CLR 主控環境
Microsoft .NET Framework Common Language Runtime (CLR) 是一個執行許多新式程式語言的環境，包括 Microsoft Visual C#、Microsoft Visual Basic 和 Microsoft Visual C++。CLR 具備記憶體回收的記憶體、先佔式執行緒、中繼資料服務 (類型反映)、程式碼可驗證性以及程式碼存取安全性。CLR 會使用中繼資料來找出並載入類別、配置記憶體中的執行個體、解析方法引動過程、產生機器碼、強制使用安全性，和設定執行階段內容界限。
CLR 與 SQL Server 的執行階段環境不同之處在於處理記憶體、執行緒與同步的方式。本主題描述整合這兩個執行階段的方式，讓所有系統資源都可以用統一的方式受到管理。本主題也包含整合 CLR 程式碼存取安全性 (CAS) 與 SQL Server 安全性的方式，以便提供可靠而安全的執行環境給使用者程式碼。
CLR 架構的基本概念
在 .NET Framework 中，程式設計人員會以高階語言撰寫，實作定義其結構 (例如，類別的欄位或屬性) 和方法的類別。這些方法中有部分可以是靜態函數。編譯程式會產生一個稱為組件的檔案，其中包含利用 Microsoft 中繼語言 (MSIL) 編譯的程式碼，以及包含相依組件所有參考的資訊清單。
[!附註]
組件是 CLR 架構中的重要元素。它們是 .NET Framework 中，應用程式程式碼之封裝、部署與版本控制的單位。您可以使用組件來部署資料庫內部的應用程式程式碼，並提供一個統一的方式來管理、備份與還原完整資料庫應用程式。
組件資訊清單包含組件的相關中繼資料，描述程式中定義的所有結構、欄位、屬性、類別、繼承關聯性、函數以及方法。資訊清單會建立組件識別、指定組成組件實作的檔案、指定組成組件的類型和資源、列舉對其他組件的編譯時間相依性，並且指定組件正確執行所需的權限集合。執行階段時會使用這個資訊來解析參考、強制執行版本繫結原則，以及驗證載入組件的完整性。
.NET Framework 支援註解類別、屬性 (Property)、函數和方法的自訂屬性 (Attribute)，以及應用程式可以在中繼資料中擷取的其他資訊。所有 .NET Framework 編譯器都可以在不解譯的情況下使用這些註解，並將其當做組件中繼資料儲存。這些註解可以使用與其他任何中繼資料相同的方式檢查。
Managed 程式碼是在 CLR 中以 MSIL 執行，而非直接由作業系統執行。Managed 程式碼應用程式會取得自動記憶體回收、執行階段類型檢查和安全性支援等 CLR 服務。這些服務會協助提供統一的 Managed 程式碼應用程式行為 (與平台和語言無關)。
CLR 整合的設計目標
當使用者程式碼在 SQL Server (稱為 CLR 整合) 之 CLR 主控環境內部執行時，適用下列設計目標：
可靠性 (安全性)
系統不允許使用者程式碼執行危害 Database Engine 程序完整性的作業，例如，彈出要求使用者回應或結束程序的訊息方塊。使用者程式碼應該無法覆寫 Database Engine 記憶體緩衝區或內部資料結構。
延展性
SQL Server 和 CLR 針對排程和記憶體管理，擁有不同的內部模型。SQL Server 會在執行緒主動產生定期執行的情況下，或它們要等待鎖定或 I/O 時，支援合作式、非先佔式執行緒模型。CLR 支援先佔式執行緒模型。如果在 SQL Server 內部執行的使用者程式碼可以直接呼叫作業系統執行緒原始物件，則它不會完整整合到 SQL Server 工作排程器，而且可能會降低系統的延展性。CLR 不會區別虛擬記憶體和實體記憶體，但是 SQL Server 會直接管理實體記憶體，而且需要在可設定的限制內使用實體記憶體。
用於執行緒、排序和記憶體管理的不同模型對於調整為支援數千個並行使用者工作階段的關聯式資料庫管理系統 (RDBMS) 會呈現整合性問題。此架構應該確認針對執行緒、記憶體和同步處理原始物件直接呼叫應用程式開發介面 (API) 的使用者程式碼不會危害系統的延展性。
安全性
存取資料表或資料行之類的資料庫物件時，在資料庫中執行的使用者程式碼必須遵循 SQL Server 驗證和授權規則。此外，資料庫管理員應該能夠從資料庫中執行的使用者程式碼控制作業系統資源的存取權，例如檔案和網路存取權。由於 Managed 程式語言 (不像 Transact-SQL 之類的非 Managed 語言) 提供 API 來存取這類資源，因此這變得相當重要。系統必須為使用者程式碼提供一個安全的方式來存取 Database Engine 處理序外部的電腦資源。如需詳細資訊，請參閱＜CLR 整合安全性＞。
效能
在 Database Engine 中執行的 Managed 使用者程式碼應該擁有可與在伺服器外部執行之相同程式碼相比的計算效能。從 Managed 使用者程式碼進行資料庫存取的速度不如原生 Transact-SQL 快。如需詳細資訊，請參閱＜CLR 整合的效能＞。
CLR 服務
CLR 提供數種服務協助達成 CLR 與 SQL Server 整合的設計目標。
類型安全性驗證
類型安全程式碼是只以妥善定義的方式存取記憶體結構的程式碼。例如，在有一個有效的物件參考上，類型安全程式碼可以存取和實際欄位成員對應的固定位移上的記憶體。然而，如果程式碼存取的記憶體，是位於該物件所屬記憶體範圍以內或以外的任意位移時，即不是類型安全。當組件載入 CLR 時，在要使用 Just-In-Time (JIT) 編譯來編譯的 MSIL 前，執行階段會執行一個檢查程式碼來判斷其類型安全性的驗證階段。成功通過此驗證的程式碼稱為可驗證類型安全 (verifiably type-safe) 的程式碼。
應用程式網域
CLR 支援應用程式網域的概念，做為主機處理序內的執行區域，其中可以載入與執行 Managed 程式碼組件。應用程式網域界限提供組件間的隔離。組件會透過靜態變數與資料成員的可見性，以及動態呼叫程式碼的能力隔離。應用程式網域也是載入和卸載程式碼的機制。程式碼只能透過卸載應用程式網域來從記憶體卸載。如需詳細資訊，請參閱＜應用程式網域和 CLR 整合安全性＞。
程式碼存取安全性 (CAS)
CLR 安全性系統提供一種方式來控制 Managed 程式碼可以透過指派權限給程式碼來執行的作業種類。程式碼存取權限是根據程式碼識別指派的 (例如，組件的簽章或程式碼的來源)。
CLR 會提供電腦管理員可以設定的電腦通用原則。此原則會針對在電腦上執行的任何 Managed 程式碼定義權限授權。此外，在 Managed 程式碼上有一個主機 (例如 SQL Server) 可以使用的主機層級安全性原則來指定額外的限制。
如果 .NET Framework 中的 Managed API 會公開受程式碼存取權限保護之資源的作業，則 API 將會在存取資源前要求權限。此要求會使 CLR 安全性系統在呼叫堆疊中觸發每個程式碼單位 (組件) 的完整檢查。只有在整個呼叫鏈結都有權限時，才會存取要授與的資源。
請注意，在 SQL Server 的 CLR 主控環境內部，不支援使用 Reflection.Emit API 動態產生 Managed 程式碼的功能。此種程式碼將沒有要執行的 CAS 權限，因此會在執行階段失敗。如需詳細資訊，請參閱＜CLR 整合程式碼存取安全性＞。
主機保護屬性 (HPA)
CLR 會提供一個機制來使用 CLR 主機可能需要的某些屬性，為屬於 .NET Framework 之一部分的 Managed API 加註。這類屬性的範例包括：
SharedState，它可指出 API 是否會公開建立或管理共用狀態 (如靜態類別欄位) 的功能。
Synchronization，它可指出 API 是否會公開執行執行緒之間之同步處理的功能。
ExternalProcessMgmt，它可指出 API 是否會公開控制主機處理序的方法。
當提供了這些屬性時，主機可以指定 HPA (如 SharedState 屬性) 的清單，在主控環境內應該不允許使用這些 HPA。在此情況下，CLR 會拒絕使用者程式碼嘗試呼叫 HPA 在禁止清單中加註的 API。如需詳細資訊，請參閱＜主機保護屬性和 CLR 整合程式設計＞。
SQL Server 和 CLR 如何一起運作
本節討論 SQL Server 如何整合 SQL Server 和 CLR 的執行緒、排程、同步處理以及記憶體管理模型。特別是，本節會按照延展性、可靠性以及安全性目標來檢查整合效果。當 CLR 裝載到 SQL Server 內部時，SQL Server 實質上會當做它的作業系統。CLR 會針對執行緒、排程、同步處理與記憶體管理，呼叫 SQL Server 所實作的低階常式。這些是其餘 SQL Server 引擎所使用的相同原始物件。此方法提供數個延展性、可靠性與安全性優勢。
延展性：一般執行緒、排程與同步處理
CLR 會呼叫 SQL Server API 來建立執行緒，以便同時用於執行中的使用者程式碼和自己的內部用途。若要在多個執行緒之間同步處理，CLR 會呼叫 SQL Server 同步處理物件。當執行緒正在等待同步處理物件時，這可讓 SQL Server 排程器來排程其他工作。例如，當 CLR 起始記憶體回收時，其所有執行緒都會等待記憶體回收完成。SQL Server 排程器知道它們所等待的 CLR 執行緒與同步處理物件，因此，SQL Server 可以排程正在執行與 CLR 無關之其他資料庫工作的執行緒。這也可以讓 SQL Server 偵測到包含 CLR 同步處理物件所採用之鎖定的死結，並採用傳統的技術來移除死結。
Managed 程式在 SQL Server 中會以先佔式執行。SQL Server 排程器可以偵測和停止需要大量時間產生的執行緒。能夠將 CLR 執行緒攔截到 SQL Server 執行緒意味著 SQL Server 排程器可以在 CLR 中識別「失控的」執行緒，並管理其優先順序。這種失控的執行緒會暫停，並放回到佇列中。系統不允許重複識別為失控執行緒的執行緒在給定的期間內執行，讓其他執行中的工作者得以執行。
[!附註]
存取資料或配置足夠記憶體來觸發記憶體回收之長時間執行的 Managed 程式碼將會自動產生。不會存取資料或配置足夠的 Managed 記憶體來觸發記憶體回收之長時間執行的 Managed 程式碼應該透過呼叫 .NET Framework 的 System.Thread.Sleep() 函數來明確地產生。
延展性：一般記憶體管理
CLR 會呼叫 SQL Server 原始物件來配置與取消配置其記憶體。在系統的記憶體總使用量中包含 CLR 所使用的記憶體，因此，SQL Server 可以維持在其設定的記憶體限制內，而且可以確保 CLR 和 SQL Server 不會爭用彼此的記憶體。當系統記憶體受到限制時，SQL Server 也可以拒絕 CLR 記憶體要求，而且在其他工作需要記憶體時，可以要求 CLR 減少其記憶體的使用量。
可靠性：應用程式網域和無法復原的例外狀況
當 .NET Framework API 中的 Managed 程式碼遇到嚴重的例外狀況 (例如，記憶體不足或堆疊溢位) 時，不一定能夠從這類的失敗復原，也不一定能夠確保其實作的一致且正確的語意。這些 API 會引發執行緒中止的例外狀況來回應這些失敗。
在 SQL Server 中主控時，此類執行緒中止的處理方式如下：CLR 會在執行緒中止發生所在的應用程式網域中偵測任何共用狀態。CLR 會透過檢查同步處理物件是否存在來進行。如果在應用程式網域中有共用狀態，則會卸載應用程式網域本身。卸載應用程式網域時，會停止目前正在該應用程式網域中執行的資料庫交易。因為共用狀態的存在可能會擴大此類嚴重例外狀況對於使用者工作階段的影響，而非觸發例外狀況的影響，因此，SQL Server 和 CLR 已經採取步驟來降低共用狀態的可能性。如需詳細資訊，請參閱 .NET Framework 文件集。
安全性：權限集合
SQL Server 可讓使用者針對資料庫中部署的程式碼指定可靠性和安全性需求。當組件上傳到資料庫中時，組件的作者可以為該組件指定以下三個使用權限集合當中的一個：SAFE、EXTERNAL_ACCESS 和 UNSAFE。
權限集合 |
SAFE |
EXTERNAL_ACCESS |
UNSAFE |
程式碼存取安全性 |
僅限 Execute |
對外部資源的 Execute + 存取權 |
不受限制 |
程式設計模型限制 |
是 |
是 |
無限制 |
可驗證性需求 |
是 |
是 |
否 |
呼叫機器碼的能力 |
否 |
否 |
是 |
SAFE 是最可靠及安全的模式，其包含了根據允許的程式設計模型的相關限制。SAFE 組件有被授與足夠的權限來執行、進行運算，以及存取本機資料庫。SAFE 組件需要是可驗證的類型安全，且不允許呼叫 Unmanaged 程式碼。
UNSAFE 適用於高度信任的程式碼，這類程式碼只能由資料庫管理員建立；此信任的程式碼沒有程式碼存取安全性的限制，且可以呼叫 Unmanaged 程式碼 (機器碼)。
EXTERNAL_ACCESS 提供了中級安全性選項，可讓程式碼存取在資料庫外部的資源，但是仍然保有 SAFE 的可靠性保證。
SQL Server 使用主機層級的 CAS 原則層來設定主機原則，以根據 SQL Server 目錄中所儲存的權限集合來授與三個權限集合當中的一個。在資料庫內執行的 Managed 程式碼一定會取得這些程式碼存取權限集合當中的一個。
程式設計模型限制
SQL Server 中 Managed 程式碼的程式設計模型包含撰寫函數、程序和類型，而這些項目通常不需要使用跨多個引動過程之間所保有的狀態或是共用跨多個使用者工作階段的狀態。再者，如之前所述，共用狀態的存在可能會造成嚴重的例外狀況，而這些例外狀況會影響應用程式的延展性和可靠性。
基於這些考量，我們不鼓勵使用 SQL Server 中所使用之類別的靜態變數和靜態資料成員。對於 SAFE 和 EXTERNAL_ACCESS 組件而言，SQL Server 會在 CREATE ASSEMBLY 時檢查組件的中繼資料；如果發現有使用靜態資料成員和變數，則會讓這類組件的建立作業失敗。
SQL Server 也不允許呼叫利用 SharedState、Synchronization 和 ExternalProcessMgmt 主機保護屬性加註的 .NET Framework API。這會讓 SAFE 和 EXTERNAL_ACCESS 組件無法呼叫可啟用共用狀態、執行同步處理，以及影響 SQL Server 處理序完整性的任何 API。如需詳細資訊，請參閱＜CLR 整合程式設計模型限制＞。