(轉(zhuǎn)載)Metadata 是 .NET 平臺(tái)的核心靈魂

July 7th, 2010? jzli Leave a comment ? Go to comments

網(wǎng)友來(lái)信：李老師，您好！我參加過(guò)你去年到我們公司做的.NET深度培訓(xùn)，也拜讀過(guò)你的譯作：《.NET框架程序設(shè)計(jì)（修訂版）》和 《Effective C#》，受益匪淺，非常佩服你這樣優(yōu)秀的.NET技術(shù)專家。前幾天在博客園上的 C#大論戰(zhàn) ，不知道您看過(guò)嗎？特別是其中一個(gè)網(wǎng)友 firelong 所寫的幾篇轟動(dòng)的帖子，對(duì).NET的性能提 出了許多批評(píng)。這個(gè)話題在我們項(xiàng)目組（大多數(shù)都參加過(guò)你去年的培訓(xùn)）也引起了很多爭(zhēng)論，很想聽(tīng)聽(tīng)李老師對(duì)這些觀點(diǎn)的看法？……….

本來(lái)是以email的形式回復(fù)這位朋友的，但是寫著寫著發(fā)現(xiàn)寫得長(zhǎng)了，最后考慮將其以博文的形式登出。

其實(shí)個(gè)人無(wú)意參與這樣的論戰(zhàn)，因?yàn)楹芏嗫谒⑶榫w貼. 我簡(jiǎn)單瀏覽了一下，發(fā)現(xiàn)論戰(zhàn)的各方（ firelong ， jeffreyzhao ，以及.NET社區(qū)眾網(wǎng)友），最后都情緒激動(dòng)了，情緒激 動(dòng)之下講的話大多都丟失了技術(shù)最扎實(shí)、最基本的原理。但是這些文章在口水之外，確實(shí)有一些深層次的技術(shù)問(wèn)題暴露出來(lái)——有些甚至跨越.NET，而延伸到更 廣泛的領(lǐng)域。但是，它們卻被口水淹沒(méi)了，沒(méi)有好好深入討論下去，非?？上А＿@便是我最后決定寫這篇文章的原因。我希望能夠?qū)ζ渲斜缓鲆暤囊恍┘夹g(shù)問(wèn)題，做 一些有意義的探討，與大家共享。

首先我想就 《C# 會(huì)重蹈覆轍嗎？系列之2：反射及元數(shù)據(jù)的性能問(wèn)題》 一文中的主要技術(shù)點(diǎn)來(lái)談?wù)?。這篇文章主要觀點(diǎn)如下（并且給了相應(yīng)的分析）：
1. 使用反射會(huì)有很高的性能成本
2. 即使不用反射，為支持反射而產(chǎn)生的metadata也有很高的性能成本

因此，作者才得出來(lái)在 《C 與C++社區(qū)混戰(zhàn)，C#會(huì)重蹈覆轍嗎？》 一文中“刪除反射”的結(jié)論。關(guān)于反射和metadata帶來(lái)的性能問(wèn)題，我想沒(méi)有人會(huì)否認(rèn)，只是其性能問(wèn) 題到底有多糟？我后面有空的話也許會(huì)另文討論（firelong文章中有部分含糊其辭）。

本文中，我想討論的是 《C# 會(huì)重蹈覆轍嗎？系列之2：反射及元數(shù)據(jù)的性能問(wèn)題》 一文的 整個(gè)推理過(guò)程中的一個(gè)基本論點(diǎn)： .NET 平臺(tái)中 metadata 的目的 是為了支持反射。

在這個(gè)論點(diǎn)的基礎(chǔ)上，文中才有“反射并不常用，為了支持反射所創(chuàng)建的metadata卻帶來(lái)很多性能問(wèn)題。因此刪除反射，也就不需要?jiǎng)?chuàng)建 metadata，這樣.NET就不會(huì)為此再付出性能損失（就像C、C++那樣）”。

很不幸，這個(gè)基本論點(diǎn)是對(duì).NET平臺(tái)的極大誤解。換言之，在.NET平臺(tái)中metadata的存在絕對(duì)不僅僅只是支持反射。實(shí)際上，支持反射只是 metadata一個(gè)很小的用武之地，metadata是整個(gè).NET平臺(tái)非常核心的基礎(chǔ)支撐設(shè)施，它在.NET平臺(tái)中有著廣泛的應(yīng)用，是.NET平臺(tái)的 靈魂。

為什么這么講？這要從.NET創(chuàng)建時(shí)的整個(gè)軟件時(shí)代背景來(lái)談起，我們才能深刻理解這一點(diǎn)。.NET創(chuàng)建之前，Windows平臺(tái)的軟件技術(shù)經(jīng)歷了以 下幾個(gè)階段：DDE、OLE、ActiveX/COM。這些技術(shù)所努力解決的核心目標(biāo)是： 軟件組件的復(fù)用性 —— 這是軟件開(kāi)發(fā)的核心命題， 是軟件平臺(tái)廠商競(jìng)逐的焦點(diǎn)。 “軟件組件的復(fù)用性”有以下幾個(gè)含義：

１. 強(qiáng)調(diào)二進(jìn)制級(jí)的復(fù)用（黑盒復(fù)用），而不是源代碼級(jí)的復(fù)用（白盒復(fù)用）。
例如：我想在我的軟件中集成PDF閱讀器的能力，我不需要找Adobe要PDF閱讀器的源代碼，而是去找Adobe要一個(gè)支持PDF閱讀的二進(jìn)制組件—— 然后通過(guò)接口的方式來(lái)使用它。
２. 強(qiáng)調(diào)多語(yǔ)言創(chuàng)建的組件之間的復(fù)用，而不是單一語(yǔ)言創(chuàng)建的組件之間的復(fù)用。
例如：我在C++中寫一個(gè)Email收發(fā)組件，可以在VB中直接使用。

DDE、OLE、ActiveX/COM無(wú)一不是圍繞這個(gè)目標(biāo)。COM是這些技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)高峰。但是COM技術(shù)本身在發(fā)展過(guò)程中暴露出了很 多問(wèn)題。Don Box在《Essential .NET》一書(shū)的第一章“The CLR as a Better COM”對(duì)COM的問(wèn)題有非常深刻的解剖。

首先，要達(dá)致“組件復(fù)用”這一目標(biāo)，必須有合同來(lái)規(guī)范組件與執(zhí)行環(huán)境、組件與組件之間的各種約定。COM使用的是IDL或TLB作為組件合同，但它 們有幾個(gè)根深蒂固的缺點(diǎn)：

１. IDL/TLB規(guī)范的是物理語(yǔ)義（例如v-table偏移，棧幀，參數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)齊等內(nèi)存細(xì)節(jié)），且使用的是C++語(yǔ)言的一個(gè)子集約定。
２. IDL/TLB規(guī)范描述與組件代碼本身分離。
３. IDL/TLB規(guī)范較為混亂，沒(méi)有達(dá)成業(yè)界統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)（第三方難以擴(kuò)展開(kāi)發(fā)）

其中第３點(diǎn)問(wèn)題是微軟對(duì)COM沒(méi)有前后一致的系統(tǒng)規(guī)劃導(dǎo)致——這一點(diǎn)如果假以時(shí)日是可以解決的。但是前面１、２點(diǎn)的問(wèn)題是COM根深蒂固的問(wèn)題，導(dǎo) 致了COM組件后期出現(xiàn)的各種難以解決的問(wèn)題——不同語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)面向COM的編譯很難，因?yàn)闈M足了COM的復(fù)用模型，往往要打破該語(yǔ)言本身模型所約定的復(fù) 用。同時(shí)在一個(gè)語(yǔ)言中維護(hù)兩套編譯模型、和復(fù)用機(jī)制，步履維艱（在C++、VB、Delphi等語(yǔ)言中開(kāi)發(fā)COM組件的痛苦相信很多人深有體會(huì)）。

而這個(gè)時(shí)候，95-98年間名聲大噪的Java給了微軟相當(dāng)大的啟發(fā)。特別是其中的metadata，微軟的技術(shù)精英發(fā)現(xiàn)metadata是最好的 組件合同定義體。Metadata有以下幾個(gè)非常好的特點(diǎn)（這些正好克服了COM組件描述IDL/TLB的缺點(diǎn)）：

１. Metadata描述的是邏輯結(jié)構(gòu)，不涉及任何物理細(xì)節(jié)（例如v-table偏移，棧幀，參數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)齊，方法地址等物理細(xì)節(jié)，直到在具體平臺(tái)上加 載、執(zhí)行時(shí)，才被確定，比如IL代碼中經(jīng)?？吹降腃ALL指令后面的 MyClass:MyMethod就是邏輯上的元數(shù)據(jù)，而不是具體方法的物理地址）
２. Metadata本身與組件代碼合并在一個(gè)文件中（即程序集），包含了組件依賴，版本等信息
３. Metadata從一開(kāi)始就經(jīng)過(guò)系統(tǒng)、精心的設(shè)計(jì)，是CLI業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的一部分（便于第三方開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用）

這些特點(diǎn)使得metadata非常適合作為.NET組件與執(zhí)行環(huán)境（CLR）、組件與組件之間（不用語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的組件）理想的合同規(guī)范。特別是第１ 點(diǎn)，“Metadata虛擬的邏輯屬性”使得組件合同專注于“邏輯語(yǔ)義層面”，而非“物理實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)”。簡(jiǎn)單解釋一下：
１. 組件與組件的復(fù)用從此集中于“邏輯語(yǔ)義層面”，比如C1的方法M1中調(diào)用MyClass的方法MyMethod，用語(yǔ)義表達(dá)為：call MyClass:MyMethod?；蛘逤1類繼承C2類：用語(yǔ)義表達(dá)為：class C1 extends C2?；蛘哒{(diào)用虛方法：callvirt MyClass:VirtualMethod….
２. 組件與組件的復(fù)用不再糾纏于“物理實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)”，例如：調(diào)用某個(gè)方法，必須知道它的入口點(diǎn)地址如jmp 0×000688；繼承某個(gè)類，必須清楚它的字段layout等等，調(diào)用虛方法，必須清楚v-table偏移規(guī)定…..

那為什么“專注于邏輯語(yǔ)義層面的合同”要優(yōu)于“專注于物理實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的合同”呢？

這就又要回到前面說(shuō)的“軟件組件的復(fù)用性”這一目標(biāo)上來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果要實(shí)現(xiàn)“軟件組件的復(fù)用性（注意二進(jìn)制、多語(yǔ)言兩個(gè)屬性）”，“專注于物理 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)”對(duì)于各個(gè)語(yǔ)言的編譯器廠商，要求太高了，各編譯器廠商要協(xié)調(diào)一個(gè)執(zhí)行體各個(gè)方面的物理細(xì)節(jié)（v-table偏移，棧幀，參數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)齊， 方法地址等等…..不一而足）——這么多細(xì)節(jié)的要求，使得大家極難協(xié)調(diào)——COM后期的弊端叢生就源于此。

而“專注于邏輯語(yǔ)義層面”來(lái)實(shí)現(xiàn)組件的復(fù)用性，各編譯器廠商生成的執(zhí)行體（即.NET里面的程序集）只需要“用metadata表達(dá)邏輯語(yǔ)義上的復(fù) 用規(guī)范”即可——這對(duì)于各編譯器廠商需要協(xié)調(diào)的規(guī)范的量級(jí)大大減少，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易得多。也不容易在各種細(xì)節(jié)上出現(xiàn)漏洞——因?yàn)榇罅康奈锢砑?xì)節(jié)全由 CLR執(zhí)行時(shí)來(lái)確定。

綜上所述， metadata 的根本性的作用是支持 “ 基于邏輯語(yǔ)義的組件復(fù)用 ”—— 這是 .NET 致力于打造軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的核心目標(biāo)。 支持反射僅僅是 metadata 一個(gè)很小的衍生功能，而非主要功能。

事實(shí)上除了支持“基于邏輯語(yǔ)義的組件復(fù)用”這一核心目標(biāo)外，metadata在.NET平臺(tái)中還起著其他重要作用（有些是組件復(fù)用的延伸需求，比如 JIT與跨平臺(tái)）：

1. Metadata是JIT編譯、亦即實(shí)現(xiàn).NET跨平臺(tái)的基礎(chǔ)
說(shuō)明：IL代碼中大量引用著Metadata。在MethodDef元數(shù)據(jù)表里面存儲(chǔ)著一個(gè)方法的各種語(yǔ)義信息，許多IL指令就直接內(nèi)嵌了 Metadata Tokens。沒(méi)有Metadata，JIT也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2. Metadata是.NET支持垃圾收集GC的基礎(chǔ)
說(shuō)明：metadata標(biāo)記了對(duì)象與對(duì)象間的引用關(guān)系，這是GC遍歷對(duì)象圖（判斷對(duì)象是否可以收集）的關(guān)鍵依據(jù)。沒(méi)有metadata，GC將不知道 0×000688是一個(gè)指針（需要繼續(xù)遍歷）？還是一個(gè)整數(shù)（不需要繼續(xù)遍歷）？

3. Metadata是描述類型契約、標(biāo)識(shí)、規(guī)范等的基本信息
說(shuō)明：強(qiáng)命名程序集（使用metadata描述）唯一標(biāo)識(shí)了編譯器當(dāng)初編譯時(shí)的組件，不至于導(dǎo)致運(yùn)行期仿冒、或者版本偷換（即DLL 地獄問(wèn)題）

4. Metadata是.NET管理組件安全的基礎(chǔ)（運(yùn)行時(shí)類型檢查，組件下載）
說(shuō)明：metadata會(huì)告訴CLR執(zhí)行環(huán)境一個(gè)組件的安全邊界，從而可以管理那些惡意代碼。

5. Metadata是.NET管理組件引用關(guān)系，加載的基礎(chǔ)
說(shuō)明：metadata會(huì)告訴一個(gè)組件需要引用哪些組件（哪些版本）？這是組件加載的基礎(chǔ)。

從這里大家可以看出來(lái)，Metadata是.NET平臺(tái)實(shí)實(shí)在在的基石。Metadata之于.NET平臺(tái)，就像維他命至于生物體一樣。換言之，刪 除反射，并不能消除metadata。如果要消除metadata，.NET平臺(tái)的整個(gè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（組件復(fù)用，以及上述的其他種種功能）將不復(fù)存在。

最后，指出 《C# 會(huì)重蹈覆轍嗎？系列之2：反射及元數(shù)據(jù)的性能問(wèn)題》 一文中的核心論據(jù)錯(cuò)誤，并非為了追求駁倒firelong。建議 firelong，jeffreyzhao以及這場(chǎng)辯論的眾多技術(shù)領(lǐng)域的網(wǎng)友（不管是firelong，jeffreyzhao支持者還是反對(duì)者），拋掉 “非要辯個(gè)勝負(fù)，分個(gè)高低”的怪誕氛圍，而是來(lái)一些扎扎實(shí)實(shí)的技術(shù)說(shuō)理過(guò)程，相信會(huì)更有意義——如是，則國(guó)內(nèi)技術(shù)社區(qū)成長(zhǎng)可待！

?

Metadata是.NET平臺(tái)的核心靈魂--