从.NET CLI（第3版）看.NET Framework 2.0

从.NET CLI（第3版）看.NET Framework 2.0

 

（V0.01）

 

2005年6月，.NET CLI（第3版）正式成为ECMA标准ECMA-335（第3版），第3版.NET CLI对应.NET Framework 2.0。了解第3版.NET CLI对了解.NET Framework 2.0内核有重要意义，本文试通过简要分析.NET CLI（第3版）包含的内容，初步了解一般资料中较少涉及的.NET Framework 2.0内核相关信息。

 

1 什么是.NET CLI

 

.NET CLI是.NET公共语言基础结构（.NET Common Language Infrastructure）的缩写，.NET Framework基于.NET CLI。.NET CLI文档中对.NET CLI的定义是：.NET CLI定义了一个公共语言基础结构，在公共语言基础结构中，各种不同的高级语言开发的应用程序，无需修改程序以适应不同的系统环境特有的特性，就可以在不同的系统环境下运行。

 

这个定义点明了.NET Framework的基本特性：

 

1、.NET Framework和Java一样，具有跨平台性，“不同的系统环境”实际上就是不同的硬件和软件平台（包括操作系统），理论上说，在任何硬件和软件平台上，只要实现.NET Framework，就可以不加修改地运行任何.NET应用程序，而无需考虑平台自身的特性。

 

2、.NET Framework还可以支持多种高级语言（跨语言性），任何.NET编程语言，即.NET平台支持的高级语言，开发的应用程序在.NET Framework上是等价的，都可以在.NET Framework上运行。

 

无论商业的炒作如何进行，系统底层程序员应该保持清醒的头脑，从.NET Framework的基本特性看来，通常被称为.NET CLR（.NET公共语言运行时，.NET Common Language Runtime）的.NET Framework底层，本质上一定是类似于Java虚拟机（Java VM）的虚拟机，.NET CLR执行的代码一定也是一种虚拟机代码或者中间代码，否则.NET Framework不可能实现跨平台，特别是适应不同的硬件平台。因为不同的硬件平台，CPU的指令集可能是不同的，只有通过虚拟机将中间代码在运行时动态转换为CPU指令集支持的本机代码，才能实现中间代码在不同硬件平台上的同样执行，进而实现适应不同的硬件平台。

 

.NET Framework可以支持多种.NET编程语言，这意味着：任何.NET编程语言的源程序最终都编译成相同的中间代码，也就是可以在.NET CLR（虚拟机）上运行的虚拟机代码。

 

2 .NET CLI包含的内容

 

.NET CLI（第3版）文档包含下列部分：

 

1、概念和体系结构：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。

 

2、元数据的定义和语义：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）。

 

3、CIL指令集：描述公共中间语言（CIL，Common Intermediate Language）指令集。CIL又称MSIL（微软中间语言，Microsoft Intermediate Language），CIL指令就是虚拟机代码或者中间代码的指令。

 

4、Profile和库：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，“Profile”一词亦可翻译成“库概要”或者“库配置”，但切勿翻译成“配置文件”。

 

5、调试交换格式：可交换（.NET CLI通用）调试信息的格式。

 

6、附件

 

从.NET CLI文档包含的整体内容来看，.NET CLI包含下列内容：

 

1、CLS（.NET CLS）

2、CTS（.NET CTS）

3、VES

 

VES是通常所说的.NET CLR的核心，这也是.NET CLR本质上是虚拟机的又一证明。

 

4、元数据

 

包括.NET扩展PE文件格式。

 

5、CIL（MSIL）

6、库和Profile

7、调试信息的格式

8、附件

 

实现.NET CLI定义的公共语言基础结构即可实现.NET Framework的子集。了解.NET CLI可以从底层较为详细地了解.NET CLS、.NET CTS、VES、Metadata、NET扩展PE文件格式、CIL等，这是系统底层程序员了解.NET Framework内核以及开发相关软件所必需的。推荐任何一位.NET系统底层程序员认真阅读.NET CLI文档，.NET CLI文档可在Microsoft公司网站上下载。

 

3 对.NET CLI包含内容意义的分析

 

.NET CLI提供了一个可执行代码（CIL代码）和代码运行的执行环境（VES）的规范，提供给VES可执行代码的是模块（Module），模块是一个文件格式中包含可执行内容的文件。

 

.NET CLI的核心是一个统一的类型系统（CTS），所有的.NET编程语言编译器、工具甚至.NET CLI自身都使用CTS，CTS模型定义了一组.NET CLI在定义、使用和管理类型时遵循的规则，CTS确定了实现跨语言集成、类型安全和高性能代码执行的框架，通过描述CTS可以描述.NET CLI的体系结构。

 

元数据用于描述和引用CTS定义的类型。因为元数据包含在.NET编程语言编译生成的最终的可执行文件——.NET扩展PE文件中，所以所有的.NET可执行文件中，仍然包含源程序中的所有类型的定义（描述），通常所说的.NET编程语言中的类（Class），也是CTS中定义的一种类型——引用类型的一种，这意味着所有类型，包括类，可以在.NET可执行文件运行时动态访问，例如在运行时动态确定使用某种类创建对象，而不是在编译时就确定创建对象的类。

 

CLS是.NET编程语言设计者和框架（例如类库）设计者之间的协定，CLS指定了CTS的子集和用法约定，编程语言通过实现CLS定义的CTS的最小化部分即可获得最大的访问框架的能力。例如：类库暴露出的接口如果只使用CLS指定的CTS子集中的类型，并遵循CLS协定，那么类库就可以被任何.NET编程语言调用。制定CLS的目的是考虑到跨语言集成，因为各种.NET编程语言虽然有其共性，但也有其特性，例如C#支持运算符重载而VB.NET不支持，同样VB.NET支持后期绑定语法而C#不支持，跨语言调用的类型必须是各种.NET编程语言都能支持的类型，所以要定义各种.NET编程语言都支持的CTS子集和用法约定。任何.NET编程语言都必须遵循.NET CLS，例如VB6对面向对象的支持不完整，但作为.NET编程语言的VB.NET，必需完全支持面向对象，这导致了VB6和VB.NET的不兼容。

 

VES实现并强制遵守CTS。.NET可执行文件完全由类型（包括类）构成，VES执行.NET可执行文件，实际上是执行类型，本质上是在元数据——类型定义的驱动下执行类型中方法的实现，方法的实现可以是CIL代码，也可以是本机代码，例如Visual C++.NET中的混合程序集同时包含CIL代码和本机代码，这就是托管执行（受控执行，Managed Execution）的本质。VES通过执行类型来实现并强制遵守CTS，因为类型是遵循CTS的，VES只能执行遵循CTS的类型。

 

虚拟机代码——CIL代码的指令集，近似一种虚拟的RISC体系结构CPU的指令集，CIL指令同样可以用一种虚拟的汇编语言表示，称为IL汇编语言。.NET可执行文件中的类型，其方法只要是用CIL代码实现的，可以反汇编成IL汇编语言的形式。因为CIL代码本质上是一种虚拟机代码，要将CIL代码反编译成.NET编程语言的源程序形式也是很简单的，如同Java可执行文件可以反编译成Java源程序一样。

 

4 第3版.NET CLI中添加的内容

 

第2版.NET CLI于2002年发布，对应.NET Framework 1.0，第3版.NET CLI对应.NET Framework 2.0。对比第2版.NET CLI和第3版.NET CLI，可以发现第3版.NET CLI添加的内容，最重要的就是对泛型（参数化的类型，Generics）的支持，这与.NET Framework 2.0的底层——.NET CLR 2.0添加的最重要内容是一致的。

 

5 .NET CLR与Java VM的异同

 

.NET CLR的本质和Java VM类似，都是虚拟机，这与Microsoft声称.NET Framework可以跨平台是对应的。

 

但是.NET CLR并不强调100％的平台无关性，托管执行的本质只是元数据驱动执行，尽管类型中方法的实现一般都使用CIL代码，例如C#和VB.NET的编译器只生成CIL代码，但不排除使用本机代码，例如Visual C++.NET的编译器可以生成同时包含CIL代码和本机代码的可执行文件，本机代码显然是平台相关的。

 

.NET Framework中，很多.NET框架类库的实现只是一种对Windows平台的包装，最终调用的还是Windows API或者Windows相关服务，例如企业服务（Enterprise Services）最终调用COM+企业组件服务。.NET框架类库是.NET应用程序调用的API，显然，使用了上述.NET框架类库的.NET应用程序是不可能离开Windows平台的。

 

.NET应用程序还可以直接调用Windows API，直接调用Windows API的.NET应用程序更不可能离开Windows平台。

 

可见Microsoft并不把跨平台作为.NET Framework追求的首要目标，.NET CLR是和Windows平台甚至硬件平台协同工作的，而Java VM的目标则是实现完全的跨平台，在各种硬件和软件平台上都有Java API的独立实现，可见二者的设计首要目标并不相同。

 

所以.NET CLR称为“Runtime（运行时）”，而Java VM称为“Virtual Machine（虚拟机）”还是很贴切的。

 

Microsoft会让.NET Framework完全跨平台吗？笔者看来现在不会，否则如何保持Windows平台的垄断地位？

 

.NET CLI定义的只是.NET Framework的子集，仅此而已。

 

6 .NET Framework 3.0

 

Windows Vista（Windows NT 6.0）将于2006年年底到2007年年初的时间正式发布，Windows Vista中包含了.NET Framework 3.0。

 

.NET Framework 3.0是WinFX正式发布时的称呼，.NET Framework 3.0提供了4个全新的子系统，对于程序员来说可以认为是4组全新的API，还包括全新的程序设计体系结构，它们分别是：图形用户界面子系统WPF（Windows表示层基础，Windows Presentation Foundation）、安全体系CardSpace、网络服务通信子系统WCF（Windows通信基础，Windows Communication Foundation）和工作流子系统WF（Windows工作流基础，Windows Workflow Foundation）。

 

实际上.NET Framework 3.0的核心仍然是.NET Framework 2.0，其底层仍然是.NET CLR 2.0，因此.NET Framework 3.0的发布对系统底层程序员的冲击相对比较小。从.NET Framework 3.0的核心仍然是.NET Framework 2.0看来，Microsoft无法放弃Windows API时代的大量资源，包括COM／COM+、DirectX等，.NET Framework在一段时期内仍然不会完全取代Windows API，系统底层程序员仍然大有可为。

 

引用本文开始处的一句话：无论商业的炒作如何进行，系统底层程序员应该保持清醒的头脑。