(轉載)Metadata 是 .NET 平臺的核心靈魂

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

網友來信：李老師，您好！我參加過你去年到我們公司做的.NET深度培訓，也拜讀過你的譯作：《.NET框架程序設計（修訂版）》和 《Effective C#》，受益匪淺，非常佩服你這樣優秀的.NET技術專家。前幾天在博客園上的 C#大論戰 ，不知道您看過嗎？特別是其中一個網友 firelong 所寫的幾篇轟動的帖子，對.NET的性能提 出了許多批評。這個話題在我們項目組（大多數都參加過你去年的培訓）也引起了很多爭論，很想聽聽李老師對這些觀點的看法？……….

本來是以email的形式回復這位朋友的，但是寫著寫著發現寫得長了，最后考慮將其以博文的形式登出。

其實個人無意參與這樣的論戰，因為很多口水帖、情緒貼. 我簡單瀏覽了一下，發現論戰的各方（ firelong ， jeffreyzhao ，以及.NET社區眾網友），最后都情緒激動了，情緒激 動之下講的話大多都丟失了技術最扎實、最基本的原理。但是這些文章在口水之外，確實有一些深層次的技術問題暴露出來——有些甚至跨越.NET，而延伸到更 廣泛的領域。但是，它們卻被口水淹沒了，沒有好好深入討論下去，非常可惜。這便是我最后決定寫這篇文章的原因。我希望能夠對其中被忽視的一些技術問題，做 一些有意義的探討，與大家共享。

首先我想就 《C# 會重蹈覆轍嗎？系列之2：反射及元數據的性能問題》 一文中的主要技術點來談談。這篇文章主要觀點如下（并且給了相應的分析）：
1. 使用反射會有很高的性能成本
2. 即使不用反射，為支持反射而產生的metadata也有很高的性能成本

因此，作者才得出來在 《C 與C++社區混戰，C#會重蹈覆轍嗎？》 一文中“刪除反射”的結論。關于反射和metadata帶來的性能問題，我想沒有人會否認，只是其性能問 題到底有多糟？我后面有空的話也許會另文討論（firelong文章中有部分含糊其辭）。

本文中，我想討論的是 《C# 會重蹈覆轍嗎？系列之2：反射及元數據的性能問題》 一文的 整個推理過程中的一個基本論點： .NET 平臺中 metadata 的目的 是為了支持反射。

在這個論點的基礎上，文中才有“反射并不常用，為了支持反射所創建的metadata卻帶來很多性能問題。因此刪除反射，也就不需要創建 metadata，這樣.NET就不會為此再付出性能損失（就像C、C++那樣）”。

很不幸，這個基本論點是對.NET平臺的極大誤解。換言之，在.NET平臺中metadata的存在絕對不僅僅只是支持反射。實際上，支持反射只是 metadata一個很小的用武之地，metadata是整個.NET平臺非常核心的基礎支撐設施，它在.NET平臺中有著廣泛的應用，是.NET平臺的 靈魂。

為什么這么講？這要從.NET創建時的整個軟件時代背景來談起，我們才能深刻理解這一點。.NET創建之前，Windows平臺的軟件技術經歷了以 下幾個階段：DDE、OLE、ActiveX/COM。這些技術所努力解決的核心目標是： 軟件組件的復用性 —— 這是軟件開發的核心命題， 是軟件平臺廠商競逐的焦點。 “軟件組件的復用性”有以下幾個含義：

１. 強調二進制級的復用（黑盒復用），而不是源代碼級的復用（白盒復用）。
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要一個支持PDF閱讀的二進制組件—— 然后通過接口的方式來使用它。
２. 強調多語言創建的組件之間的復用，而不是單一語言創建的組件之間的復用。
例如：我在C++中寫一個Email收發組件，可以在VB中直接使用。

DDE、OLE、ActiveX/COM無一不是圍繞這個目標。COM是這些技術發展進程中的一個高峰。但是COM技術本身在發展過程中暴露出了很 多問題。Don Box在《Essential .NET》一書的第一章“The CLR as a Better COM”對COM的問題有非常深刻的解剖。

首先，要達致“組件復用”這一目標，必須有合同來規范組件與執行環境、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 們有幾個根深蒂固的缺點：

１. IDL/TLB規范的是物理語義（例如v-table偏移，棧幀，參數，數據結構，對齊等內存細節），且使用的是C++語言的一個子集約定。
２. IDL/TLB規范描述與組件代碼本身分離。
３. IDL/TLB規范較為混亂，沒有達成業界統一的標準（第三方難以擴展開發）

其中第３點問題是微軟對COM沒有前后一致的系統規劃導致——這一點如果假以時日是可以解決的。但是前面１、２點的問題是COM根深蒂固的問題，導 致了COM組件后期出現的各種難以解決的問題——不同語言實現面向COM的編譯很難，因為滿足了COM的復用模型，往往要打破該語言本身模型所約定的復 用。同時在一個語言中維護兩套編譯模型、和復用機制，步履維艱（在C++、VB、Delphi等語言中開發COM組件的痛苦相信很多人深有體會）。

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

１. Metadata描述的是邏輯結構，不涉及任何物理細節（例如v-table偏移，棧幀，參數，數據結構，對齊，方法地址等物理細節，直到在具體平臺上加 載、執行時，才被確定，比如IL代碼中經常看到的CALL指令后面的 MyClass:MyMethod就是邏輯上的元數據，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文件中（即程序集），包含了組件依賴，版本等信息
３. Metadata從一開始就經過系統、精心的設計，是CLI業界標準的一部分（便于第三方開發相關應用）

這些特點使得metadata非常適合作為.NET組件與執行環境（CLR）、組件與組件之間（不用語言開發的組件）理想的合同規范。特別是第１ 點，“Metadata虛擬的邏輯屬性”使得組件合同專注于“邏輯語義層面”，而非“物理實現細節”。簡單解釋一下：
１. 組件與組件的復用從此集中于“邏輯語義層面”，比如C1的方法M1中調用MyClass的方法MyMethod，用語義表達為：call MyClass:MyMethod。或者C1類繼承C2類：用語義表達為：class C1 extends C2。或者調用虛方法：callvirt MyClass:VirtualMethod….
２. 組件與組件的復用不再糾纏于“物理實現細節”，例如：調用某個方法，必須知道它的入口點地址如jmp 0×000688；繼承某個類，必須清楚它的字段layout等等，調用虛方法，必須清楚v-table偏移規定…..

那為什么“專注于邏輯語義層面的合同”要優于“專注于物理實現細節的合同”呢？

這就又要回到前面說的“軟件組件的復用性”這一目標上來。簡單來說，如果要實現“軟件組件的復用性（注意二進制、多語言兩個屬性）”，“專注于物理 實現細節”對于各個語言的編譯器廠商，要求太高了，各編譯器廠商要協調一個執行體各個方面的物理細節（v-table偏移，棧幀，參數，數據結構，對齊， 方法地址等等…..不一而足）——這么多細節的要求，使得大家極難協調——COM后期的弊端叢生就源于此。

而“專注于邏輯語義層面”來實現組件的復用性，各編譯器廠商生成的執行體（即.NET里面的程序集）只需要“用metadata表達邏輯語義上的復 用規范”即可——這對于各編譯器廠商需要協調的規范的量級大大減少，實現起來相對容易得多。也不容易在各種細節上出現漏洞——因為大量的物理細節全由 CLR執行時來確定。

綜上所述， metadata 的根本性的作用是支持 “ 基于邏輯語義的組件復用 ”—— 這是 .NET 致力于打造軟件開發平臺的核心目標。 支持反射僅僅是 metadata 一個很小的衍生功能，而非主要功能。

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

1. Metadata是JIT編譯、亦即實現.NET跨平臺的基礎
說明：IL代碼中大量引用著Metadata。在MethodDef元數據表里面存儲著一個方法的各種語義信息，許多IL指令就直接內嵌了 Metadata Tokens。沒有Metadata，JIT也無法實現。

2. Metadata是.NET支持垃圾收集GC的基礎
說明：metadata標記了對象與對象間的引用關系，這是GC遍歷對象圖（判斷對象是否可以收集）的關鍵依據。沒有metadata，GC將不知道 0×000688是一個指針（需要繼續遍歷）？還是一個整數（不需要繼續遍歷）？

3. Metadata是描述類型契約、標識、規范等的基本信息
說明：強命名程序集（使用metadata描述）唯一標識了編譯器當初編譯時的組件，不至于導致運行期仿冒、或者版本偷換（即DLL 地獄問題）

4. Metadata是.NET管理組件安全的基礎（運行時類型檢查，組件下載）
說明：metadata會告訴CLR執行環境一個組件的安全邊界，從而可以管理那些惡意代碼。

5. Metadata是.NET管理組件引用關系，加載的基礎
說明：metadata會告訴一個組件需要引用哪些組件（哪些版本）？這是組件加載的基礎。

從這里大家可以看出來，Metadata是.NET平臺實實在在的基石。Metadata之于.NET平臺，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平臺的整個設計基礎（組件復用，以及上述的其他種種功能）將不復存在。

最后，指出 《C# 會重蹈覆轍嗎？系列之2：反射及元數據的性能問題》 一文中的核心論據錯誤，并非為了追求駁倒firelong。建議 firelong，jeffreyzhao以及這場辯論的眾多技術領域的網友（不管是firelong，jeffreyzhao支持者還是反對者），拋掉 “非要辯個勝負，分個高低”的怪誕氛圍，而是來一些扎扎實實的技術說理過程，相信會更有意義——如是，則國內技術社區成長可待！

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Metadata是.NET平臺的核心靈魂--