译者注

这是在Datadog公司任职的Kevin Gosse大佬使用C#编写.NET分析器的系列文章之一，在国内只有很少很少的人了解和研究.NET分析器，它常被用于APM（应用性能诊断）、IDE、诊断工具中，比如Datadog的APM，Visual Studio的分析器以及Rider和Reshaper等等。之前只能使用C++编写，自从.NET NativeAOT发布以后，使用C#编写变为可能.

笔者最近也在尝试开发一个运行时方法注入的工具，欢迎熟悉MSIL 、PE Metadata 布局、CLR 源码、CLR Profiler API的大佬，或者对这个感兴趣的朋友留联系方式或者在公众号留言，一起交流学习.

原作者：Kevin Gosse 。

原文链接： https://minidump.net/writing-a-net-profiler-in-c-part-3-7d2c59fc017f 。

项目链接： https://github.com/kevingosse/ManagedDotnetProfiler 。

使用C#编写.NET分析器-一： https://www.cnblogs.com/InCerry/p/writing-a-net-profiler-in-c-sharp-part-1.html 使用C#编写.NET分析器-二： https://www.cnblogs.com/InCerry/p/writing-a-net-profiler-in-c-sharp-part-2.html 。

正文

在第一部分中，我们了解了如何使用 NativeAOT 让我们用C#编写一个分析器，以及如何暴露一个伪造的 COM 对象来使用分析API。在第二部分中，我们改进了解决方案，使用实例方法替代静态方法。现在我们知道了如何与分析API进行交互，我们将编写一个源代码生成器，自动生成实现 ICorProfilerCallback 接口中声明的70多个方法所需的样板代码.

首先，我们需要手动将 ICorProfilerCallback 接口转换为C#。从技术上讲，本可以从C++头文件中自动生成这些代码，但是相同的C++代码在C#中可以用不同的方式翻译，因此了解函数的目的以正确语义进行转换十分重要.

以 JITInlining 函数为实际例子。在C++中的原型是:

                        
                          HRESULT JITInlining(FunctionID callerId, FunctionID calleeId, BOOL *pfShouldInline);

                        
                      

一个简单的C#版本转换可能是:

                        
                          HResult JITInlining(FunctionId callerId, FunctionId calleeId, in bool pfShouldInline);

                        
                      

但是，如果我们查看函数的文档，我们可以了解到pfShouldInline是一个应由函数自身设置的值。所以我们应该使用out关键字:

                        
                          Result JITInlining(FunctionId callerId, FunctionId calleeId, out bool pfShouldInline);

                        
                      

在其他情况下，我们会根据意图使用in或ref关键字。这就是为什么我们无法完全自动化这个过程.

在将接口转换为C#之后，我们可以继续创建源代码生成器。请注意，我并不打算编写一个最先进的源代码生成器，主要原因是API非常复杂（是的，这话来自于一个教你如何用C#编写分析器的人），你可以查看Andrew Lock的精彩文章来了解如何编写高级源代码生成器.

编写源代码生成器

要创建源代码生成器，我们在解决方案中添加一个针对 netstandard2.0 的类库项目，并添加对 Microsoft.CodeAnalysis.CSharp 和 Microsoft.CodeAnalysis.Analyzers 的引用:

                        
                          <Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <TargetFramework>netstandard2.0</TargetFramework>
    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
    <LangVersion>latest</LangVersion>
    <IsRoslynComponent>true</IsRoslynComponent>
  </PropertyGroup>

  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.CSharp" Version="4.0.1" PrivateAssets="all" />
    <PackageReference Include="Microsoft.CodeAnalysis.Analyzers" Version="3.3.3">
      <PrivateAssets>all</PrivateAssets>
      <IncludeAssets>runtime; build; native; contentfiles; analyzers; buildtransitive</IncludeAssets>
    </PackageReference>
  </ItemGroup>

</Project>

                        
                      

接下来，我们添加一个实现 ISourceGenerator 接口的类，并用 [Generator] 属性进行修饰:

                        
                          [Generator]
public class NativeObjectGenerator : ISourceGenerator
{
    public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
    {
    }

    public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
    {
    }
}

                        
                      

我们要做的第一件事是生成一个 [NativeObject] 属性。我们将用它来修饰我们想要在源代码生成器上运行的接口。我们使用 RegisterForPostInitialization 在管道早期运行这段代码:

                        
                          [Generator]
public class NativeObjectGenerator : ISourceGenerator
{
    public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
    {
        context.RegisterForPostInitialization(EmitAttribute);

    }

    public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
    {
    }

    private void EmitAttribute(GeneratorPostInitializationContext context)
    {
        context.AddSource("NativeObjectAttribute.g.cs", """
    using System;

    [AttributeUsage(AttributeTargets.Interface, Inherited = false, AllowMultiple = false)]
    internal class NativeObjectAttribute : Attribute { }
    """);
    }
}

                        
                      

现在我们需要注册一个 ISyntaxContextReceiver 来检查类型并检测哪些类型被我们的 [NativeObject] 属性修饰.

                        
                          public class SyntaxReceiver : ISyntaxContextReceiver
{
    public List<INamedTypeSymbol> Interfaces { get; } = new();

    public void OnVisitSyntaxNode(GeneratorSyntaxContext context)
    {
        if (context.Node is InterfaceDeclarationSyntax classDeclarationSyntax
            && classDeclarationSyntax.AttributeLists.Count > 0)
        {
            var symbol = (INamedTypeSymbol)context.SemanticModel.GetDeclaredSymbol(classDeclarationSyntax);

            if (symbol.GetAttributes().Any(a => a.AttributeClass.ToDisplayString() == "NativeObjectAttribute"))
            {
                Interfaces.Add(symbol);
            }
        }
    }
}

                        
                      

基本上，语法接收器将被用于访问语法树中的每个节点。我们检查该节点是否是一个接口声明，如果是，我们检查属性以查找 NativeObjectAttribute 。可能有很多事情都可以改进，特别是确认它是否是我们的 NativeObjectAttribute ，但我们认为对于我们的目的来说这已经足够好了.

在源代码生成器初始化期间，需要注册语法接收器:

                        
                              public void Initialize(GeneratorInitializationContext context)
    {
        context.RegisterForPostInitialization(EmitAttribute);
        context.RegisterForSyntaxNotifications(() => new SyntaxReceiver());
    }

                        
                      

最后，在 Execute 方法中，我们获取存储在语法接收器中的接口列表，并为其生成代码:

                        
                          public void Execute(GeneratorExecutionContext context)
    {
        if (!(context.SyntaxContextReceiver is SyntaxReceiver receiver))
        {
            return;
        }

        foreach (var symbol in receiver.Interfaces)
        {
            EmitStubForInterface(context, symbol);
        }
    }

                        
                      

生成Native包装器

对于EmitStubForInterface方法，我们可以使用模板引擎，但是我们将依赖于一个经典的StringBuilder和Replace调用.

首先，我们创建我们的模板

                        
                          var sourceBuilder = new StringBuilder("""
    using System;
    using System.Runtime.InteropServices;

    namespace NativeObjects
    {
        {visibility} unsafe class {typeName} : IDisposable
        {
            private {typeName}({interfaceName} implementation)
            {
                const int delegateCount = {delegateCount};

                var obj = (IntPtr*)NativeMemory.Alloc((nuint)2 + delegateCount, (nuint)IntPtr.Size);
    
                var vtable = obj + 2;

                *obj = (IntPtr)vtable;
    
                var handle = GCHandle.Alloc(implementation);
                *(obj + 1) = GCHandle.ToIntPtr(handle);

    {functionPointers}

                Object = (IntPtr)obj;
            }

            public IntPtr Object { get; private set; }

            public static {typeName} Wrap({interfaceName} implementation) => new(implementation);

            public static implicit operator IntPtr({typeName} stub) => stub.Object;

            ~{typeName}()
            {
                Dispose();
            }

            public void Dispose()
            {
                if (Object != IntPtr.Zero)
                {
                    NativeMemory.Free((void*)Object);
                    Object = IntPtr.Zero;
                }

                GC.SuppressFinalize(this);
            }

            private static class Exports
            {
    {exports}
            }
        }
    }
    """);

                        
                      

如果你对某些部分不理解，请记得查看前一篇文章。这里唯一的新内容是析构函数和 Dispose 方法，我们在其中调用 NativeMemory.Free 来释放为该对象分配的内存。接下来，我们需要填充所有的模板部分： {visibility} 、 {typeName} 、 {interfaceName} 、 {delegateCount} 、 {functionPointers} 和 {exports} .

首先是简单的部分:

                        
                          var interfaceName = symbol.ToString();  
var typeName = $"{symbol.Name}";  
var visibility = symbol.DeclaredAccessibility.ToString().ToLower();  
  
// To be filled later  
int delegateCount = 0;  
var exports = new StringBuilder();  
var functionPointers = new StringBuilder();

                        
                      

对于一个接口 MyProfiler.ICorProfilerCallback ，我们将生成一个类型为 NativeObjects.ICorProfilerCallback 的包装器。这就是为什么我们将完全限定名存储在 interfaceName (= MyProfiler.ICorProfilerCallback )中，而仅将类型名存储在 typeName (= ICorProfilerCallback )中.

接下来我们想要生成导出列表及其函数指针。我希望源代码生成器支持继承，以避免代码重复，因为 ICorProfilerCallback13 实现了 ICorProfilerCallback12 ，而 ICorProfilerCallback12 本身又实现了 ICorProfilerCallback11 ，依此类推。因此我们提取目标接口继承自的接口列表，并为它们中的每一个提取方法:

                        
                          var interfaceList = symbol.AllInterfaces.ToList();
        interfaceList.Reverse();
        interfaceList.Add(symbol);

        foreach (var @interface in interfaceList)
        {
            foreach (var member in @interface.GetMembers())
            {
                if (member is not IMethodSymbol method)
                {
                    continue;
                }

                // TODO: Inspect the method
            }
        }

                        
                      

对于一个 QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr) 方法，我们将生成的导出看起来像这样:

                        
                          [UnmanagedCallersOnly]
public static int QueryInterface(IntPtr* self, Guid* __arg1, IntPtr* __arg2)
{
    var handleAddress = *(self + 1);
    var handle = GCHandle.FromIntPtr(handleAddress);
    var obj = (IUnknown)handle.Target;

    var result = obj.QueryInterface(*__arg1, out var __local2);

    *__arg2 = __local2;

    return result;
}

                        
                      

由于这些方法是实例方法，我们添加了 IntPtr* self 参数。另外，如果托管接口中的函数带有 in/out/ref 关键字修饰，我们将参数声明为指针类型，因为 UnmanagedCallersOnly 方法不支持 in/out/ref .

生成导出所需的代码为:

                        
                          var parameterList = new StringBuilder();

parameterList.Append("IntPtr* self");

foreach (var parameter in method.Parameters)
{
    var isPointer = parameter.RefKind == RefKind.None ? "" : "*";
    parameterList.Append($", {parameter.Type}{isPointer} __arg{parameter.Ordinal}");
}

exports.AppendLine($"            [UnmanagedCallersOnly]");
exports.AppendLine($"            public static {method.ReturnType} {method.Name}({parameterList})");
exports.AppendLine($"            {{");
exports.AppendLine($"                var handle = GCHandle.FromIntPtr(*(self + 1));");
exports.AppendLine($"                var obj = ({interfaceName})handle.Target;");
exports.Append($"                ");

if (!method.ReturnsVoid)
{
    exports.Append("var result = ");
}

exports.Append($"obj.{method.Name}(");

for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
    if (i > 0)
    {
        exports.Append(", ");
    }

    if (method.Parameters[i].RefKind == RefKind.In)
    {
        exports.Append($"*__arg{i}");
    }
    else if (method.Parameters[i].RefKind is RefKind.Out)
    {
        exports.Append($"out var __local{i}");
    }
    else
    {
        exports.Append($"__arg{i}");
    }
}

exports.AppendLine(");");

for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
    if (method.Parameters[i].RefKind is RefKind.Out)
    {
        exports.AppendLine($"                *__arg{i} = __local{i};");
    }
}

if (!method.ReturnsVoid)
{
    exports.AppendLine($"                return result;");
}

exports.AppendLine($"            }}");

exports.AppendLine();
exports.AppendLine();

                        
                      

对于函数指针，给定与前面相同的方法，我们希望建立:

                        
                          *(vtable + 1) = (IntPtr)(delegate* unmanaged<IntPtr*, Guid*, IntPtr*>)&Exports.QueryInterface;

                        
                      

生成代码如下:

                        
                          var sourceArgsList = new StringBuilder();
sourceArgsList.Append("IntPtr _");

for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
    sourceArgsList.Append($", {method.Parameters[i].OriginalDefinition} a{i}");
}

functionPointers.Append($"            *(vtable + {delegateCount}) = (IntPtr)(delegate* unmanaged<IntPtr*");

for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
    functionPointers.Append($", {method.Parameters[i].Type}");

    if (method.Parameters[i].RefKind != RefKind.None)
    {
        functionPointers.Append("*");
    }
}

if (method.ReturnsVoid)
{
    functionPointers.Append(", void");
}
else
{
    functionPointers.Append($", {method.ReturnType}");
}

functionPointers.AppendLine($">)&Exports.{method.Name};");

delegateCount++;

                        
                      

我们在接口的每个方法都完成了这个操作后，我们只需替换模板中的值并添加生成的源文件:

                        
                          sourceBuilder.Replace("{typeName}", typeName);  
sourceBuilder.Replace("{visibility}", visibility);  
sourceBuilder.Replace("{exports}", exports.ToString());  
sourceBuilder.Replace("{interfaceName}", interfaceName);  
sourceBuilder.Replace("{delegateCount}", delegateCount.ToString());  
sourceBuilder.Replace("{functionPointers}", functionPointers.ToString());  
  
context.AddSource($"{symbol.ContainingNamespace?.Name ?? "_"}.{symbol.Name}.g.cs", sourceBuilder.ToString());

                        
                      

就这样，我们的源代码生成器现在准备好了.

使用生成的代码

要使用我们的源代码生成器，我们可以声明 IUnknown 、 IClassFactory 和 ICorProfilerCallback 接口，并用 [NativeObject] 属性修饰它们:

                        
                          [NativeObject]
public interface IUnknown
{
    HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr);
    int AddRef();
    int Release();
}

                        
                      

                        
                          [NativeObject]
internal interface IClassFactory : IUnknown
{
    HResult CreateInstance(IntPtr outer, in Guid guid, out IntPtr instance);
    HResult LockServer(bool @lock);
}

                        
                      

                        
                          [NativeObject]
public unsafe interface ICorProfilerCallback : IUnknown
{
    HResult Initialize(IntPtr pICorProfilerInfoUnk);

    // 70+ 多个方法，在这里省略
}

                        
                      

然后我们实现 IClassFactory 并调用 NativeObjects.IClassFactory.Wrap 来创建本机包装器并暴露我们的 ICorProfilerCallback 实例:

                        
                          public unsafe class ClassFactory : IClassFactory
{
    private NativeObjects.IClassFactory _classFactory;
    private CorProfilerCallback2 _corProfilerCallback;

    public ClassFactory()
    {
        _classFactory = NativeObjects.IClassFactory.Wrap(this);
    }

    // The native wrapper has an implicit cast operator to IntPtr
    public IntPtr Object => _classFactory;

    public HResult CreateInstance(IntPtr outer, in Guid guid, out IntPtr instance)
    {
        Console.WriteLine("[Profiler] ClassFactory - CreateInstance");

        _corProfilerCallback = new();
        
        instance = _corProfilerCallback.Object;
        return HResult.S_OK;
    }

    public HResult LockServer(bool @lock)
    {
        return default;
    }

    public HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr)
    {
        Console.WriteLine("[Profiler] ClassFactory - QueryInterface - " + guid);

        if (guid == KnownGuids.ClassFactoryGuid)
        {
            ptr = Object;
            return HResult.S_OK;
        }

        ptr = IntPtr.Zero;
        return HResult.E_NOTIMPL;
    }

    public int AddRef()
    {
        return 1; // TODO: 做实际的引用计数
    }

    public int Release()
    {
        return 0; // TODO: 做实际的引用计数
    }
}

                        
                      

并在 DllGetClassObject 中暴露它:

                        
                          public class DllMain
{
    private static ClassFactory Instance;

    [UnmanagedCallersOnly(EntryPoint = "DllGetClassObject")]
    public static unsafe int DllGetClassObject(void* rclsid, void* riid, nint* ppv)
    {
        Console.WriteLine("[Profiler] DllGetClassObject");

        Instance = new ClassFactory();
        *ppv = Instance.Object;

        return 0;
    }
}

                        
                      

最后，我们可以实现 ICorProfilerCallback 的实例:

                        
                          public unsafe class CorProfilerCallback2 : ICorProfilerCallback2
{
    private static readonly Guid ICorProfilerCallback2Guid = Guid.Parse("8a8cc829-ccf2-49fe-bbae-0f022228071a");

    private readonly NativeObjects.ICorProfilerCallback2 _corProfilerCallback2;

    public CorProfilerCallback2()
    {
        _corProfilerCallback2 = NativeObjects.ICorProfilerCallback2.Wrap(this);
    }

    public IntPtr Object => _corProfilerCallback2;

    public HResult Initialize(IntPtr pICorProfilerInfoUnk)
    {
        Console.WriteLine("[Profiler] ICorProfilerCallback2 - Initialize");

        // TODO: To be implemented in next article

        return HResult.S_OK;
    }

    public HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr)
    {
        if (guid == ICorProfilerCallback2Guid)
        {
            Console.WriteLine("[Profiler] ICorProfilerCallback2 - QueryInterface");

            ptr = Object;
            return HResult.S_OK;
        }

        ptr = IntPtr.Zero;
        return HResult.E_NOTIMPL;
    }

    // Stripped for brevity: the default implementation of all 70+ methods of the interface
    // Automatically generated by the IDE
}

                        
                      

如果我们使用一个测试应用程序运行它，我们会发现这些功能能按预期工作:

                        
                          [Profiler] DllGetClassObject  
[Profiler] ClassFactory - CreateInstance  
[Profiler] ICorProfilerCallback2 - QueryInterface  
[Profiler] ICorProfilerCallback2 - Initialize  
Hello, World!

                        
                      

在下一步中，我们将处理拼图的最后一个缺失部分：实现ICorProfilerCallback.Initialize方法并获取ICorProfilerInfo的实例。这样我们就拥有了与性能分析器API实际交互所需的一切.

.NET性能优化交流群

相信大家在开发中经常会遇到一些性能问题，苦于没有有效的工具去发现性能瓶颈，或者是发现瓶颈以后不知道该如何优化。之前一直有读者朋友询问有没有技术交流群，但是由于各种原因一直都没创建，现在很高兴的在这里宣布，我创建了一个专门交流.NET性能优化经验的群组，主题包括但不限于:

• 如何找到.NET性能瓶颈，如使用APM、dotnet tools等工具 。

• .NET框架底层原理的实现，如垃圾回收器、JIT等等 。

• 如何编写高性能的.NET代码，哪些地方存在性能陷阱 。

希望能有更多志同道合朋友加入，分享一些工作中遇到的.NET性能问题和宝贵的性能分析优化经验。 目前一群已满，现在开放二群.

如果提示已经达到200人，可以加我微信，我拉你进群: lishi-wk 。

另外也创建了 QQ群 ，群号: 687779078，欢迎大家加入.

抽奖送书活动预热！！！

感谢大家对我公众号的支持与陪伴！为庆祝公众号一周年，抽奖送出一些书籍，请大家关注公众号后续推文！ 。

最后此篇关于使用C#编写.NET分析器（三）的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于使用C#编写.NET分析器（三）的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章，希望大家以后支持我的博客！ 。