.NET面试题系列[1] - .NET框架基础知识(1)

很明显，CLS是CTS的一个子集，而且是最小的子集。 - 张子阳

.NET框架基础知识（1）

参考资料：

• http://www.tracefact.net/CLR-and-Framework/DotNet-Framework.aspx （非常经典的一篇文章）
• 精通C# （第六版）
• CLR via C# （第三版）

1 术语

面试出现频率：从来没人问过。事实上我都不知道怎么问，考背书吗？倒是可以问问知不知道现在.NET最新版本是什么，考察面试者是否对新技术足够敏感。

重要程度：3/10

需要理解的程度：知道这些缩写（CLR，BCL，FCL，CTS，CLS）各代表什么即可。仔细读一遍http://www.tracefact.net/CLR-and-Framework/DotNet-Framework.aspx

1.1什么是.NET框架？在各个平台版本中，有什么值得强调的更新？

.NET框架是以一种采用系统虚拟机（即CLR）运行的，面向CLR的编程平台，以CLR为基础。.NET的基础类库运行于CLR之上（类比Java的虚拟机），作为其他各种功能的基石。.NET框架支持多种语言（C#、F#、VB.NET、C++、Python等）的开发。它的前身是Windows DNA。现在.NET框架的扩展性甚至超过Java，其的Mono为Mac OS提供了支持，Xamarin可媲美安卓开发，可以在任何手机上开发。

.NET框架是开源的。它的代码在https://github.com/dotnet/。如果你的commit有幸被接受，即使改动有多么微小，也是无上的荣耀，你绝对应该把它写到你简历的第一行，这个成就可以和“为Linux内核优化做过贡献”相比，那可比曾经在BAT做过几年的经历牛逼多了。

所有.NET支持的语言编写出来的程序，在支持.NET的编译器编译之后，会先产出程序集，其主要内容是IL和元数据。之后，JIT再将其翻译为机器码。

甲骨文公司的Java EE是.NET平台的竞争对手之一。

.NET框架现在已经出到了版本4.6.1。在3.0之前，.NET框架的Web解决方案是ASP.NET（Webform & MVC），数据库连接为ADO.NET（支持过去的ODBC，OLE等，并支持SQL Server和Oracle），Windows Form则作为Windows下的应用解决方案。

.NET最重大的一个版本更新是3.0，其中，提出了WCF（统一了过去Web服务混乱的形式，形成了一个统一的格式，并采用SOAP），WPF（作为Windows form的增强版）以及WF。

.NET3.5集成了LINQ。另外Entity Framework取代ADO.NET，它对应VS2008。

.NET4.0提出了任务并行库和PLINQ。

.NET 5 （即.NET Core 1.0）在2016年6月27日推出。是次推出伴随着ASP.NET Core （即ASP.NET 6）和Entity Framework 7。这些产品将支持Windows，OS X和Linux三种操作系统。

新版本的.NET项目使用.json文件代替了过去的.xxproj，.sln和.suo文件，这符合目前的主流，即用json代替XML。新版本的.NET框架要传输给我们的理念是：这是一个跨平台的，开源的框架。一切都是依赖注入，一切都是nuget，开发彻底组件化，能解耦的全都解耦。ASP.NET Core彻底摆脱了System.Web这个顽疾，在其中，我们甚至连MVC都是注入进去的。如果想得到什么组件，要么通过依赖注入，要么就使用nuget。永远不要手动add reference，目前我知道的唯一的例外是System.Configuration。当你和团队其他人并行开发系统的不同模块时，你们可以用nuget互相得到对方模块中的工程。Nuget相比add reference，更不容易出错，界面更友好，且不会轻易陷入dll陷阱。

经过.NET牌编译器编译之后的程序集有两种形态：类库（.dll）形态和可执行文件（.exe）形态。.NET自带了很多类库，统称为FCL。BCL是FCL的一个子集。

1.2 基础类库（BCL）

Base Class Library (BCL) 是微软所提出的一组标准库，可提供给.NET Framework所有语言使用。随着 Windows 以及.NET Framework 的成长，BCL 已近乎成为在.NET上的 Windows API。mscorlib.dll程序集几乎就是基础类库的代名词。

当安装.NET Framework时，所有的基础类库被部署到全局程序集缓存（GAC）。它的位置一般在C:\Windows\assembly。所以你不需要在你的工程中手动引用任何的基础类库，它们会被自动引用。如果你从GAC中删除了mscorlib.dll，你的IDE将变成一个什么都不懂的白痴。因为没有mscorlib.dll，意味着没有基础类库，没有整型，字符串，控制台…你什么都做不了。

部分mscorlib.dll包括的命名空间：

• System：.NET Framework 类库中最基底的服务，提供应用程序域 (Application Domain)，数据类型，I/O 以及其他类库的基础。
• System.Collections：提供非泛型数据结构以及集合对象的支持，其中 System.Collections.Generic中包括所有的泛型数据结构。
• System.Configuration：提供 .NET 应用程序在配置设置上的支持。
• System.Data：ADO.NET 的组成类库，为数据访问功能的核心功能。
• System.Drawing：提供 .NET 的绘图能力，包含基本位图处理以及视频与色彩处理，打印支持也由本名字空间提供，此名字空间包装了大多数的 GDI 以及 GDI+ 的 API。
• System.IO：提供数据流与文件读写的支持
• System.Net：.NET 中的网络功能
• System.Reflection：反射
• System.Diagnostics：.NET 中提供系统诊断，除错，追踪与运行外部进程的能力
• System.ServiceModel：WCF 的组成类库，于 .NET Framework 3.0 时出现。
• System.Text：对文字，编码以及正规表达式的支持。
• System.Threading：线程控制
• System.Windows.Forms： Windows Forms 的组成类库，包装了 Win32 用户界面，视窗，共用控件，以及 Shell 的基础 API，以提供设计 Windows 应用程序用户界面所需的支持。
• System.Windows：WPF 的组成类库，于 .NET Framework 3.0 时出现。
• System.Web：ASP.NET 的组成类库，令工程可以和 IIS 服务器交互，XML Web Service 开发的基本支持也由本类别提供。ASP.NET Core中消失（如果你不打算用IIS做服务器的容器，则你不需要这个类库）。
• System.Xml：XML 解析器
• System.Linq，System.Xml.Linq：LINQ 的核心类库，System.Linq 是 LINQ to Object，而 System.Xml.Linq 则是 LINQ to XML。

然而在C:\Program Files (x86)\Reference Assemblies\Microsoft\Framework\.NETFramework\v4.0\我们还有一个System.dll，这个参考是每次新建工程时VS自动引用的若干参考之一。这个程序集中也有一个System命名空间，它的内容和mscorlib.dll中的不同。可以看到，System这个命名空间存在于不止一个程序集中。这意味着不同的程序集可以共享一个命名空间。

在System.dll中，System类型拥有Uri这个成员，mscorlib.dll中System类型拥有int这个成员（基元类型）。所以我们可以做个试验，如果我们将工程中对System的引用去掉，那么我们就不能定义一个Uri类型的对象。但我们仍然可以使用int类型，因为它虽然也在System这个类型里面，但位于mscorlib.dll中。当你去掉对System的引用时，你仅仅去掉了System.dll和里面的功能，但你没有去掉mscorlib.dll中System类型的功能。

BCL是属于整个.NET框架的，并非某种语言的一个基础类库。例如，C#的string类型的所有功能和定义来源于mscrolib.dll中的System.String，而VB的string类型的功能和定义也来源于相同的地方。基础类库中定义的类型称为基元类型，它也是为.NET框架所有的语言共享。

在.NET Core中，BCL改名换姓变成了Corefx。源码在https://github.com/dotnet/corefx。

1.3 框架类库（FCL）

作为一名.NET程序员，每天都要打交道的就是FCL了（框架类库）。BCL是FCL的一个子集。简单来说FCL除了BCL的那部分，就是我们要引用的外部参考。

1.4 CTS（公共类型系统）和CLS（公共语言规范）

简单的说，CTS就是说话的语法和规范。你可以理解为，英语是一种语言，英语的CTS（至少绝大一部分）就是“实用英语语法（张道真）”这本书。如果C#没了语法，那就没有class，没有接口，变成了伪码。

参考资料中的第一个链接讲的很好，我就在这里总结一下吧：

1. CTS是一套语法。类似“英语语法”。它规定了一套约束，例如英语规定所有的字词都是由26个字母组成的（以及其他很多规则）。服从这套语法的语言都可以被看成是英语的某种方言，例如中古英语，现代英语都是英语，而汉语不符合字词由字母组成，所以它不是英语。同理所有服从CTS的语言，都可以被看成.NET框架的语言。
2. CTS中定义了类型，允许它有属性，字段，方法等。
3. .NET框架的众多语言各自实现了CTS的一部分功能。做一个不太恰当的类比，C#可以被认为是“美国英语”，F#是“英国英语”而VB是“印度英语”等。他们是英语的各种方言。他们共享一套相同的词汇表，但也各有各的特点。例如颜色在英国英语中的拼写是colour，美国英语则是color。
4. 由于.NET框架的众多语言在编译时都要转换为IL，因此IL实现的CTS功能是它们的并集，也就是CTS全部的功能。你可以理解为，虽然.NET框架语言那么多，但一编译了之后，就成了一种语言。
5. .NET框架的众多语言分享CTS的一小部分功能，这部分功能称为CLS（Common Language Specification，公共语言规范）。这是这些语言（的程序集）可以相互使用的前提。如果你创建一个新语言，其实现了CTS的一部分功能，但不包括CLS，那你的语言就不能被其他.NET框架的语言（的程序集）使用。如果你创建的语言甚至不符合CTS，例如你在词汇表中加入了汉字，那不好意思，你创建的语言不能叫英语。

很明显，CLS是CTS的一个子集，而且是最小的子集。（最小功能集）

图片来自CLR via C#。

1.5 为什么说.NET是平台无关的？

.NET程序集可以在非微软操作系统如Mac OS，各种版本的Linux，以及iOS和Android移动设备上开发和执行。.NET的平台无关性主要体现为：.NET程序集可以在任何的平台上运行，不管是Windows，还是Mac，只要这个平台拥有将IL转换为机器码，以及加载其他相关程序集的能力（即CLR），而任何机器都可以运行机器码。这类似于Java的虚拟机，只要平台装了Java虚拟机，则这个平台就可以运行Java程序。

1.6 CLR（公共语言运行时）

CLR是让程序执行所需的外部服务的集合，类似Java需要JVM虚拟机才可以运行。

它的核心功能（比如即时编译，内存管理，程序集加载，安全性，异常处理和线程同步）可由面向CLR的所有语言使用。例如，CLR允许创建线程，所以面向CLR的所有语言都能创建线程。

CLR是.NET的运行基础，管理.NET程序集的执行。它运行于Windows之上，很多功能仅仅是Windows上的一个wrapper，例如线程，内存管理等，这些实际上是Windows在管理。但JIT则是它独有的，如果没有它，就不能把IL变成机器码，计算机也就不认识C#，你也就不能运行C#程序。

在开始运行.NET程序之前，编译器将代码转换为IL。IL代码并不能直接运行，CLR将真正需要用到的程序集导入内存，读取元数据，接着为类型开辟内存空间，执行所有需要的安全检查，并最终运行代码：

• CLR找到代码中拥有Main方法的类型并且加载这个类型。CLR中一个名为Class loader（类加载程序）的组件负责这项工作。它会从GAC、配置文件、程序集元数据中寻找这个类型，然后将它的类型信息加载到内存中的数据结构中。在Class loader找到并加载完这个类型之后，它的类型信息会被缓存起来，这样就无需再次进行相同的过程。当然，如果这个类型引用了其他的类型，则会导致一连串的程序集加载，这将定义程序代码执行的环境（类似Java的JVM）。注意即使工程很大，有几百个程序集，CLR不会全部加载，只会在真正用到该程序集的时候才加载。
• 验证。在CLR中，还存在一个验证程序（verifier），该验证程序的工作是在运行时确保代码是类型安全的。它主要校验两个方面，一个是元数据是正确的，一个是IL代码必须是类型安全的，类型的签名必须正确。这是早期绑定验证，验证在运行时之前发生。对于动态类型，此时不做任何检查。
• 即时编译。（此时就从编译时过渡到了运行时）这一步就是将托管的IL代码编译为可以执行的机器代码的过程，由CLR的即时编译器（JIT Complier）完成。即时编译只有在方法的第一次调用时发生。类型加载程序（Class loader）会为每个方法插入一个存根。在调用方法时，CLR会检查方法的存根，如果存根为空，则执行JIT编译过程，并将该方法被编译后的本地机器代码地址写入到方法存根中。当第二次对同一方法进行调用时，会再次检查这个存根，如果发现其保存了本地机器代码的地址，则直接跳转到本地机器代码进行执行，无需再次进行JIT编译。JIT编译还会优化本地的代码。

在程序运行时，CLR还负责：

• 异常处理
• 内存管理与垃圾回收
• 线程管理（线程池）

托管代码是必须在CLR下执行的代码，而非托管代码则不需要CLR的支持就可以运行。CLR本身用于管理托管代码，因此它是由非托管代码编写的，并不是一个包含了托管代码的程序集，也不能使用IL DASM进行查看。它位于C:\%SystemRoot%\Microsoft.NET\Framework\版本号下，视安装的机器不同有两个版本，一个是工作站版本的mscorwks.dll，一个是服务器版本的mscorsvr.dll。wks和svr分别代表workstation和server。

CLR via C#这本书选择通过C#作为视角，讨论CLR的各种功能。通过对这本书的阅读，你会对一些实际由CLR进行管理的行为例如垃圾回收，线程管理有更加深刻的认识。

2. 编译：IL与JIT

面试出现频率：低。不排除部分IL专家会试探性问你一些IL命令，但我相信你答不出来他们也不会在意。学了IL和没学，一般人看不出来区别，学了IL，也不意味着你就很厉害。个人认为，学IL唯一的用处就在于证明你看到的书上写的各种结论，或者验证一些性能方面的想法。你可以参看这篇文章：http://blog.zhaojie.me/2009/06/my-view-of-il-2-il-shows-little-about-clr.html

重要程度：3/10，常识性了解即可

需要理解的程度：知道IL是中间代码，知道JIT的优点（带缓存的编译），以及它可能会对你的代码进行优化。

2.1 什么是IL（CIL）？如何获得IL代码？

在.NET的开发过程中， IL的官方术语是MSIL或CIL（Common Intermediate Language，即公共中间语言）。因此，IL，MSIL和CIL指的是同一种东西。

当使用支持.NET的编译器编译之后，生成.dll或.exe文件。这文件称作.NET程序集，包含IL和元数据。不同语言（例如C#和VB）经过不同编译器（例如C#编译器和VB编译器），编译一段功能相似的代码（区别仅仅在于语法），其IL也基本相似。虽然IL相对C#较为底层，但它仍然是一个十分高级的语言。它并不是汇编语言。

可以通过ildasm（在cmd中运行）工具加载任意的.NET程序集并分析它的内容，包括它所包含的IL代码和元数据。注意，高级语言只公开了CLR的所有功能的一个子集，而IL允许开发人员访问CLR所有的功能。

关于IL的扩展阅读，可参看老赵谈IL系列：

http://blog.zhaojie.me/2009/06/my-view-of-il-1-il-and-asm.html

2.2 什么是JIT？还有什么其他编译方式？何时使用到JIT？

即时编译（英语：Just-in-time compilation）是动态编译的一种形式，是一种提高程序运行效率的方法。通常，程序有两种运行方式：静态编译与动态编译。静态编译的程序在执行前全部被翻译为机器码，而动态编译执行的则是一句句，边运行边翻译。

即时编译则混合了这二者，一句句编译源代码，但是会将翻译过的代码缓存起来以降低性能损耗。相对于静态编译代码，即时编译的代码可以处理延迟绑定并增强安全性。

CLR的JIT负责将IL编译成机器码。 当程序编译成程序集之后，CLR加载任何需要用到的其他程序集，并开始使用JIT将CIL编译为机器码。JIT编译器会在方法的首次调用时，从类型的元数据中查找方法，并进行检查，例如检查类型是否安全。如果出现了问题，则触发运行时错误。以后对方法的所有调用都以本地代码的形式全速运行，无须重新检查。

2.3 本地代码的优化

CLR的JIT编译器会对本地代码进行优化。例如字符串驻留中对常量字符串相加的优化。和没有优化相比，优化之后的代码将获得更出色的性能。但过度的优化可能会出现问题，在CLR via C#的易失构造中，作者举了一个例子。

 1 class Program
 2     {
 3         private static bool s_stopWorker = false;
 4 
 5         static void Main()
 6         {
 7             Console.WriteLine("Main: letting worker run for 2 seconds");
 8             Thread t = new Thread(Worker);
 9             t.Start();
10 
11             Thread.Sleep(2000);
12             s_stopWorker = true;
13             Console.WriteLine("Main: waiting for worker to stop");
14             t.Join();
15         }
16 
17         private static void Worker(object o)
18         {
19             int x = 0;
20             while (!s_stopWorker)
21             {
22                 x++;                
23             }
24             Console.WriteLine("Worker: stopped when x = {0}", x);
25         }
26     }

如果使用f5呼叫出Visual Studio的调试模式，则程序会像预期的那样正常运行直到结束。使用调试器会造成JIT编译器在Debug模式进行编译，它生成未优化的代码，目的是方便你进行单步调试。如果是选择了x86的Release模式进行编译：

它将会生成被CLR优化的代码。值得一提的是，x86编译器是一个更成熟的编译器，执行优化比x64更大胆。x64不会执行上面所说的特定的优化。在再次用f6进行编译之后，用ctrl+f5运行程序，程序将会陷入无限循环。

注意：必须用x86+Release编译，然后以非调试模式运行（即Ctrl+F5），才能看到这个效果。问题发生的原因是，x86的编译优化过度。它发现变量s_stopWorker要么为true要么为false。它还发现这个值在worker方法本身中从来没有变化。因此，编译器会生成代码检查s_stopWorker，如果s_stopWorker为true，就显示“Worker: stopped when x = 0”。如果s_stopWorker为false编译器就生成代码进入一个无限循环，并一直递增x。解决的办法是为s_stopWorker加入修饰词volatile。

PDB文件包含了可以令调试器在本地工作的信息。可以这么说：有了PDB文件，本地的debug才成为可能。如果你打算发布Release版本，则不需要该文件。使用Release模式编译的结果中也不包含PDB文件。例如，你写了一个小的控制台程序给别人用，那么你不需要把\bin\debug里面所有的文件都拷贝给别人，你只需要程序本身，必要的dll和config文件即可。