【CLR】解析AppDomain

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1. 什么是AppDomain
2. 跨越AppDomain边界访问对象
1. 按引用封送（Marshal-by-Reference）
2. 按值封送（Marshal-by-Value）
3. 卸载AppDomain
4. 监视AppDomain
5. AppDomainFirstChance异常通知

1.什么是AppDomain

在开始介绍AppDomain之前，需要先介绍一下应用程序和AppDomain的关联。首先，任何Windows应用程序都能寄宿在CLR中，寄宿CLR需要创建CLR COM服务器的实例（通过MSCorEE.dll文件）。CLR COM服务器实例在初始化时，会创建一个默认的AppDomain。

AppDomain就是一组程序集的容器。AppDomain是为隔离而设计的，除了默认的AppDomain。正在使用非托管COM接口方法或托管类型的宿主应用程序还可要求CLR创建其他的AppDomain。

AppDomain具有如下的一些特点：
1.一个AppDomain中的代码不能直接访问另一个AppDomain代码创建的对象。
2.AppDomain可以卸载。

下面的图片显示了一个Windows进程，运行着一个CLR COM服务器。该CLR运行着两个AppDomain。

2.跨越AppDomain边界访问对象

一个AppDomain中的代码可以和另一个AppDomain中的类型和对象通信，但只能通过良好定义的机制进行。通信的机制主要为按“引用封送（Marshal-by-Reference）”，和“按值封送（Marshal-by-Value）”，并不是所有类型都可以跨越AppDomain进行通信。接下里将接详细介绍。

2.1 按引用封送（Marshal-by-Reference）

#include "stdafx.h"
#include <exception>

using namespace System;
using namespace System::Threading;
using namespace System::Reflection;
using namespace System::Runtime::Remoting;
using namespace std;

//该类实例可以跨AppDomain边界“按引用封送”
public ref class MarshalByRefType : System::MarshalByRefObject{
public:
    MarshalByRefType(){//定义构造函数
        Console::WriteLine("{0} ctor running in {1}",
            GetType()->ToString(),
            Thread::GetDomain()->FriendlyName);
    }
public:
    void SomeMethod(){//定义一个方法
        Console::WriteLine("Executing in "+Thread::GetDomain()->FriendlyName);
    }
};

int main(array<System::String ^> ^args)
{
    //获取AppDomain的引用
    AppDomain^ adCallingThreadDomain=Thread::GetDomain();

    //获取这个AppDomain的友好字符串名称
    String^ callingDomainThread= adCallingThreadDomain->FriendlyName;
    Console::WriteLine("Default AppDomain's friendly name={0}",callingDomainThread);//显示AppDomain的名称
    
    //获取并显示AppDomain中包含“Main”方法的程序集
    String^ exeAssembly= Assembly::GetEntryAssembly()->FullName;
    Console::WriteLine("Main assembly={0}",exeAssembly);//包含了程序集的名称、语言文化、公钥、版本信息

    //按引用封送Marshal-by-Reference，进行跨AppDomain通信
    
    //新建一个AppDomain(从当前AppDomain继承安全性和配置)
    AppDomain^ ad2=AppDomain::CreateDomain("ad2");

    //将我们的程序集加载到新的AppDomain中，构建一个对象，并且把它封送回我们的AppDomain(实际得到的是一个代理的引用)
    MarshalByRefType^ mbrt=(MarshalByRefType^)ad2->CreateInstanceAndUnwrap(MarshalByRefType::typeid->Assembly->FullName,"MarshalByRefType");

    Console::WriteLine("Type = {0}",mbrt->GetType());//CLR 在类型上撒谎，实际上是MarshalByRefType的代理类型，但却返回了MarshalByRefType类型。

    Console::WriteLine("Is Proxy={0}",RemotingServices::IsTransparentProxy(mbrt));//证明得到是对一个代理对象的引用

    //看起来像是在MarshalByRefType上调用一个方法，实则不然，
    //我们在代理类型上调用一个方法，代理使线程切换到拥有对象的
    //那个AppDomain上，并在真实的对象上调用这个方法
    mbrt->SomeMethod();

    //卸载新的AppDomain
    AppDomain::Unload(ad2);

    //mbrt 引用一个有效的代理对象；代理对象引用一个无效的AppDomain
    try{
        mbrt->SomeMethod();//在代理对象上调用这个方法。AppDomain无效，造成抛出异常。
    }catch(AppDomainUnloadedException^ e){
        Console::WriteLine(e->Message);
    }
    Console::ReadLine();
    return 0;
}

运行结果：

Default AppDomain's friendly name=ConsoleApplication13.exe
Main assembly=ConsoleApplication13, Version=1.0.6761.1527, Culture=neutral, PublicKeyToken=null
MarshalByRefType ctor running in ad2
Type = MarshalByRefType
Is Proxy=True
Executing in ad2
尝试访问已卸载的 AppDomain。

在上面的程序中，我们实现了在一个AppDomain中读取另一个AppDomain中的对象，该对象继承自MarshalByRefObject。

观察上面的运行结果，可以看出有关MarshalByRefType的操作都是在创建它的AppDomain中完成的，并且在当前的AppDomain中得到的MarshalByRefType是一个代理对象，而非真实的对象。

2.2 按值封送（Marshal-by-Value）

我们已经知道了AppDomain之间如何按引用封送对象，按值封送和按引用封送的调用代码都是相同的，它们的区别是由被封送的类型决定的。

按引用封送：被封送的类型派生自System::MarshalByRefObject。

按值封送：被封送的类型不派生自System::MarshalByRefObject，并且该类和该类的所有字段都必须是可序列化的。

下来继续介绍按值封送。

using namespace System;
using namespace System::Threading;
using namespace System::Runtime::Remoting;

//声明为序列化，否则不能传递
[Serializable]
public ref class MarshalByRefValue : Object{
public:
    DateTime^ m_createTime;
    MarshalByRefValue(){
        m_createTime=DateTime::Now;

        Console::WriteLine("{0} ctor running in {1},Created on {2:D}",
            GetType()->ToString(),
            Thread::GetDomain()->FriendlyName,
            m_createTime);
    }
    virtual String^ ToString() override{
        Console::WriteLine("running in "+AppDomain::CurrentDomain->FriendlyName);
        return m_createTime->ToLongDateString();
    }
};

int main(array<System::String ^> ^args)
{
    //使用Marshel-by-value进行通信

    //得到一个AppDomain
    AppDomain^ ad2=AppDomain::CreateDomain("ad2");

    //按值传递
    MarshalByRefValue^ mbrv=(MarshalByRefValue^) ad2->CreateInstanceAndUnwrap(MarshalByRefValue::typeid->Assembly->FullName,"MarshalByRefValue");

    Console::WriteLine("Is Proxy={0}",RemotingServices::IsTransparentProxy(mbrv));//false,说明得到的是实际引用，而非代理引用

    //调用方法
    Console::WriteLine(mbrv->ToString());

    AppDomain::Unload(ad2);

    try{
        Console::WriteLine(mbrv->ToString());
        Console::WriteLine("execute success");
    }catch(AppDomainUnloadedException^ e){
        Console::WriteLine(e->Message);
    }

    Console::ReadLine();
    return 0;
}

运行结果：

MarshalByRefValue ctor running in ad2,Created on 2018年7月6日
Is Proxy=False
running in ConsoleApplication14.exe
2018年7月6日
running in ConsoleApplication14.exe
2018年7月6日
execute success

通过上面的程序，我们不难观察出，按值传递的类型必须要序列化，否则不能传递（抛出异常）。我能定义了MarshalByRefValue类，该类和其字段(DateTime^ m_createTime)都是可序列化的。
在一个AppDomain中，把需要传递的类型和字段进行序列化，传到目前的AppDomain中，然后再进行反序列化，重新构建对象。
观察上面的程序的结果，可以看出MarshalByRefValue的所有操作都是在main方法的AppDomain中完成的，所以按值传送是把原来的AppDomain的对象序列化到目前的调用的AppDomain中。

3.卸载AppDomain

在上面的代码中，已经尝尝试过进行AppDomain的卸载操作。并不是所有的AppDomain都由程序员进行卸载（CLR COM服务器实例启动时默认创建的AppDomain直到应用程序结束时才由系统自动卸载）。卸载AppDomain会导致CLR卸载AppDomain中的所有的程序集，还会释放AppDomain中的loader堆。

卸载AppDomain的方法非常简单，可以直接调用AppDomain中的Unload方法。

4.监视AppDomain

宿主程序可监视AppDomain消耗的资源。有的宿主可根据这种信息判断一个AppDomain的内存或CPU消耗是否超过了应有的水准，并强制卸载它。
开始监视AppDomain的时候，需要将AppDomain的静态MonitorEnabled属性设置为true，从而显示打开监视。监视一旦打开就不能关闭，将MonitorEnabled设为false将会抛出ArgumentException异常。

AppDomain提供了以下四个只读属性来监视：
MonitoringSurvivedProcessMemorySize，这个Int64的静态属性返回当前CLR实例控制的所有AppDomain使用的字节数。这个数字只保证在上次垃圾回收时是准确的。
MonitoringTotalAllocatedMemorySize，这个Int64的实例属性返回特定AppDomain已分配的字节数。这个数字只保证在上一次回收时是准确的。
MonitoringSurvivedMemorySize，这个Int64实例属性返回特定AppDomain当前正在使用的字节数。这个数字只保证在上一次回收时是准确的。
MonitoringTotalProcessorTime，这个TimeSpan实例属性返回特定AppDomain的CPU占有率。

下面这个类检查两个时间点之间一个AppDomain发生的变化：

ref class AppDomainMonitorDelta{
 private:
     AppDomain^ m_appDomain;
     TimeSpan  m_thisADCpu;
     Int64 m_thisADMemoryInUse;
     Int64 m_thisADMemoryAllocated;
 public:
     static AppDomainMonitorDelta(){
         AppDomain::MonitoringIsEnabled=true;
     }
     AppDomainMonitorDelta(AppDomain^ appDomain){
         this->m_appDomain=appDomain;
         this->m_thisADCpu=m_appDomain->MonitoringTotalProcessorTime;
         this->m_thisADMemoryInUse=m_appDomain->MonitoringSurvivedMemorySize;
         this->m_thisADMemoryAllocated=m_appDomain->MonitoringTotalAllocatedMemorySize;
     }

     ~AppDomainMonitorDelta(){//定义析构函数
         GC::Collect();

         Console::WriteLine("FriendlyName={0},CPU={1}ms",
             m_appDomain->FriendlyName,
             m_appDomain->MonitoringTotalProcessorTime.Subtract(m_thisADCpu));

         Console::WriteLine("Allocated {0:N0} bytes of which {1:N0} survived GCs",
             (m_appDomain->MonitoringTotalAllocatedMemorySize-m_thisADMemoryAllocated),
             (m_appDomain->MonitoringSurvivedMemorySize-m_thisADMemoryInUse));

     }
};

然后就可以按照如下的姿势来调用了：

int main(array<System::String ^> ^args)
{
    AppDomainMonitorDelta^ appDomainMonitor=gcnew AppDomainMonitorDelta(AppDomain::CurrentDomain);//监控当前AppDomain

    List<Object^>^ list=gcnew List<Object^>();
    for(Int32 x=0;x<10000;x++){
        list->Add(gcnew Object());
    }

    Int64 stop=Environment::TickCount+5000;//Environment::TickCount 获取系统启动后经过的毫秒数
    while(Environment::TickCount<stop);//持续工作5秒钟

    delete appDomainMonitor;//使用delete释放指针所指向的内存空间
    Console::ReadLine();
    return 0;
}

5.AppDomainFirstChance异常通知

每一个AppDomain都可以关联一组回调方法；CCLR开始查找AppDomain中的catch块时，这些回调方法得以调用。可用这些方法执行日志记录。另外，宿主可用这个机制监视AppDomain中抛出的异常。回调方法不能处理异常，也不能以任何形式吞噬异常；他们只是接受关于异常发生的通知。登记回调方法，只需要为AppDomain的实例事件FirstChanceException添加一个委托就可以了。

异常首次抛出时，CLR调用向抛出异常的AppDomain登记所有FirstChanceException回调方法。然后，CLR查找栈上在同一个AppDomain中的任何catch块。有一个catch块能处理异常，则异常处理完成，将继续正常执行，如果AppDomain中没有一个catch块能处理异常，则CLR沿着栈向上来调用AppDomain,再次抛出同一个异常对象（序列化和反序列化后）。这时感觉像抛出了一个全新的异常，CLR调用向当前AppDomain登记的所有FirstChanceException回调方法。这个过程会一直持续，直到抵达线程栈顶部。如果异常还未被处理，CLR只好终止整个进程。

using namespace System;
using namespace System::Reflection;
using namespace System::Runtime::Remoting;
using namespace System::Threading;
using namespace System::Runtime::ExceptionServices;
using namespace std;

[Serializable]
public ref class TestClass :Object{
public:
    void someMethod(){
        try{
            int i=5;
            int j=0;
            //int k=i/j;
            throw "abc";
        }catch(InvalidCastException^ e){
            Console::WriteLine("{0} in remote AppDomain:{1}",AppDomain::CurrentDomain->FriendlyName,e->Message);
        }
    }
};
static void Test(Object^ sender,FirstChanceExceptionEventArgs^ args){
    Console::WriteLine("{0} in FirstChanceException",AppDomain::CurrentDomain->FriendlyName);
};
int main(array<System::String ^> ^args)
{
    //绑定一个FirstChanceException事件
    AppDomain::CurrentDomain->FirstChanceException += gcnew EventHandler<FirstChanceExceptionEventArgs^>(Test);

    //创建一个AppDomain，保留和当前AppDomain一样的配置
    AppDomain^ ad2=AppDomain::CreateDomain("ad2");

    //得到实例
    TestClass^ mbro=(TestClass^)ad2->CreateInstanceAndUnwrap(TestClass::typeid->Assembly->FullName,TestClass::typeid->FullName);

    Console::WriteLine("Is Proxy={0}",RemotingServices::IsTransparentProxy(mbro));//false

    try{
        //调用方法
        mbro->someMethod();
    }catch(Exception^ e){
        Console::WriteLine("{0} in main:{1}",AppDomain::CurrentDomain->FriendlyName,e->Message);
    }

    Console::ReadLine();
    return 0;
}

输出结果为：

Is Proxy=False
ConsoleApplication15.exe in FirstChanceException
ConsoleApplication15.exe in main:外部组件发生异常。

可以看出，FirstChanceException上登记的委托方法先执行，然后再执行catch块中的代码。