Виртуальная система выполнения (Virtual Execution System – VES) представляет собой абстрактную виртуальную машину, способную выполнять управляемый код. Можно сказать, что виртуальная система выполнения существует только «на бумаге», потому что ни одна из реализаций CLI не содержит интерпретатора CIL-кода (вместо этого используется JIT-компилятор, транслирующий инструкции CIL в команды процессора).
Если сравнить CLI с ее ближайшим конкурентом – платформой Java, можно прийти к выводу, что VES является значительно более абстрактной моделью, чем виртуальная машина Java (Java Virtual Machine – JVM). Причина такого отличия кроется в том, что изначально Java была ориентирована на реализацию в бытовых приборах. При этом, естественно, подразумевалось, что байт-код Java будет непосредственно выполняться специальными процессорами, и поэтому JVM является фактически спецификацией такого процессора.
Аппаратная реализация VES никогда даже не предполагалась, и это позволило избежать при составлении ее спецификации ненужных деталей, дав тем самым каждой реализации CLI большую свободу выбора наиболее оптимальной стратегии выполнения CIL-кода.
Изучение работы виртуальной машины CLI заключается в том, чтобы понять, что представляет собой состояние виртуальной машины и как это состояние меняется во времени.
На рисунке изображена схема состояния метода. Элементы состояния метода можно условно разделить на две группы: изменяемые данные и неизменяемые данные. Изменяемые данные доступны из тела метода для чтения и записи, в то время как неизменяемые данные либо доступны только для чтения либо вообще предназначены для внутреннего использования в системе выполнения.
Элементы состояния метода, входящие в группу изменяемых данных:
Указатель инструкции (Instruction Pointer). Содержит адрес следующей инструкции в теле метода, которая будет выполнена системой выполнения. (Когда мы говорим, что указатель инструкции относится к изменяемым данным, мы имеем в виду, что его значение изменяется при переходе от инструкции к инструкции.)
Стек вычислений (Evaluation Stack). Виртуальная система выполнения работает по принципу стекового процессора. Это означает, что операнды инструкций, а также возвращаемые инструкциями значения хранятся в специальной области памяти, а именно на стеке вычислений. Каждое состояние метода имеет собственный стек вычислений, содержимое которого сохраняется при вызове методов (то есть, если наш метод вызывает другой метод, то по завершении работы вызванного метода содержимое стека никуда не денется).
Локальные переменные (Local Variable Array). Для хранения локальных переменных в состоянии метода предусмотрена отдельная область памяти, состоящая из так называемых слотов (slots). Каждой локальной переменной соответствует свой слот. Значения локальных переменных сохраняются при вызове методов аналогично содержимому стека вычислений.
Параметры (Argument Array). Фактические параметры, переданные методу, записываются в специальную область памяти, которая организована так же, как и область локальных переменных.
Область локальных данных (Local Memory Pool). В языке CIL предусмотрена инструкция localloc, которая позволяет динамически размещать объекты в области памяти, локальной для метода. Объекты в этой области живут до тех пор пока метод не завершится.
Обратите внимание, что стек вычислений, локальные переменные и параметры, а также локальные данные метода представляют собой логически отдельные области памяти. Каждая конкретная реализация CLI самостоятельно решает вопрос, где размещать эти области.
В группу неизменяемых данных входят элементы состояния метода:
Описатель метода (methodInfo handle). Содержит сигнатуру метода, в которую входят количество и типы формальных параметров, а также тип возвращаемого значения. Кроме этого, описатель метода включает в себя информацию о количестве и типах локальных переменных и об обработчиках исключений. Описатель метода доступен из кода метода, но в основном он используется системой выполнения при сборке мусора и обработке исключений.
Описатель безопасности (Security Descriptor). Используется системой безопасности CLI и недоступен из кода метода.
Состояние возврата (Return State Handle). Служит для организации списка состояний методов внутри системы выполнения и недоступно из кода метода. Фактически представляет собой указатель на состояние метода, из тела которого был вызван текущий метод.
Типы
Библиотека классов платформы .NET Framework определяет набор встроенных числовых типов, а также более сложных типов, представляющих широкое разнообразие логических конструкций, например, файловую систему, сетевые подключения, коллекции и массивы объектов и даты.
Типичная программа C# использует типы из библиотеки классов, а также пользовательские типы, моделирующие принципы, относящиеся к проблемной области программы.
К сведениям, хранимым в типе, может относиться следующее:
Место для хранения переменной типа.
Максимальное и минимальное значения, которые могут быть представлены.
Содержащиеся члены (методы, поля, события и т. д.).
Базовый тип, которому он наследует.
Расположение, в котором будет выделена память для переменных во время выполнения.
Разрешенные виды операций.
Компилятор использует сведения о типе, чтобы убедиться, что все операции, выполняемые в коде, являются строго типизированными. Например, при объявлении переменной численного типа int, компилятор позволяет использовать переменную и операции вычитания. При попытке выполнить эти же операции с переменной логического типа bool компилятор вызовет ошибку.
Компилятор внедряет сведения о типе в исполняемый файл в качестве метаданных. Среда CLR использует эти метаданные во время выполнения для дальнейшего обеспечения безопасности типа при выделении и освобождении памяти.
Язык C# является строго типизированным языком. Каждая переменная и константа имеет тип, как и каждое выражение, результатом вычисления которого является значение.
Система типов языка C# включает следующие категории:
Типы-значения,
Ссылочные типы
Типы указателей
В переменных типа значения хранятся данные, а в переменных ссылочного типа хранятся ссылки на фактические данные. Ссылочные типы также называются объектами. Типы указателей могут использоваться только в небезопасном режиме.
Существует возможность преобразовать тип значения в ссылочный тип и обратно в тип значения с помощью упаковки-преобразования и распаковки-преобразования. За исключением упакованного типа значения преобразовать ссылочный тип в тип значения невозможно.
