.NET直接编译成本地代码：.NET Native架构简介

浅浅的花香味﹌ 2022-08-26 13:22 13阅读 0赞

这篇Blog好久没有更新了。最近一直在忙.NET Native相关的事情（主要是MCG)，但是又因为保密的原因不能在Blog中提到。上个星期Build终于发布（可惜没有去成，team名额太少），我也终于可以谈下.NET Native的一些东西了，呵呵。

如果大家还没有看到之前的发布信息，可以去下面几个网址看看：

[.NET Native首页][.NET Native]

[.NET Native发布的blog][.NET Native_blog]  
  
  
如果英文听力不错的话，可以听一下我们team principal dev lead的talk（其实他的英文比较难懂，速度快。。。）：  
  
  
[Inside .NET Native Talk][]  
  
  
这里简单讲一下.NET Native的基本架构，基本内容和上面那个talk其实差不多，只是简单给大家讲一下.NET Native的一些基本概念。如果大家有对某个部分具体感兴趣，也可以提出来，我尽量在我能力范围内解答（毕竟不是我一个人做的，呵呵）或者写新的Blog详细解释。  
  
  
.NET Native和之前的NGEN有本质区别。NGEN实际上是把CLR运行时的数据结构和代码给一锅端（当然，这个是简化的说法，实际上比这个复杂)的放到最终的PE里面去了，运行的时候还是需要整个.NET Framework支持，而且不能避免JIT。.NET Native是全新的技术，整个.NET Framework经过refactoring重写，最终的runtime非常小，只有数百K，无需任何安装（除了mrt100.dll之外，大家可以理解成msvcrt.dll）。大部分的功能都从runtime中refactor到framework中作为C\#代码或者作为toolchain一部分存在。一个典型的例子是：P/invoke原来是由CLR实现，使用C++和汇编编写。而现在是经由MCG这个工具接手，直接生成C\#。最终.NET Native生成的EXE/DLL是可以直接运行的机器码（通过C++编译器后端生成）。对了，有些朋友可能会问：我们是不是直接生成C++代码？答案是否定的。我们所使用的C++编译器后端接受IL作为输入，生成MDIL。  
  
  
整个Toolchain（工具链）大致可以分为下面几个阶段：  
  
  
App IL + FX -> MCG　-> Interop.g.cs -> CSC -> Interop.dll -> Merge -> IL transform -> NUTC -> RhBind -> .EXE  
  
  
第一步：将应用程序的IL代码和整个.NET Framework BCL的IL一起作为输入给MCG。MCG （Marshalling Code Generator）这一块主要是我在负责。这个工具负责检查程序和BCL中所有的Interop相关的类型，比如WinRT接口，P/Invoke，等等。MCG都会为之生成C\#代码。这个C\#代码是可以直接调试的，有兴趣的朋友可以F11试一下看看。C\#代码的作用主要是替代Windows.WinMD中的WinRT类型定义，P/invoke定义，等等，添加各种类型的转换代码，比如字符串类型，RCW和CCW，等等，最终直接调用到本地代码。可能有些朋友会问道：为什么要生成C\#? 原来的CLR是直接在运行时生成IL代码的，但是显然这个方法在.NET Native不太适用，而且IL代码很难调试。C\#既方便大家调试，也方便我们快速的修改生成的代码，添加更多的功能。（写C++程序生成IL代码可是比较麻烦的，得人工算好stack的位置）  
第二步：MCG生成的C\#代码通过CSC编译，生成PE文件。这一步没啥可讲的。  
第三步：这个PE文件被打包合并到应用程序和BCL，生成一个IL代码的集合。为下一步做好准备。

第四步：这个IL代码的集合会被经过若干的步骤处理，每个步骤都相对简单，只做一件事情。这些步骤的主要作用是提供原来CLR运行时提供的功能，最终的目的是使之最后的代码能够被C++最后编译。在原来桌面版本的CLR里面（也就是4.5里面的那个），很多功能是由Runtime来提供，比如Delegate.Invoke，比如interop。这些Transform的作用是对代码进行处理，把原来需要runtime实现的部分用实际代码替换掉。举个几个例子：

1. 当你在调用Windows.UI.Xaml.Controls.Button类型的时候，MCG也会生成一个对应的Button类型，然后IL Transform会将两者进行替换，这样程序调用的Button类型就是MCG生成的代码了。

2. 当你在进行Serialization和Deserialization的时候，IL Transform会调用另外一个工具SG来生成serialization/deserialization的C\#代码，最终这些操作都有这些C\#代码生成。

3. 你的程序多半不会用到整个BCL。IL Transform中会有一步叫做Dependency Reducer，使用类似GC的算法（mark->sweep),去掉不需要的代码。MCG也和DR通力合作，减少不必要的interop代码生成。DR也会读取RD.XML文件，决定那些类型需要反射信息，那些不需要。RD.XML这一块我们还在改善之中，也希望大家多提宝贵意见。

其实呢，MCG其实也是IL Transform的一部分，只不过它实际上不Transform而已，而是直接生成C\#。

第五步:NUTC对IL进行处理，生成MDIL。NUTC就是传说中的C++的编译器后端的一个特殊版本，优化什么的就靠它了。最后生成的MDIL接近机器码，但是也包含一些抽象的类型信息，需要进一步处理。  
第六步：RhBind负责对MDIL进行处理，将里面和类型系统相关的信息生成代码，最后生成一个EXE。其实最终是一个EXE+DLL，实际的代码都在DLL中。EXE只是起到Bootstrap的作用。选用DLL的原因是我们需要支持作为Background Task在Broker里面加载。

几个我听到的常问的问题（如果有些答案过于“官方”，请谅解）：

**1. 你们最后是生成C++代码吗？**

答：不生成。C++后端直接从IL转换成MDIL。

**2. WPF支持吗？**

答：暂时不支持。目前暂时只支持Windows Store Apps

**3. 这个会支持桌面程序吗？**

答：目前暂时只支持Windows Store Apps

**4. 这个支持JIT吗？**

答：目前.NET Native不支持JIT，所有代码都是编译时候生成。

**5. 既然是本地机器码，为什么还可以支持类型反射（reflection）？**

答：机器码和反射并不冲突，我们在PE文件中储存了额外的用于反射的信息，然后动态读取此信息进行调用。C++也可以支持反射（RTTI），只是不如.NET强大而已。

**6.这个需要安装.NET Framework吗？**

答：开发编译的时候需要，运行时不需要。

**7.为什么不支持VB**

答：VB本质上和C\#都是生成IL，技术上非常类似。只是目前我们因为时间问题，暂只支持C\#。

**8.为什么启动运行速度会变快？**

答：一方面归功于C++的优秀的编译器后端，一方面也因为runtime的重写和简化。

这次就大概讲这么多。欢迎大家试用一下.NET Native，去下面几个地方给我们提一下意见：

[.NET Native官方论坛][.NET Native 1]

dotnetnative@microsoft.com  
  
  
如果不想写英文的话（其实写中文也行），也可以直接在本blog留言。  
  
  
\--  
张羿  
.NET Native

[.NET Native]: http://msdn.microsoft.com/en-US/vstudio/dotnetnative
[.NET Native_blog]: http://blogs.msdn.com/b/dotnet/archive/2014/04/02/announcing-net-native-preview.aspx
[Inside .NET Native Talk]: http://channel9.msdn.com/Shows/Going+Deep/Inside-NET-Native
[.NET Native 1]: http://social.msdn.microsoft.com/Forums/en-US/home?forum=dotnetnative