 JIT 代码是 DotNetAnywhere 中唯一一处使用汇编编写 ，并且只是 win32 。 它允许使用 jump 或者 goto 在 C 源码中跳转标签,所以当 IL 指令被执行时，实际上并不会离开 JITit(..) 函数，控制（流程）只是从一处移动到别处，不必进行完整的方法调用。

#ifdef __GNUC__

#define GET_LABEL(var, label) var = &&label

#define GO_NEXT() goto **(void**)(pCurOp++)

#else
#ifdef WIN32

#define GET_LABEL(var, label) \
	{ __asm mov edi, label \
	__asm mov var, edi }

#define GO_NEXT() \
	{ __asm mov edi, pCurOp \
	__asm add edi, 4 \
	__asm mov pCurOp, edi \
	__asm jmp DWORD PTR [edi - 4] }

#endif

IL 差异

在完整的 .NET framework 中，所有的 IL 代码在被 CPU 执行之前都是由  Just-in-Time Compiler (JIT) 转换为机器码。

如你所见, DotNetAnywhere "解释" (interprets) IL时是逐条执行指令，甚至会调用 JIT.c 文件来完成。 没有机器码 被反射发出 (emitted) ,所以这个命名还是有点奇怪!?

或许这只是一个差异，但实在是无法让我搞清楚它是如何进行 "解释" (interpreting) 代码和 "即时编译" (JITting)，即使我再阅读完下面的文章还是不得其解!! (有人能指教一下吗?)

• 即时编译器和解释器有什么区别？
• 了解传统的解释器、JIT 编译器、JIT 解释器 和 AOT 编译器 的不同之处
• JIT vs Interpreters
• 为什么我们将 Java 字节码转换为机器码的东西称为 “JIT编译器” 而不是 “JIT解释器” ？
• 了解 JIT 编译和优化

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垃圾回收

所有关于 DotNetAnywhere 的垃圾回收(GC) 代码都在 Heap.c 中，而且还是 600 行易于阅读的代码。给你一个概览吧，下面是它暴露的函数列表:

void Heap_Init();
void Heap_SetRoots(tHeapRoots *pHeapRoots, void *pRoots, U32 sizeInBytes);
void Heap_UnmarkFinalizer(HEAP_PTR heapPtr);
void Heap_GarbageCollect();
U32 Heap_NumCollections();
U32 Heap_GetTotalMemory();

HEAP_PTR Heap_Alloc(tMD_TypeDef *pTypeDef, U32 size);
HEAP_PTR Heap_AllocType(tMD_TypeDef *pTypeDef);
void Heap_MakeUndeletable(HEAP_PTR heapEntry);
void Heap_MakeDeletable(HEAP_PTR heapEntry);

tMD_TypeDef* Heap_GetType(HEAP_PTR heapEntry);

HEAP_PTR Heap_Box(tMD_TypeDef *pType, PTR pMem);
HEAP_PTR Heap_Clone(HEAP_PTR obj);

U32 Heap_SyncTryEnter(HEAP_PTR obj);
U32 Heap_SyncExit(HEAP_PTR obj);

HEAP_PTR Heap_SetWeakRefTarget(HEAP_PTR target, HEAP_PTR weakRef);
HEAP_PTR* Heap_GetWeakRefAddress(HEAP_PTR target);
void Heap_RemovedWeakRefTarget(HEAP_PTR target);

GC 差异

就像我们对比 JIT/Interpreter 一样, 在 GC 上的差异同样可见。

Conservative GC

首先，DotNetAnywhere 的 GC 是 Conservative GC。简单地说，这意味着它不知道 (或者说肯定) 内存的哪些区域是对象的引用/指针，还是一个随机数 (看起来像内存地址)。而在.NET Framework 中 JIT 收集这些信息并存在GCInfo structure中，所以它的 GC 可以有效利用，而 DotNetAnywhere 是做不到。

相反, 在 标记(Mark) 的阶段，GC 获取所有可用的 " 根 (roots) ", 将一个对象中的所有内存地址视为 "潜在的" 引用(因此说它是 "conservative")。然后它必须查找每个可能的引用，看看它是否真的指向 "对象的引用"。通过跟踪 平衡二叉搜索树 (按内存地址排序) 来执行操作, 流程如下所示：

但是，这意味着所有的对象引用在分配时都必须存储在二叉树中，这会增加分配的开销。另外还需要额外的内存，每个堆多占用 20 个字节。我们看看 tHeapEntry 的数据结构 (所有的指针占用 4 字节, U8 等于 1 字节，而 padding 可忽略不计)， tHeapEntry *pLink[2] 是启用二叉树查找所需的额外数据。

struct tHeapEntry_ {
    // Left/right links in the heap binary tree
    tHeapEntry *pLink[2];
    // The 'level' of this node. Leaf nodes have lowest level
    U8 level;
    // Used to mark that this node is still in use.
    // If this is set to 0xff, then this heap entry is undeletable.
    U8 marked;
    // Set to 1 if the Finalizer needs to be run.
    // Set to 2 if this has been added to the Finalizer queue
    // Set to 0 when the Finalizer has been run (or there is no Finalizer in the first place)
    // Only set on types that have a Finalizer
    U8 needToFinalize;

    // unused
    U8 padding;

    // The type in this heap entry
    tMD_TypeDef *pTypeDef;

    // Used for locking sync, and tracking WeakReference that point to this object
    tSync *pSync;

    // The user memory
    U8 memory[0];
};

为什么 DotNetAnywhere 这样做呢?   DotNetAnywhere的作者Chris Bacon 是这样 解释：

告诉你吧，整个堆代码确实需要重写，减少每个对象的内存开销，并且不需要分配二叉树。一开始设计 GC 时没有考虑那么多,（现在做的话）会增加很多代码。这是我一直想做的事情，但从来没有动手。为了尽快使用 GC 而只好如此。 在最初的设计中完全没有 GC。它的速度非常快，以至于内存也会很快用完。

更多 "Conservative" 机制和 "Precise" GC机制的细节请看:

• Precise 对比 conservative 以及内部指针
• .NET CLR 如何区分托管指针和非托管指针？

GC 只做了 "标记-扫描", 不会做压缩

在 GC 方面另一个不同的行为是它不会在回收后做任何内存 压缩 ，正如 Steve Sanderson 在 working on Blazor 中所说：

• 在服务器端执行期间，我们实际上并不需要任何内存固定 (pin)，在客户端执行过程中并没有任何互操作，所有的东西（实际上）都是固定的。因为 DotNetAnywhere 的 GC只做标记扫描,没有任何压缩阶段。

此外，当一个对象被分配给 DotNetAnywhere 时，只是调用了 malloc(), 它的代码细节在 Heap_Alloc(..) 函数 中。所以它也没有"Generations" 或者 "Segments" 的概念，你在 .NET Framework GC 中见到的如 "Gen 0"、"Gen 1" 或者 "大对象堆" 等都不会出现。

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线程模型

最后，我们来看看线程模型，它与 .NET Framework 中的线程模型截然不同。

线程差异

DotNetAnywhere (表面上)乐于为你创建线程并执行代码, 然而这只是一种幻觉. 事实上它只会跑在 一个线程 中， 不同的线程之间 切换上下文:

你可以通过下面的代码了解, ( 引用自 Thread_Execute() 函数)将  numInst 设置为 100 并传入 JIT_Execute(..) 中:

for (;;) {
    U32 minSleepTime = 0xffffffff;
    I32 threadExitValue;

    status = JIT_Execute(pThread, 100);
    switch (status) {
        ....
    }
}

一个有趣的副作用是 DotNetAnywhere 中corlib 的实现代码将变得非常简单。如Interlocked.CompareExchange() 函数的内部实现 所示, 你所期待的同步就缺失了：

tAsyncCall* System_Threading_Interlocked_CompareExchange_Int32(
            PTR pThis_, PTR pParams, PTR pReturnValue) {
    U32 *pLoc = INTERNALCALL_PARAM(0, U32*);
    U32 value = INTERNALCALL_PARAM(4, U32);
    U32 comparand = INTERNALCALL_PARAM(8, U32);

    *(U32*)pReturnValue = *pLoc;
    if (*pLoc == comparand) {
        *pLoc = value;
    }

    return NULL;
}

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基准对比

作为性能测试, 我将使用C# 最简版本 实现的 基于二叉树的计算机语言基准测试做对比。

注意：DotNetAnywhere 旨在运行于低内存设备，所以不意味着能与完整的 .NET Framework具有相同的性能。对比结果时切记!!

.NET Framework, 4.6.1 - 0.36 seconds

Invoked=TestApp.exe 15
stretch tree of depth 16         check: 131071
32768    trees of depth 4        check: 1015808
8192     trees of depth 6        check: 1040384
2048     trees of depth 8        check: 1046528
512      trees of depth 10       check: 1048064
128      trees of depth 12       check: 1048448
32       trees of depth 14       check: 1048544
long lived tree of depth 15      check: 65535

Exit code      : 0
Elapsed time   : 0.36
Kernel time    : 0.06 (17.2%)
User time      : 0.16 (43.1%)
page fault #   : 6604
Working set    : 25720 KB
Paged pool     : 187 KB
Non-paged pool : 24 KB
Page file size : 31160 KB

DotNetAnywhere - 54.39 seconds

Invoked=dna TestApp.exe 15
stretch tree of depth 16         check: 131071
32768    trees of depth 4        check: 1015808
8192     trees of depth 6        check: 1040384
2048     trees of depth 8        check: 1046528
512      trees of depth 10       check: 1048064
128      trees of depth 12       check: 1048448
32       trees of depth 14       check: 1048544
long lived tree of depth 15      check: 65535

Total execution time = 54288.33 ms
Total GC time = 36857.03 ms
Exit code      : 0
Elapsed time   : 54.39
Kernel time    : 0.02 (0.0%)
User time      : 54.15 (99.6%)
page fault #   : 5699
Working set    : 15548 KB
Paged pool     : 105 KB
Non-paged pool : 8 KB
Page file size : 13144 KB

显然，DotNetAnywhere 在这个基准测试中运行速度并不快（0.36秒/ 54秒）。然而，如果我们对比另一个基准测试，它的表现就好很多。DotNetAnywhere 在分配对象（类）时有很大的开销，而在使用结构时就不那么明显了。

	Benchmark 1 (using classes)	Benchmark 2 (using structs)
Elapsed Time (secs)	3.1	2.0
GC Collections	96	67
Total GC time (msecs)	983.59	439.73

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最后，我要感谢 Chris Bacon。DotNetAnywhere 真是一个伟大的代码库，对于我们实现 .NET 运行时很有帮助。

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请在 Hacker News的 /r/programming 中讨论本文。

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