中繼資料和自我描述元件

發行項
04/23/2024

在過去，以一種語言撰寫的軟體元件 (.exe 或 .dll) 不容易使用以另一種語言所撰寫的軟體元件。 COM 對這個問題提供了進一步的解決方式。 .NET 允許編譯器發出額外的宣告資訊至所有模組與組件，使元件的互通性更為容易。這個資訊，稱為中繼資料 (Metadata)，能幫助元件順暢地互動。

中繼資料為二進位資訊，描述儲存在 Common Language Runtime 可移植執行檔 (PE) 或記憶體中的程式。當您編譯程式碼為可攜式執行檔時，中繼資料被插入至檔案的一個部分，而您的程式碼則轉換至通用中間語言 (CIL) 並插入至檔案的另一部分。模組或組件中所定義和參考的一切型別和成員都描述於中繼資料內。當執行程式碼時，Runtime 載入中繼資料至記憶體中，並參考它以探索您程式碼的類別、成員、繼承 (Inheritance) 等等的資訊。

中繼資料會描述您程式碼中以語言中性方式定義的每一個型別和成員。中繼資料儲存下列資訊：

組件的說明
- 識別 (名稱、版本、文化特性、公開金鑰)
- 匯出的型別
- 這個組件所依存的其他組件
- 執行所需要的安全性權限
型別的說明
- 名稱、可視性、基底類別和實作的介面
- 成員 (方法、欄位、屬性、事件、巢狀型別)
屬性。
- 修改型別和成員的額外描述項目

中繼資料的優點

中繼資料是較簡單的程式撰寫模型 (Programming Model) 的關鍵，排除對介面定義語言 (IDL) 檔案、標頭檔 (Header File) 或元件參考的任何外部方法的需要。中繼資料可讓 .NET 語言自動以語言中性方式描述自己，而不讓開發人員及使用者看見。此外，中繼資料透過屬性的使用會成為可擴充的。中繼資料提供下列主要好處：

自我描述檔案

Common Language Runtime 模組和組件為自我描述的。模組的中繼資料包含與另一個模組互動的一切所需。中繼資料自動提供 COM 中的 IDL 的功能，允許您將一個檔案當做定義及實作使用。 Runtime 模組和組件甚至不需要向作業系統註冊。結果，Runtime 使用的描述永遠反應您編譯檔案中的實際程式碼，這樣即增加了應用程式的可靠性。
語言互通性 (Interoperability) 和較容易的元件架構設計

中繼資料提供已編譯程式碼所需的全部資訊，讓您從不同語言撰寫的 PE 檔繼承類別。您可以為任何受控語言 (任何以執行階段為目標的語言) 所撰寫的任何類別建立執行個體，而不需擔心自訂互通性程式碼的明確封送處理或使用。
屬性。

.NET 允許您在已編譯的檔案宣告稱為屬性的特定種類中繼資料。屬性普遍存在於 .NET，並且被用來更仔細控制您程式在執行階段的行為。此外，您可以透過使用者定義的自訂屬性，發出您自己的自訂中繼資料至 .NET 檔案。如需詳細資訊，請參閱屬性。

中繼資料和 PE 檔結構

中繼資料是儲存在 .NET 可攜式執行檔 (PE) 的一個區段，而通用中間語言 (CIL) 則是儲存在可攜式執行檔的另一個區段。檔案的中繼資料部分包含一系列表格和堆積 (Heap) 資料結構。 CIL 部分包含參考可攜式執行檔中繼資料部分的 CIL 和中繼資料語彙基元 (Token)。當您使用 IL 反組譯工具 (Ildasm.exe) 等工具來檢視程式碼的 CIL 時，可能遇到中繼資料語彙基元。

中繼資料表和堆積

各個中繼資料表都儲存您程式項目的資訊。例如，某個中繼資料表描述您程式碼的類別，而另一個表格則描述欄位等等。如果您的程式碼中有十個類別，類別表格將會有十列，一列對應一個類別。中繼資料表會參考其他表格和堆積。例如，類別的中繼資料表會參考方法的表格。

中繼資料也將資訊儲存在四種堆積結構中：字串、BLOB (二進位大型物件)、使用者字串和 GUID。所有用於命名型別和成員的字串都儲存在字串堆積中。例如，方法表格不直接儲存特定方法的名稱，但指向儲存在字串堆積中的方法名稱。

中繼資料語彙基元

各個中繼資料表的每一列在可攜式執行檔的 CIL 部分由中繼資料語彙基元來唯一辨識。中繼資料語彙基元在概念上類似指標，它保存在 CIL 中，並參考特定中繼資料表。

中繼資料語彙基元為四位元組數字。第一個位元組代表特定語彙基元所參考的中繼資料表 (方法、型別等等)。剩餘三個位元組指定中繼資料表中的列，對應正在描述的程式設計項目。如果您以 C# 定義方法，並編譯它為可攜式執行檔，下列中繼資料語彙基元可能存在於 PE 檔的 CIL 部分：

0x06000004

第一個位元組 (0x06) 表示這是 MethodDef 語彙基元。下面的三個位元組 (000004) 會告知 Common Language Runtime 到 MethodDef 表格的第四列來尋找說明這個方法定義的資訊。

PE 檔內的中繼資料

當編譯 Common Language Runtime 的程式時，它被轉換至由三部分組成的 PE 檔。下表說明各部分的內容。

PE 區段	PE 區段的內容
PE 標頭	PE 檔主要區段的索引和進入點 (Entry Point) 的位址。執行階段會使用這個資訊辨識檔案為 PE 檔，並決定當載入程式至記憶體時，於何處開始執行。
CIL 指令	構成您程式碼的 Microsoft 中繼語言指令 (CIL)。許多 CIL 指令都有中繼資料語彙基元伴隨。
中繼資料	中繼資料表和堆積。執行階段會使用這個區段來記錄您程式碼中一切型別和成員的資訊。這個區段也包括自訂屬性和安全性資訊。

中繼資料的執行階段使用

若要更了解中繼資料和它在 Common Language Runtime 中的角色，建構簡單程式並說明中繼資料如何影響它的執行階段存留期，可能很有幫助。下列程式碼範例展示稱為 MyApp 的類別內的兩個方法。 Main 方法為程式進入點，而 Add 方法只是傳回兩個整數引數的總和。

Public Class MyApp
   Public Shared Sub Main()
      Dim ValueOne As Integer = 10
      Dim ValueTwo As Integer = 20
      Console.WriteLine("The Value is: {0}", Add(ValueOne, ValueTwo))
   End Sub

   Public Shared Function Add(One As Integer, Two As Integer) As Integer
      Return (One + Two)
   End Function
End Class

using System;
public class MyApp
{
   public static int Main()
   {
      int ValueOne = 10;
      int ValueTwo = 20;
      Console.WriteLine("The Value is: {0}", Add(ValueOne, ValueTwo));
      return 0;
   }
   public static int Add(int One, int Two)
   {
      return (One + Two);
   }
}

當執行程式碼時，Runtime 將模組載入記憶體，並查閱中繼資料以取得這個類別。一旦載入後，通用語言執行平台會對該方法的通用中間語言 (CIL) 資料流做一個廣泛的分析，以將它轉換為快速的原生機器指令。通用語言執行平台使用 Just-in-Time (JIT) 編譯器，按所需一次一個的方法轉換 CIL 指令至原生機器碼。

下列範例展示從前面程式碼的 Main 函式產生的部分 CIL。您可以使用 CIL 反組譯工具 (Ildasm.exe) 來檢視任何 .NET 應用程式的 CIL 與中繼資料。

.entrypoint
.maxstack  3
.locals ([0] int32 ValueOne,
         [1] int32 ValueTwo,
         [2] int32 V_2,
         [3] int32 V_3)
IL_0000:  ldc.i4.s   10
IL_0002:  stloc.0
IL_0003:  ldc.i4.s   20
IL_0005:  stloc.1
IL_0006:  ldstr      "The Value is: {0}"
IL_000b:  ldloc.0
IL_000c:  ldloc.1
IL_000d:  call int32 ConsoleApplication.MyApp::Add(int32,int32) /* 06000003 */

JIT 編譯器會讀取整個方法的 CIL、全面分析它，並產生那個方法的有效率的原生指令。在 IL_000d 上會遇到 Add 方法的中繼資料語彙基元 (/*06000003 */)，而執行階段即利用語彙基元查閱 MethodDef 表格的第三列。

下表顯示 MethodDef 表格中，由描述 Add 方法的中繼資料語彙基元所參考的部分。雖然尚有其他中繼資料表存在於這個組件中並擁有其唯一值，但只有這個表格在討論之列。

資料列	相關的虛擬位址 (RVA)	ImplFlags	旗標	名稱 (指向字串堆積)	簽章 (指向 BLOB 堆積)
1	0x00002050	伊利諾州受控	公開 ReuseSlot SpecialName RTSpecialName .ctor	.ctor (建構函式)
2	0x00002058	伊利諾州受控	公開 Static ReuseSlot	主要	String
3	0x0000208c	伊利諾州受控	公開 Static ReuseSlot	加	int, int, int

表格的每一欄包含您程式碼的重要資訊。 RVA 欄允許執行階段計算定義這個方法之 CIL 的起始記憶體位址。 ImplFlags 和 Flags 欄包含描述方法的位元遮罩 (例如，方法為 Public 或 Private)。 Name 欄對字串堆積中的方法名稱進行索引。 Signature 欄對 Blob 堆積中方法簽章的定義進行索引。

執行階段計算第三列中 RVA 欄的所需位移位址，並傳回這個位址到 JIT 編譯器，並接著進入新位址。 JIT 編譯器在新位址繼續處理 CIL 直到遭遇另一個中繼資料語彙基元，並重複這過程。

藉著使用中繼資料，Runtime 擁有對載入您程式碼所需全部資訊的存取權，並處理它成為原生機器指令。以這個方式，中繼資料允許自我描述檔案和連同一般型別系統的跨語言繼承。