.NET 10 进展之 CoreCLR Interpreter

我们从前一阵子 Maui 几个被离职的Mono 工具链相关的微软员工来说起，通过现象看本质，这意味着.NET 10 将完成对Mono的完全替代。.NET 10 特性中有一个 @dotnet/runtime/issues/112158 CoreCLR Interpreter, 将 Mono 的解释器（interpreter）移植到 CoreCLR 的工作进展和目标。Mono 是 .NET 项目的一个实现，历史上以其解释器模式和嵌入式支持而闻名。将其解释器移植到 CoreCLR 的目标是为 CoreCLR 提供完整的解释器支持，包括运行测试套件和支持无 JIT/AOT（Just-In-Time 编译/提前编译）模式的全解释器模式。

我们来综合回顾一下Mono Interpreter，结合其历史背景、工作原理、应用场景：

一、Mono 解释器的历史与演进

1. 起源与早期阶段：Mono 项目始于 2001 年，最初为实现跨平台 .NET 环境，开发团队为 .NET 指令集编写了一个解释器（mint），用于在 Linux 上引导自托管的 .NET 开发环境。此时解释器被视为构建 JIT 编译器的临时工具。随着泛型功能的加入，同时维护解释器和 JIT 引擎的成本剧增，最终解释器被移除。
2. 重新引入与现代化：2017 年，Mono 团队重新引入解释器，并升级其对 .NET 的支持，包括泛型和最新 .NET 版本。这一版本的解释器通过混合模式执行（结合静态编译和解释执行）解决了全静态编译（AOT）的局限性。

二、Mono 解释器的工作原理

1. 核心机制
   • 解释执行 CIL 代码：Mono 解释器直接解释 .NET 中间语言（CIL），无需预编译或即时编译（JIT），逐行解析并执行代码。
   • 混合模式执行：允许解释代码与静态编译（AOT）或 JIT 编译的代码协同工作。例如，核心库可静态编译优化，动态代码则通过解释器执行。
2. 动态能力增强
   • 支持反射与动态代码生成：通过解释器实现 System.Reflection.Emit，使得在静态编译环境中也能动态生成代码（如 Entity Framework 的表达式树解析）。
   • 轻量级执行：解释器对性能不敏感的代码（如静态构造函数）执行效率更高，减少内存占用和代码生成开销。

三、应用场景与优势

1. 跨平台与受限环境
   • iOS、游戏主机等平台：这些平台禁止动态代码生成（如 JIT），解释器通过混合模式支持动态加载代码，无需重新编译整个应用。
   • WebAssembly 支持：解释器是 Mono 在 WebAssembly 上运行的两种方式之一（另一种为 LLVM 静态编译）。
2. 开发效率提升
   • 热加载与快速迭代：游戏开发者可实时调整代码逻辑，无需触发全量编译，显著缩短调试周期。
   • 教学与原型设计：解释器支持动态执行，适合快速验证算法或教学演示。
3. 兼容性与扩展性
   • 脚本语言支持：IronPython、IronRuby 等脚本语言可在静态编译环境中运行，扩展 .NET 的脚本化能力

四、与其他执行模式的对比

五、CoreCLR Interpreter 与 Mono Interpreter

Mono Interpreter 通过灵活的执行模式弥补了 JIT 和 AOT 的不足，特别适用于动态代码需求强烈的场景（如游戏开发、教学工具）。其混合模式执行和跨平台能力使其成为 .NET 生态中不可或缺的组件。在.NET的统一运行时计划旨在合并不同运行时（比如Mono和CoreCLR），以提供更一致的开发体验和更高效的运行时性能。CoreCLR Interpreter是基于Mono Interpreter的实现，为了在CoreCLR中提供支持解释执行的能力。其目标包括：

• 在不使用JIT或AOT的情况下运行代码。
• 支持动态场景，例如运行时生成的代码。
• 提供跨平台支持，包括桌面和嵌入式平台。

CoreCLR Interpreter 与Mono Interpreter的区别 1. 架构差异： ◦ Mono Interpreter是为嵌入式设备和低资源环境设计的，强调轻量级和灵活性。 ◦ CoreCLR Interpreter更关注与CoreCLR其他组件（如GC和JIT编译器）的集成。 2. 功能覆盖： ◦ CoreCLR Interpreter已经移植了Mono Interpreter的大部分功能，并针对CoreCLR进行了优化。 ◦ Mono特有的一些功能（如特定平台优化）可能未完全移植。 3. 性能改进： ◦ CoreCLR Interpreter专注于与CoreCLR的深度集成，在性能上可能优于Mono Interpreter。

六、CoreCLR Interpreter 最新进展

虽然CoreCLR Interpreter在目标和功能上已经能够替代Mono Interpreter，但在某些特定场景下，Mono Interpreter可能仍然使用（例如，为了支持遗留的Mono项目或特定的嵌入式环境）。CoreCLR Interpreter在功能和性能上已经覆盖了Mono Interpreter的绝大部分使用场景，但在某些遗留或特定需求下，Mono Interpreter可能仍然有其作用。

CoreCLR Interpreter的进展与任务拆解

@dotnet/runtime/issues/112158 CoreCLR Interpreter 任务被分成多个阶段（M1-M6），每个阶段完成了一系列具体的功能，以下是对关键任务的拆解和分析：

M1：基础功能

• 完成情况： 基础解释器编译和简单方法执行已经实现。
• 关键功能：
  • 解释器集成（Interp wire-in）。
  • 在 libcoreclr 中实现解释器执行器。
  • 基础的解释器运行时测试。
• 意义： 奠定了解释器框架的基础，使开发者能够在 CoreCLR 上运行基本的解释器代码。

M2：对象操作的压力测试

• 已完成的功能：
  • 常量加载和算术操作。
  • 局部变量和参数加载。
  • 静态方法调用、变量偏移量分配器和分支操作码。
  • newobj 创建、字段访问、间接加载/存储操作码。
  • 精确 GC 扫描和 safepoint。
  • 值类型（ValueType）支持，包括字段、构造函数及局部变量支持。
• 待完成：
  • 基础泛型支持。
• 意义： 确保了解释器可以处理复杂的对象操作和垃圾回收场景。

M3：异常处理和解释器调用

• 已完成的功能：
  • 支持虚方法和接口方法调用。
  • 可直接调用非解释器代码。
• 待完成：
  • 异常路径支持（try/finally/leave）。
  • 异常抛出和恢复至正确处理程序。
  • 从异常处理（EH）中调用finally和filter子句。
  • 空检查和算术溢出操作码。
• 意义： 使解释器能够处理异常和调用场景，这对于运行复杂测试套件至关重要。

M4：与编译代码混合

• 待完成的功能：
  • 区分解释器/JIT/R2R（Ready-to-Run）代码以便于测试。
  • 支持 calli 和 ldftn，目标方法可能是解释器或 JIT。
  • 委托创建和调用，包括混合解释器和 JIT 的场景。
• 意义： 支持解释器代码与 JIT 编译代码之间的无缝协作。

M5：P/Invoke 支持和完整解释器支持

• 待完成的功能：
  • 实现 P/Invoke 支持和反向 P/Invoke 支持。
  • 支持 Console.WriteLine("Hello World") 在全解释器模式中运行。
• 意义： 通过支持 P/Invoke 以及其他系统调用，进一步增强解释器的功能，使其能够运行更复杂的程序。

M6：CoreCLR 启动所需的 IL 操作码

• 已完成的功能：
  • ldtoken、box/unbox、sizeof、ldobj/stobj、localloc。
• 待完成的功能：
  • 数组操作（ldlen、newarr、stelem 等）。
  • 类型转换（isinst、castclass）。
  • 其他操作码（如 cpblk、initblk、tailcall 等）。
• 意义： 支持 CoreCLR 启动所需的关键 IL 操作码，最终目标是通过解释器运行完整的 .NET 程序。

Nice-to-Have 改进

虽然不在当前项目范围内，但一些改进建议可以提升解释器性能和可维护性，例如：

• 移除 StackType 使用，仅依赖 InterpType。
• 优化重导入逻辑，使用类似于 RyuJIT 的图结构方法。

七、CoreCLR Interpreter 与 NativeAOT 协作

CoreCLR Interpreter 和 NativeAOT 的目标场景有所区别，但在以下场景中存在潜在的协作可能性：

1. 调试与诊断：在 NativeAOT 环境中，可以使用解释器模式调试代码，无需重新生成本机代码。
2. 功能补充：NativeAOT 本质上是静态编译模式，而解释器模式可以作为动态场景下的补充，处理无法静态编译的动态代码。
3. 混合运行：如果 CoreCLR Interpreter 和 NativeAOT 都支持调用边界的混合运行，则可以结合两者的优点，在性能和灵活性之间找到平衡。

总结 .NET统一运行时从Mono到CoreCLR的迁移是一个渐进过程，目标是通过整合运行时技术（如AOT和解释器）来提升性能和一致性。CoreCLR Interpreter 的开发是 .NET 平台的重要里程碑，旨在通过完整的解释器支持扩展 CoreCLR 的应用场景，包括资源受限的环境和动态代码运行需求。