最近在看JavaScript的面向对象，通过prototype实现继承链，这时就在想，作为需要编译的语言C#是怎么在中间代码层面实现继承的呢？翻开很久没看的CLR VIA C#，也复习了我之前的文章
这次我把里面涉及到数据类型和关系的内容整理如下:
元数据
元数据：（metadata）元数据简单地说就是一个数据表集合。一些数据表描述了模块中定了什么（比如类型及成员），另一些描述了模块引用了什么（比如导出的类型及其成员）。元数据是一些老技术的超集，不如COM的类型库和IDL文件，元数据总是与包含IL代码的文件管理。元数据有多种用途，下面仅列举一部分：
1 元数据避免了编译时对原生C/C++头和 库文件的需求，因为在实现类型/成员的IL代码文件中，已包含有关引用类型/成员的全部信息。编译器直接从托管模块读取元数据。
2 Visual Studio用元数据帮助你写代码。智能感知（intelliSense）技术会解析元数据，告诉你一个类型提供了哪些方法、属性、事件和字段。以及相应参数。
3 CLR的代码验证过程使用元数据确保代码只执行”类型安全”的操作
4 元数据允许垃圾回收器跟踪对象生成期。垃圾回收器能判断任何对象的类型，并从元数据知道哪个对象中的那些字段引用了其他对象。
我们都知道，一般.net 程序都是用Program作为入口，但是整个项目编译完成后，Program被编译成什么样子呢？托管PE文件由4部分组成：PE头、CLR头、元数据及IL。
这里PE头是windows要求的标准信息，不多解释。
CLR头是一个小的信息块，包含模块生成时所面向的CLR的major（主）和minor（次）版本号；一些flag；一个MehtodDef token，该token制定了模块的入口，；一个可选的强名称数字签名。最后，CLR头还包含模块内部的一些元数据表的大小和偏移量。
元数据是本文的重点。元数据是由几个表构成的二进制数据块。有三种表，分别是定义表（definition table）、引用表（reference table）和清单表（mainifest table）。
定义表
编译器编译源代码时，代码定义的任何东西都导致在表2-1列出的某个表中创建一个记录项。
引用表
在创建的元数据中包含一组引用表，他们记录了所引用的内容，如下
可用多种工具检查托管PE文件中的元数据。ILDasm是其中一种，显示信息如下
program.exe包含名为Program的TypeDef。Program是公共密封类，由system.object派生。program类型还定义了两个方法：main和.ctor（构造器）。
main是公共方法，用IL代码实现。main返回类型是void，无参。构造器（名称始终是.ctor）是公共方法，也用IL代码实现。构造器返回类型是void，无参，有一个this指针（指向调用方法时构造对象的内存）。
清单表
由于有了清单的存在，程序集的使用者不必关心程序集划分细节。
“运行时”如何解析类型引用
class Program { static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("Hi"); } }
编译以上代码并生成程序集（假定名为Program.exe）。运行应用程序，CLR会加重并初始化自身，读取程序集CLR头，查找表示了应用程序入口方法（main）的MethodDefToken，检索MethodDefToken元数据表找到方法的IL代码再文件中的偏移量，将IL代码JIT编译成本机代码，最后执行本机代码。
对这些代码进行JIT编译，CLR会检测所有类型和成员的引用，加载他们的定义程序集（如果尚未加载）。具体地说，IL call指令应用了元数据toekn 0A000003。该token表示memberRef元数据表中的记录项3。CLR检查该memberRef记录项，发现它的字段引用了TypeRef表中的记录项（system.Console类型）。按照
TypeRef记录项，CLR被引导至一个AssemblyRef记录项
这时CLR知道了它需要的是哪个程序集。接着，CLR必须定位并加载该程序集。
运行时执行过程
本节将解释类型、对象、线程栈和托管堆在运行时的相互关系。此外，还将解释调用静态方法、实例方法和虚方法的区别。
图4-2展示了已加载clr的一个windows进程。该进程可能有多个线程。线程创建时会分配到1mb的栈。栈空间用于向方法传递实参，方法内部定义的局部变量也在栈上。栈从高位内存地址向低位内存地址构建，图中现在已执行了一些代码，栈上已有一些数据了（栈顶阴影区域）。现在，假定线程执行的代码要调用M1方法。
最简单的方法包含“序幕”（prologue）代码，在方法开始做工作前对其进行初始化；还包含“尾声”（epilogue）代码，在方法做完工作后对其进行清理，以便返回至调用者。M1方法开始执行时，它的“序幕”代码在线程栈上分配局部变量name的内存，如下图。
然后M1调用M2方法，将局部变量name作为实参传递。这造成name局部变量中的地址被压入栈，如图4-4。M2方法内部使用参数变量s标识栈位置（注意：有的cpu架构用寄存器传递实参以提升性能，但这个区别对于当前问题不重要）。另外，调用方法时还会将“返回地址”压入栈，被调用的方法在结束之后应返回至该位置。
M2方法开始执行时，它的“序幕”代码在线程栈中为局部变量length和tally分配内存，如图4-5。然后M2方法内部代码开始执行，最终，M2抵达它的return语句，造成CPU的指令执针被设置成栈中的返回地址，M2的栈展开（unwind）。之后，M1继续执行M2调用之后的代码，M1的栈帧将准确反应M1需要的状态。
最终，M1会返回到它的调用者。
现在，让我们围绕CLR来调整一下讨论，假如有以下两个类定义：
windows进程已启动，clr已加载到其中，托管堆已初始化，而且已创建一个线程（连同它的1mb栈空间）。线程已执行了一些代码，马上就要调用M3方法。图4-6展示了目前的状态。
jit编译器将M3的IL代码转换成本机CPU指令时，会注意到M3内部引用的所有类型，这时CLR要确认定义了这些类型的所有程序集都已加载。然后，利用程序集的元数据，clr提取与这些类型有关的信息，创建一些数据结构来表示类型本身。
稍微讨论一下这些类型对象。堆上的所有对象都包含两个额外成员：类型对象指针（type object pointer）和同步块索引（sync block index）。定义类型时，可在类型内部定义静态数据字段。为这些静态数据字段提供支援的字节在类型对象中分配。每个类型对象最后都包含一个方法表。在方法表中，类型定义的每个方法都有对应的记录项。
当CLR确认方法需要的所有类型对象都已创建，M3的代码编译之后，就允许线程执行M3的本机代码。M3的“序幕”代码执行时必须在线程栈中为局部变量分配内存，如图4-8所示。顺便说一句，作为“序幕”代码的一部分，clr自动将所有局部变量初始化为null或者0.然而，如果代码试图访问尚未显式初始化的局部变量，c#会报告错误，使用了未赋值的局部变量。（跟JavaScript的变量声明提升类似）
此外，在调用类型的构造器（本质上是可能修改某些实例数据字段的方法）之前，clr会先初始化同步块索引，并将对象的所有实例字段设为null或者0。new 操作符返回对象的内存地址，该地址保存在变量e中（变量e在线程栈上）。
M3的下一行代码调用Employee的静态方法Lookup。调用静态方法时，clr会定位与定义静态方法的类型对应的类型对象。然后，jit编译器在类型对象的方法表中查找与被调用方法对应的记录项，对方法进行jit编译（如果需要的话），再调用Jit编译好的代码。由于lookup方法在堆上构造一个新的manager对象，用joe的信息初始化它，返回该对象的地址。该地址保存到局部变量e中。这个操作结果如图4-10。
注意，e不再引用第一个manager对象。事实上，由于没有变量引用该对象。所以他是未来垃圾回收的主要目标。
M3的下一行代码调用Employee的非虚实例方法GetYearsEmployed。调用非虚实例方法时，jit编译器会找到与“发出调用的那个变量e的类型”对应的类型对象Employee。如果Employee类型没有定义正在正在调用的那个方法，jit编译器会回溯类层次结构（一直回溯到object，这跟JavaScript去查原型链类似，这也是方法覆盖的实现原理），并在沿途的每个类型中查找该方法。之所以能这样回溯，因为每个类型对象都有一个字段引用了它的基类型，这个信息在图中没有显示。
M3调用Employee的虚实例方法GetProgressReport时，jit编译器要在方法中生成一些额外的的代码；方法每次调用都会执行这些代码。这些代码首先检查发出调用的变量，并跟随地址来到发出调用的对象。变量e当前引用的是代表“joe”的manager对象，所以会调用manager的GetProgressReport实现。
以上我们讨论了源代码、il和jit编译的代码之间的关系。还讨论了线程栈、实参、局部变量以及这些实参和变量如果引用托管堆上的对象。结束本章之前，我们一起探讨下clr内部发生的事情。
注意Employee和Manageer类型对象都包含“类型对象指针”成员。这是由于类型对象本质上也是对象。clr创建类型对象时，必须初始化这些成员。初始化成什么呢？clr开始在一个进程中运行时，会立即为MSCorLib.dll中定义的system.Type类型创建一个特殊的类型对象。Employee和Manageer类型对象都是该类型的“实例”。因此，他们的类型对象指针成员会初始化成对System.type类型对象的引用。如图4-13
当然，System.Type类型对象本身也是对象，内部也有“类型对象指针”成员。这个指针指向什么？他指向它它而本身，因为system.type类型对象本身是一个类型对象的“实例”。顺便说一句，system.object的getType方法返回存储在指定对象的“类型对象指针”成员中的地址。也就是说，getType方法返回指向对象的类型对象的指针。这样就可判断系统中任何对象（包括类型对象本身）的真实类型。
clr如何调用虚方法、属性和事件
本方法代表在类型或类型的实例上执行某些操作的代码。在类型上执行操作，称为静态方法；在类型的实例上执行操作，称为非静态方法。所有方法都有名称、签名和返回类型（可为void）。clr允许类型定义多个同名方法，只要每个方法都有一组不同的参数或者一个不同的返回乐行。所以，完全能定义两个同名、同参数的方法，只要两者返回类型类型不同。但除了IL汇编语言，大多数语言（包括c#）在判断方法的唯一性时，除了方法名之外，都只以参数为准，方法返回类型会被忽略。
一下employee类定义了3种不同的方法
Internal class Employee{ //非虚实例方法 public int32 GetYearsEmployed(){………} //非虚实例方法 public virtual string GetProgressReport(){………} //非虚实例方法 public static Employee Lookup(string name){………} }
编译上述代码，编译器会在程序集的方法定义表中写入3个记录向，每个记录项都用一组标志（flag）指明方法时实例方法、虚方法还是静态方法。
写代码调用这些方法，生成调用代码的编译器会检查方法定义的标志（flag），判断应如何生成il代码来正确调用方法。clr提供两个方法调用指令。
Call
该il指令可调用静态方法、实例方法和虚方法。用call指令调用静态方法，必须指定方法的定义类型。用call指令调用实例方法或虚方法，必须指定引用了对象的变量。call 指令鉴定该变量不为null。换言之，变量本身的类型指明了方法的定义类型。如果变量的类型没有定义该方法，就检查基类型来查找匹配方法。call指令经常用于以非虚方式调用虚方法。
callvirt
该il指令可调用实例方法或虚方法，不能调用静态方法。与call命令的区别是，callvirtual会先检查调用变量是否为空，所以执行速度比call稍慢。
编译器有时用call而不是callvirt调用虚方法，比如有时候子类使用base.tostring()，这是c#编译器生成call指令来确保以非虚方式调用基类的tostring方法。
无论用call还是callvirt调用实例方法或虚方法，这些方法通常接收隐藏this实参作为方法第一个参数。this实参引用要操作的对象。
设计类型时应尽量减少虚方法数量。首先，调用虚方法的速度比调用非虚方法慢。其次，jit编译器不能内嵌（inline）虚方法，这进一步影响性能。第三。虚方法使组件版本控制变得更脆弱。第四，定义基类型时，经常要提供一组重载的简便方法。如果希望这些方法时多态的，最好的办法就是使最复杂的方法成为虚方法，使所有重载的简便方法称为非虚方法。
隐式和显式接口方法实现（幕后发生的事情）
类型加载到clr中时，会为该类型创建并初始化一个方法表。在这个方法表中，类型引入的每个新方法都有对应的记录项；另外，还未该类型继承的所有虚方法添加了记录下。继承的虚方法既有继承层次结构中的各个基类型定义的，也有接口类型定义的。所以，对于下面这个简单的类型定义：
interter sealed class SimpleType : IDisposable { public void Dispose() { console.WriteLine("Dispose"); } }
类型的方法表将包含以下方法对应的记录项：
1）Object(隐式继承的基类)定义的所有虚实例方法。
2）IDisposable(实现的接口)定义的所有接口方法。本例只有一个方法，即Dispose,因为IDisposable只定义了该方法。
3）SimpleType 引入的新方法Dispose。
为简化编程，C#编译器假定SimpleType引入的Dispose方法是对IDisposable的Dispose方法的实现。C#编译器之所以做出这样的假定，是因为Dispose方法的可访问性是public，而且接口方法的签名和新引入的方法完全一致，也就是说，这两个方法具有相同的参数和返回类型。还有，如果新的Dispose方法被标记为virtual，C#编译器仍会认为该方法匹配于接口方法。
C#编译器将一个新方法和一个接口方法匹配起来之后，便会生成元数据，指明SimpleType类型的方法表中的两个记录项引用同一个实现。下面的代码演示了如果调用类的公共Dispose方法以及如何调用IDisposable的Dispose方法在类中的实现：
public static void Main() { SimpleType st = new SimpleType(); // 调用公共的 Dispose 方法实现 st.Dispose(); // 调用 IDisposable 的 Dispose 方法实现 IDisposable d = st; d.Dispose(); }
执行后，两者是没有任何却别的。输出结果都是Dispose
在第一个dispose方法调用中，调用的是SimpleType定义的dispose方法。然后定义IDisposable接口类型的变量d，它引用SimpleType对象。调用SimpleType时，调用的是IDisposable接口的dispose方法。由于c#要求公共dispose方法同时是IDisposable的Dispose方法实现，所以会执行相同的代码。
现在我们更改一下SimpleType，以便看出区别：
public sealed class SimpleType : IDisposable { public void Dispose() { Console.WriteLine("public Dispose"); } void IDisposable.Dispose() { Console.WriteLine("IDisposable Dispose"); } }
现在再次程序运行，会得到如下结果;
public Dispose
IDisposable Dispose
在c#中，将定义方法的那个接口的名称作为方法名前缀（例如IDisposable.Dispose）,就会创建显式接口方法实现（explicit interface Method Implementation,EIMI）。注意，c#中不允许在定义显式接口方法时指定可访问性（比如public或private）。但是，编译器生成方法的元数据时，可访问性会自动设为private，防止其他代码在使用类的实例时直接调用接口方法。只有通过接口类型的变量才能调用接口方法。
还要还要好主意，eimi方法不能标记为virtual，所以不能被重写。这是由于eimi方法并非真的是类型的对象模型的一部分，它只是将接口和类型连接起来，同时避免公开行为/方法。