.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，并且是最小的子集。 - 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 （很是经典的一篇文章）
• 精通C# （第六版）
• CLR via C# （第三版）

1 术语

面试出现频率：历来没人问过。事实上我都不知道怎么问，考背书吗？却是能够问问知不知道如今.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

须要理解的程度：知道这些缩写（CLR，BCL，FCL，CTS，CLS）各表明什么便可。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），做为其余各类功能的基石。.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。如今.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，能够在任何手机上开发。

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

全部.NET支持的语言编写出来的程序，在支持.NET的编译器编译以后，会先产出程序集，其主要内容是IL和元数据。以后，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框架如今已经出到了版本4.6.1。在3.0以前，.NET框架的Web解决方案是ASP.NET（Webform & MVC），数据库链接为ADO.NET（支持过去的ODBC，OLE等，并支持SQL Server和Oracle），Windows Form则做为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，造成了一个统一的格式，并采用SOAP），WPF（做为Windows form的加强版）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三种操做系统。

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框架要传输给咱们的理念是：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，开发完全组件化，能解耦的全都解耦。ASP.NET Core完全摆脱了System.Web这个顽疾，在其中，咱们甚至连MVC都是注入进去的。若是想获得什么组件，要么经过依赖注入，要么就使用nuget。永远不要手动add reference，目前我知道的惟一的例外是System.Configuration。当你和团队其余人并行开发系统的不一样模块时，大家能够用nuget互相获得对方模块中的工程。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。

通过.NET牌编译器编译以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自带了不少类库，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全部语言使用。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，全部的基础类库被部署到全局程序集缓存（GAC）。它的位置通常在C:\Windows\assembly。因此你不须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。若是你从GAC中删除了mscorlib.dll，你的IDE将变成一个什么都不懂的白痴。由于没有mscorlib.dll，意味着没有基础类库，没有整型，字符串，控制台…你什么都作不了。

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 以及其余类库的基础。
• 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中包括全部的泛型数据结构。
• 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，令工程能够和 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（若是你不打算用IIS作服务器的容器，则你不须要这个类库）。
• 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\咱们还有一个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中的不一样。能够看到，System这个命名空间存在于不止一个程序集中。这意味着不一样的程序集能够共享一个命名空间。

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）。因此咱们能够作个试验，若是咱们将工程中对System的引用去掉，那么咱们就不能定义一个Uri类型的对象。但咱们仍然可使用int类型，由于它虽然也在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，并不是某种语言的一个基础类库。例如，C#的string类型的全部功能和定义来源于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框架全部的语言共享。

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

1.3 框架类库（FCL）

做为一名.NET程序员，天天都要打交道的就是FCL了（框架类库）。BCL是FCL的一个子集。简单来讲FCL除了BCL的那部分，就是咱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。你能够理解为，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。若是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连接讲的很好，我就在这里总结一下吧：

1. CTS是一套语法。相似“英语语法”。它规定了一套约束，例如英语规定全部的字词都是由26个字母组成的（以及其余不少规则）。服从这套语法的语言均可以被当作是英语的某种方言，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，因此它不是英语。同理全部服从CTS的语言，均可以被当作.NET框架的语言。
2. CTS中定义了类型，容许它有属性，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。作一个不太恰当的类比，C#能够被认为是“美国英语”，F#是“英国英语”而VB是“印度英语”等。他们是英语的各类方言。他们共享一套相同的词汇表，但也各有各的特色。例如颜色在英国英语中的拼写是colour，美国英语则是color。
4. 因为.NET框架的众多语言在编译时都要转换为IL，所以IL实现的CTS功能是它们的并集，也就是CTS所有的功能。你能够理解为，虽然.NET框架语言那么多，但一编译了以后，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）能够相互使用的前提。若是你建立一个新语言，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余.NET框架的语言（的程序集）使用。若是你建立的语言甚至不符合CTS，例如你在词汇表中加入了汉字，那很差意思，你建立的语言不能叫英语。

很明显，CLS是CTS的一个子集，并且是最小的子集。（最小功能集）

图片来自CLR via C#。

 

1.5 为何说.NET是平台无关的？

.NET程序集能够在非微软操做系统如Mac OS，各类版本的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程序集能够在任何的平台上运行，无论是Windows，仍是Mac，只要这个平台拥有将IL转换为机器码，以及加载其余相关程序集的能力（即CLR），而任何机器均可以运行机器码。这相似于Java的虚拟机，只要平台装了Java虚拟机，则这个平台就能够运行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，相似Java须要JVM虚拟机才能够运行。

它的核心功能（好比即时编译，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的全部语言使用。例如，CLR容许建立线程，因此面向CLR的全部语言都能建立线程。

CLR是.NET的运行基础，管理.NET程序集的执行。它运行于Windows之上，不少功能仅仅是Windows上的一个wrapper，例如线程，内存管理等，这些其实是Windows在管理。但JIT则是它独有的，若是没有它，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程序以前，编译器将代码转换为IL。IL代码并不能直接运行，CLR将真正须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，执行全部须要的安全检查，并最终运行代码：

• CLR找到代码中拥有Main方法的类型而且加载这个类型。CLR中一个名为Class loader（类加载程序）的组件负责这项工做。它会从GAC、配置文件、程序集元数据中寻找这个类型，而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以后，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。固然，若是这个类型引用了其余的类型，则会致使一连串的程序集加载，这将定义程序代码执行的环境（相似Java的JVM）。注意即便工程很大，有几百个程序集，CLR不会所有加载，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），该验证程序的工做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，验证在运行时以前发生。对于动态类型，此时不作任何检查。
• 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代码编译为能够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）会为每一个方法插入一个存根。在调用方法时，CLR会检查方法的存根，若是存根为空，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，若是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，而非托管代码则不须要CLR的支持就能够运行。CLR自己用于管理托管代码，所以它是由非托管代码编写的，并非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，视安装的机器不一样有两个版本，一个是工做站版本的mscorwks.dll，一个是服务器版本的mscorsvr.dll。wks和svr分别表明workstation和server。

CLR via C#这本书选择经过C#做为视角，讨论CLR的各类功能。经过对这本书的阅读，你会对一些实际由CLR进行管理的行为例如垃圾回收，线程管理有更加深入的认识。

 

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乎。学了IL和没学，通常人看不出来区别，学了IL，也不意味着你就很厉害。我的认为，学IL惟一的用处就在于证实你看到的书上写的各类结论，或者验证一些性能方面的想法。你能够参看这篇文章：http://blog.zhaojie.me/2009/06/my-view-of-il-2-il-shows-little-about-clr.html

重要程度：3/10，常识性了解便可

须要理解的程度：知道IL是中间代码，知道JIT的优势（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）？如何得到IL代码？

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

当使用支持.NET的编译器编译以后，生成.dll或.exe文件。这文件称做.NET程序集，包含IL和元数据。不一样语言（例如C#和VB）通过不一样编译器（例如C#编译器和VB编译器），编译一段功能类似的代码（区别仅仅在于语法），其IL也基本类似。虽然IL相对C#较为底层，但它仍然是一个十分高级的语言。它并非汇编语言。

能够经过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的全部功能的一个子集，而IL容许开发人员访问CLR全部的功能。

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？还有什么其余编译方式？什么时候使用到JIT？

即时编译（英语：Just-in-time compilation）是动态编译的一种形式，是一种提升程序运行效率的方法。一般，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所有被翻译为机器码，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两者，一句句编译源代码，可是会将翻译过的代码缓存起来以下降性能损耗。相对于静态编译代码，即时编译的代码能够处理延迟绑定并加强安全性。

CLR的JIT负责将IL编译成机器码。 当程序编译成程序集以后，CLR加载任何须要用到的其余程序集，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。若是出现了问题，则触发运行时错误。之后对方法的全部调用都以本地代码的形式全速运行，无须从新检查。

 

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，优化以后的代码将得到更出色的性能。但过分的优化可能会出现问题，在CLR via C#的易失构造中，做者举了一个例子。

 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     }

View Code

若是使用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。使用调试器会形成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。若是是选择了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进行编译以后，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，而后以非调试模式运行（即Ctrl+F5），才能看到这个效果。问题发生的缘由是，x86的编译优化过分。它发现变量s_stopWorker要么为true要么为false。它还发现这个值在worker方法自己中历来没有变化。所以，编译器会生成代码检查s_stopWorker，若是s_stopWorker为true，就显示“Worker: stopped when x = 0”。若是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文件包含了能够令调试器在本地工做的信息。能够这么说：有了PDB文件，本地的debug才成为可能。若是你打算发布Release版本，则不须要该文件。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，那么你不须要把\bin\debug里面全部的文件都拷贝给别人，你只须要程序自己，必要的dll和config文件便可。