[.net 面向对象程序设计深入](8)认识. NET Core
.NET 经历 14 年,在 Windows 平台上的表现已经相当优秀,但是 "跨平台、开源" 却是其痛点,从 16 年开始. NET Core 的出现将迎来. NET 的真正意义上的跨平台和开源序幕。
.NET Core 是一个开源通用的开发框架,支持跨平台,即支持在 Window,macOS,Linux 等系统上的开发和部署,并且可以在硬件设备,云服务,和嵌入式 / 物联网方案中进行使用。
.NET Core 的源码放在 GitHub 上,由微软官方和社区共同支持。
下面了解一下. NET Framework 和. NET Core 这两个分支的异同。
a.NET Framework 包含, Windows Form,WPF,ASP.NET
b.NET Core 包含,UWP,ASP.NET Core
c.Xamarin,新的. NET 还包括第三个部分,即 XAMARIN 用于构建移动 APP,包含 iOS、 OS X 、Android 等。
即所谓的. NET 三架马车,下面是最新的. NET 生态体系图:
从上图可以看出,.NET Framework 和. NET Core 及 XAMARIN 将是现在及未来. NET 的三大部分,而它们三个都是独立于各自的,但都基于. NET 标准库。
.NET Core 较之前的. NET Framework 从性能和开发效率上都有很大的提升。关键是首次实现了. NET 的完全跨平台能力的基础技术栈。
.NET Core 基于跨平台能力,并没有将与 GUI 高度相关的 API 移植到 .NET Core 内,因此像是 Windows Forms 或是 Windows Presentation Foundation (WPF) 并未移植到 .NET Core。
.NET Core 支持控制台应用程序 (Console Application) 以及类库 (Class Library) 类型的项目。
不过微软在其 Universal Windows Platform (UWP) 开发平台使用了 .NET Core,并且利用 .NET Native 技术将其性能提升至十分接近原生码的速度。
ASP.NET Core 则以控制台应用程序驱动其托管环境 Kestrel Server 以支持 ASP.NET Core 程序的运行。
a..NET Framework
(1)Windows 应用程序的王者框架:.NET Framework 用于创建基于 Windows 系统的应用程序,包括 Windows From、WPF、ASP.NET MVC 等。在 Windows 框架下的开发。.NET Framework 仍是强项,今后一段时间将继续更新升级。
(2)开发语言选择:可选用 C#,VB.NET,F# 等众多语言开发。
b..NET Core
(1)跨平台 .NET Core 是微软推出的最新的跨平台的框架,用它可以创建的应用可以运行在 MAC,Linux 上 。 .NET Core 支持 UWP 和 ASP.NET Core,UWP 即 Windows 10 中的 Universal Windows Platform 简称。即 Windows 通用应用平台,在 Win 10 Mobile/Surface(Windows 平板电脑)/PC/Xbox/HoloLens 等平台上运行,uwp 不同于传统 pc 上的 exe 应用也跟只适用于手机端的 app 有本质区别。它并不是为某一个终端而设计,而是可以在所有 windows10 设备上运行。
(2)开源 .NET Core 从属于. NET 基金会,由微软进行官方支持。使用 MIT 和 Apache 2 开源协议,文档协议遵循 CC-BY
(3) 兼容性:从前面的图上看出. NET Core 和. NET Framework 基于. NET Standard Library。因此与. NET Framework,Xamarin,Mono 等兼容。
(4)灵活部署机制:第一种. Portable applications(便携式应用) 这种部署机制和传统的. NET Framework 相似,只要目标平台上存在. NET Core Runtime 即可。
第二种. Self-contained application(自宿主应用)顾名思义,这种部署机制将应用和运行时共同打包,即便目标平台上没有安装. NET Core Runtime 也能正常使用第二种方式和. NET Native 也是不一样的,仍然使用 CoreCLR,而. NET Native 使用 CoreRT 作为运行时,详细信息请见 dotnet/corert
(5)命令行工具:.NET 程序所有的运行脚本都可以用命令行工具执行 (cmd,bash)。
(6)语言选择:.NET Core 1.0 版本中支持的编程语言仅有 C#(F# 和 VB 暂未实现)
上面说到. NET 的三驾马车,.NET Framework、.NET Core、XAMARIN, 下面主要看一下. NET Core 的组成
如上图,NET Core 构成体系:
(1) Runtime 在. NET Core 中有实现两种 RunTime,NativeRuntime 和 CoreCLR。NativeRuntime 将 C# 或 VB.net 代码直接转换为原生机器码。而 CoreCLR 是一个开源的 JIT 运行时,会将代码编译成中间语言(IL)在最终运行时再转换机器码。
(2) Unified BCL Base Classlibrary 即基础类,例如 FileSystem、Console、XML 操作等。
(3) Windows Store AppModel & ASP.NET Core 1.0 提供开发 Windows 系统的各种触屏设备和 ASP.NET 程序的一组基础库。
如上图:
应用层: .NET Core 的系统构成,最上层是应用层,是开发基于 UI 应用的框架集,包括了 ASP.NET Core(用于创建 web app),和 UWP(用于创建 Windows10 app)。
中间层:中间层是公共库 (CoreFX):实现了. NET Standard Library , 囊括了常用系统级操作例如(文件、网络等)。
在 CoreFx 下是运行时环境,.NET Core 包含了两种运行时 (CoreCLR、CoreRT),CoreCLR 是一种基于即时编译程序(Just in time compiler,JIT) 的运行时, 它使用了跨平台开源的编译器 RyuJIT,
而 CoreRT 是使用提前编译器 (Ahead of time compiler,AOT) 的运行时, 它既可以使用 RyuJIT 来实现 AOT 编译也可以使用其他的 AOT 编译器。由于 AOT 提前编译 IL 成了机器码,在移动设备上也具有更好的启动速度和节能性。
编译器:最后还要提到一个开源的跨平台源代码编译器 Roslyn,它有别于刚才两个编译器,JIT 和 AOT 编译器主要用于将 IL 编译成本机机器码,而 Roslyn 是将 C# 或 VB.NET 代码编译成程序中间语言 (intermediate language,IL)。
下面介绍这个编译器。
(1)、.NET Core 的 Roslyn 编译器
Roslyn 编译器用于将 C# 或 VB.NET 代码编译为程序集 (assembly),它的编译过程是一个管道式的处理过程一共包含 4 个步骤,具体过程见下图。
A. Parser(解析)
根据语法对源代码进行解析。
B. Declaration (声明)
为代码生成元数据 (metadata), 元数据是一个数据表的集合,描述了在当前代码中定义的数据类型和成员,同时也描述了引用的类型及成员。
C. Bind(绑定)
将生成的 IL 代码与描述它的元数据绑定在一起,生成托管模块 (managed module)。
D. Emit(生成)
将一个或多个托管模块合并生成程序集 (assembly)。
(2)RyuJIT 编译器
在程序运行中需要执行某一个方法,首先需要将已经编译好的 IL 转换本机的机器码,而这个任务就交给了 RyuJIT。它是新一代 JIT 编译器,第一次实现了 AMD64 的架构,RyuJIT 能够比 JIT64(上一代编译器) 更快地生成代码,以提高程 序运行效率 (测试详情链接)。
(3) CoreCLR & CoreRT
CoreCLR 和 CoreRT 都是. NET Core 的运行时 (Runtime), 它们提供了与. NET Framework CLR 类似的核心功能 (内存管理、程序集加载、安全性、异常、线程管理等),可由面向于运行时的所有语言使用。
CoreRT 和 CoreCLR 不同的是,CoreRT 提供了一套 AOT 的机制, 可以将. NET Core 程序编译成原生代码,不依赖 .NET 运行时而运行在宿主机器上。
除此之外两个运行时大部分功能代码是共享的,比如 GC。AOT 的优化带来不少好处:
编译后生成一个单文件,包含所有的依赖,包括 CoreRT,无需安装 Framework
启动时是机器码,不需要生成机器码,也不要加载 JIT 编译器
可以使用其他优化编译器,包括 LLILC ,IL to CPP
CoreRT 有两个方式生成机器码,第一个使用是直接编译 IL 成机器码,默认情况下,RyuJIT 作为一个 AOT 编译器将 IL 编译成机器码,另一个方式是将 C# 代码编译成 C++ 代码,然后调用对应平台的 C++ 编译器优化编译成机器码。
使用 RyuJIT 编译成机器码
- dotnet restore
- dotnet build --native --ilcpath \bin
- \Product\Windows_NT.x64.Debug\packaging\publish1
编译生成 C++ 代码
- dotnet restore
- dotnet build --native --cpp --ilcpath \bin\Product\Windows_NT.x64.Debug\packaging\
- publish1 --cppcompilerflags /MTd
CoreRT 也有不足之处,它需要为不同平台编译一次;但凡事有但是,它允许工程师可以不发布到不想支持的平台(比如某游戏仅支持桌面,不支持手机)。
(4) CoreFX(.NET Core Libraries)
CoreFX 主要包含数个公共库,例如 System.Collections, System.IO, System.Xml 等。CoreFX 是 .NET Standard Library 的实现,同样的. NET Framework 4.6.3 也是基于. NET Standard Library 的实现。它们目前都是基于. NET Standard Library1.6 版本,具体见下表:
从上图可以看到使用 JIT 编译和使用 AOT 编译源代码并运行程序是两种不同的流程。
如果使用 JIT 编译器部署程序时只需要将程序打包为 IL 的 assemblies,在方法第一次执行前编译器将 IL 编译为目标机机器码 (Native code),而 AOT 编译会在编译时将源代码直接编译为目标机机器码。
AOT 将源代码编译为机器码,拥有如下特性:
(1)用静态代码替换反射,例如如果一个值类型 (value type) 没有重写 ValueType.Equals 的 equals 的方法,默认情况判断相等,会使用反射找到 filedinfo 以确定 type 是否相等,然后再比较 value 是否相等。而在 AOT 编译中由于替换了反射因此只能比较 value 是否相等。
(2)依赖的第三方类库以及. NET Libraries 均打包至最终编译的程序中。
(3)打包后的程序运行在一个精简版的运行时上 (CoreRT) 主要包含垃圾回收器,而运行时也会打包在 app 文件中。
(4)虽然编译时会替换反射代码,但遇动态反射代码无能为力,运行时若遇动态反射调用则会因找不到对应的元数据及实现而抛出异常。解决办法是编译前配置运行时指令文件 (Runtime directive file) 指定需要用到的程序集。
主要介绍了. NET 的三驾马车. NET Framework、.NET Core、Xamarin,.NET Framework 是开发基于 Windows 平台的王者框架,而. NET Core 的跨平台特性、开源及灵活的部署机制将是. NET 的未来。后面介绍了. NET Core 的组成、.NET Core 主要功能模块:应用层、中间层、编译器。最后简要介绍了. NET Core 的开发、部署、运行流程。
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