使用C#编写.NET分析器（完结）

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
使用C#编写.NET分析器-三：https://www.cnblogs.com/InCerry/p/writing-a-net-profiler-in-c-sharp-part-3.html

正文

在第1部分，我们了解了如何使用NativeAOT让我们用C#编写性能分析器，以及如何暴露一个虚假的COM对象来使用性能分析API。在第2部分，我们完善了方案以使用实例方法而不是静态方法。在第3部分，我们使用源生成器自动化了流程。目前，我们具有暴露ICorProfilerCallback实例所需的一切。然而，为了编写性能分析器，我们还需要能够调用ICorProfilerInfo的方法，这将是本部分的主题。

提醒一下，我们最后得到了以下实现的ICorProfilerCallback:

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

        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;
    }

    // 为了简洁起见，这里省略了接口中所有70多个方法的默认实现。
}

当调用Initialize时，我们会收到一个IUnknown的实例。我们需要在其上调用QueryInterface以检索到ICorProfilerInfo的实例。

要将对象暴露给本机代码，我们已经看到如何创建一个虚假的vtable。要使用本地对象，正好相反：我们需要读取它们的vtable以获得方法的地址，然后调用它们。

让我们编写一个包装器，用于从IUnknown的实例中调用方法。因为虚拟对象将其vtable的地址存储为第一个字段，我们只需要读取对象位置处的一个指针即可获得该vtable。我们将这个逻辑提取到我们的包装器的一个属性中，以方便使用：

public unsafe struct Unknown
{
    private readonly IntPtr _self;

    public Unknown(IntPtr self)
    {
        _self = self;
    }

    private IntPtr* VTable => (IntPtr*)*(IntPtr*)_self;

    // TODO: 实现 QueryInterface/AddRef/Release
}

注意，我们将该包装器声明为结构(struct)，因为它不需要任何状态。最后，这只是一个带有一些嵌入式逻辑的精美指针。

要调用这些方法，我们从vtable的相应槽中检索它们的地址，然后将它们转换为函数指针。然后我们只需要调用它们，确保将对象的地址作为第一个参数传递，因为它们是实例方法：

public HResult QueryInterface(in Guid guid, out IntPtr ptr)
{
    var func = (delegate* unmanaged<IntPtr, in Guid, out IntPtr, HResult>)(*VTable);

    return func(_self, in guid, out ptr);
}

public int AddRef()
{
    var func = (delegate* unmanaged<IntPtr, int>)(*(VTable + 1));

    return func(_self);
}

public int Release()
{
    var func = (delegate* unmanaged<IntPtr, int>)(*(VTable + 2));

    return func(_self);
}

我们的包装器可以直接在ICorProfilerCallback.Initialize中使用，以检索ICorProfilerInfo的实例：

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

    var iCorProfilerInfo3Guid = Guid.Parse("B555ED4F-452A-4E54-8B39-B5360BAD32A0");

    var unknown = new Unknown(pICorProfilerInfoUnk);

    var result = unknown.QueryInterface(iCorProfilerInfo3Guid, out var ptr);

    if (result == HResult.S_OK)
    {
        Console.WriteLine($"[Profiler] Successfully retrieved an instance of ICorProfilerInfo3: {ptr:x2}");
    }
    else
    {
        Console.WriteLine($"[Profiler] Failed with error code: {result:x2}");
    }

    return HResult.S_OK;
}

要实际使用我们的ICorProfilerInfo实例，我们需要编写相同类型的包装器。但是，由于该接口声明了数十个方法，我们不会手动操作，而是将扩展我们在第3部分编写的源代码生成器。

我们的源代码生成器将填充以下模板：

public unsafe struct {invokerName}
      {
          private readonly IntPtr _self;

          public {invokerName}(IntPtr self)
          {
              _self = self;
          }

          private IntPtr* VTable => (IntPtr*)*(IntPtr*)_self;

          {invokerFunctions}
      }

我们将所有这些内容实现在上一篇文章中描述的EmitStubForInterface(GeneratorExecutionContext context, INamedTypeSymbol symbol)方法中。

对于包装器的名称，我们只需使用符号的名称并追加一个后缀：

var invokerName = $"{symbol.Name}Invoker";

然后，我们需要填充函数列表。我们声明一个StringBuilder并开始遍历目标接口及其父接口的所有函数：

var invokerFunctions = new StringBuilder();

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
    }
}

对于每个方法，我们首先编写签名：

invokerFunctions.Append($"public {method.ReturnType} {method.Name}(");


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

    var refKind = method.Parameters[i].RefKind;

    switch (refKind)
    {
        case RefKind.In:
            invokerFunctions.Append("in ");
            break;
        case RefKind.Out:
            invokerFunctions.Append("out ");
            break;
        case RefKind.Ref:
            invokerFunctions.Append("ref ");
            break;
    }

    invokerFunctions.Append($"{method.Parameters[i].Type} a{i}");
}

invokerFunctions.AppendLine(")");

请注意，所有参数均被重命名为a1、a2、a3...，以避免在原始方法的参数具有奇怪名称时可能发生的冲突。
现在我们可以生成方法的主体，从vtable中获取方法的地址，并用预期参数调用它：

invokerFunctions.AppendLine("{");
invokerFunctions.Append("var func = (delegate* unmanaged[Stdcall]<IntPtr");

for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
    invokerFunctions.Append(", ");

    var refKind = method.Parameters[i].RefKind;

    switch (refKind)
    {
        case RefKind.In:
            invokerFunctions.Append("in ");
            break;
        case RefKind.Out:
            invokerFunctions.Append("out ");
            break;
        case RefKind.Ref:
            invokerFunctions.Append("ref ");
            break;
    }

    invokerFunctions.Append(method.Parameters[i].Type);
}

invokerFunctions.AppendLine($", {method.ReturnType}>)*(VTable + {delegateCount});");

if (method.ReturnType.SpecialType != SpecialType.System_Void)
{
    invokerFunctions.Append("return ");
}

invokerFunctions.Append("func(_self");

for (int i = 0; i < method.Parameters.Length; i++)
{
    invokerFunctions.Append($", ");

    var refKind = method.Parameters[i].RefKind;

    switch (refKind)
    {
        case RefKind.In:
            invokerFunctions.Append("in ");
            break;
        case RefKind.Out:
            invokerFunctions.Append("out ");
            break;
        case RefKind.Ref:
            invokerFunctions.Append("ref ");
            break;
    }

    invokerFunctions.Append($"a{i}");
}

invokerFunctions.AppendLine(");");
invokerFunctions.AppendLine("}");

这有很多代码，但主要是枚举参数以生成方法调用，以及在方法返回void时进行特殊处理。

最后但同样重要的是，我们替换模板中的占位符：

sourceBuilder.Replace("{invokerFunctions}", invokerFunctions.ToString());  
sourceBuilder.Replace("{invokerName}", invokerName);

有了这个，我们可以回到ICorProfilerCallback.Initialize的实现，并用我们自动生成的实现替换Unknown：

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

      var iCorProfilerInfo3Guid = Guid.Parse("B555ED4F-452A-4E54-8B39-B5360BAD32A0");

      var unknown = new NativeObjects.IUnknownInvoker(pICorProfilerInfoUnk);

      var result = unknown.QueryInterface(iCorProfilerInfo3Guid, out var ptr);

      if (result == HResult.S_OK)
      {
          Console.WriteLine($"[Profiler] Successfully retrieved an instance of ICorProfilerInfo3: {ptr:x2}");

          var corProfilerInfo = new NativeObjects.ICorProfilerInfo3Invoker(ptr);
          // Can start interacting with ICorProfilerInfo
      }
      else
      {
          Console.WriteLine($"[Profiler] Failed with error code: {result:x2}");
      }

      return HResult.S_OK;
  }

有了这些，我们终于拥有了编写探查器所需的所有拼图碎片。

作为提醒，所有代码均可在GitHub上找到。

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