CLR چیست؟ — زمان اجرای زبان مشترک در #C

زمان اجرای زبان مشترک «Common Language Runtime یا CLR» یکی از مؤلفه‌های اصلی NET Framework. است که به عنوان یک محیط اجرایی برای برنامه‌های نوشته شده در پلتفرم دات‌نت عمل می‌کند. به عبارت ساده‌تر، CLR همانند یک ماشین مجازی است که کدهای برنامه‌های شما را می‌خواند، تفسیر می‌کند و سپس آن‌ها را اجرا می‌کند. در این مقاله، به سوال اصلی این مقاله یعنی CLR چیست؟ پاسخ داده خواهد شد و در ادامه به بررسی اجزای اصلی CLR، مزایای آن و نقش آن در فرآیند اجرای برنامه‌های #C پرداخته می‌شود.

CLR به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهد تا برنامه‌های کاربردی قدرتمند، ایمن و قابل اعتماد ایجاد کنند. اگر شما قصد دارید با پلتفرم دات‌نت کار کنید، درک عمیق از CLR برای شما بسیار مفید خواهد بود.

CLR چیست؟

زمان اجرای زبان مشترک (Common Language Runtime یا CLR) بخشی از چارچوب مایکروسافت NET. است که مدیریت اجرای برنامه‌های NET. را بر عهده دارد. CLR مسئول بارگذاری و اجرای کدهایی است که به زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف NET.، از جمله #C# ،VB.NET ، F و دیگر زبان‌ها نوشته شده‌اند.

وقتی یک برنامه #C کامپایل می‌شود، کد خروجی آن به زبان میانی مشترک (Common Intermediate Language یا CIL) یا زبان میانی مایکروسافت (MSIL) تبدیل می‌شود. این کد مستقل از سخت‌افزار است و می‌تواند بر روی هر پلتفرمی که CLR روی آن نصب شده باشد اجرا شود. هنگام اجرای کد CIL، CLR آن را به کد ماشین تبدیل می‌کند که قابل اجرا توسط پردازنده است.

CLR خدمات متعددی را به برنامه‌های NET. ارائه می‌دهد که شامل مدیریت حافظه، ایمنی نوع (Type Safety)، امنیت و مدیریت استثناها می‌شود. همچنین از کامپایل Just-In-Time) JIT) پشتیبانی می‌کند که کد CIL را در زمان اجرا به کد ماشین تبدیل کرده و عملکرد برنامه را بهینه می‌کند.

علاوه بر این، CLR چارچوبی برای توسعه و استقرار برنامه‌های NET. فراهم می‌کند که شامل مجموعه‌ای از کتابخانه‌ها، به نام کتابخانه کلاس‌های دات‌نت فریم‌ورک  ( NET Framework class Library.)، است. این کتابخانه‌ها دسترسی به قابلیت‌های گسترده‌ای مانند عملیات ورودی/خروجی، شبکه، اتصال به پایگاه داده و طراحی رابط کاربری را فراهم می‌کنند.

به طور کلی، CLR یک بخش حیاتی از NET Framework. است و وظیفه دارد اطمینان حاصل کند که برنامه‌های NET. به صورت ایمن، مطمئن و کارآمد اجرا می‌شوند و از این رو، نقش اساسی در برنامه‌نویسی C# دارد.

CLR (زمان اجرای زبان مشترک) بخش اساسی و مؤلفه ماشین مجازی در چارچوب .NET است. این محیط زمان اجرا در NET Framework. کدها را اجرا کرده و با ارائه خدمات مختلف، فرآیند توسعه را آسان‌تر می‌کند. به طور کلی، CLR مسئول مدیریت اجرای برنامه‌های NET.، صرف‌نظر از زبان برنامه‌نویسی NET. مورد استفاده می‌باشد.

دوره آموزش مقدماتی برنامه نویسی سی شارپ #C

کلیک کنید

به صورت داخلی، CLR سیستم اجرای مجازی (VES – Virtual Execution System) را پیاده‌سازی می‌کند که در زیرساخت زبان مشترک (CLI – Common Language Infrastructure) مایکروسافت تعریف شده است.

کدی که تحت زمان اجرای زبان مشترک اجرا می‌شود، به عنوان کد مدیریت‌شده (Managed Code) شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، می‌توان گفت که CLR یک محیط اجرای مدیریت‌شده برای برنامه‌های NET. فراهم می‌کند که امنیت را بهبود می‌بخشد، ادغام زبان‌های مختلف را ممکن می‌سازد و مجموعه غنی‌ای از کتابخانه‌های کلاس ارائه می‌دهد.

CLR در تمامی نسخه‌های NET Framework. حضور دارد. جدول زیر نسخه‌های مختلف CLR در NET Framework. را نشان می‌دهد.

نمودار زیر نشان می‌دهد که چگونه CLR با سیستم‌عامل/سخت‌افزار و همچنین کتابخانه‌های کلاس ارتباط دارد. در اینجا، محیط زمان اجرا (Runtime) در واقع همان CLR است.

نقش CLR در اجرای یک برنامه #C

فرض کنید یک برنامه #C نوشته‌اید و آن را به عنوان یک فایل ذخیره کرده‌اید که به عنوان کد منبع (Source Code) شناخته می‌شود.

کامپایل کد منبع: کامپایلر مخصوص زبان، کد منبع را به MSIL (زبان میانی مایکروسافت) که به آن CIL (زبان میانی مشترک) یا IL (زبان میانی) نیز گفته می‌شود، همراه با متاداده آن کامپایل می‌کند.

متاداده شامل تمام انواع داده‌ها، پیاده‌سازی دقیق هر تابع برنامه و اطلاعات اضافی مرتبط است. MSIL کدی مستقل از ماشین است.

نقش CLR در اجرای کد

در این مرحله، CLR وارد عمل می‌شود. CLR خدمات و محیط زمان اجرا را برای اجرای کد MSIL فراهم می‌کند.

• کامپایل Just-In-Time (JIT): در داخل CLR، کامپایلر JIT کد MSIL را به کد ماشین (Machine Code) تبدیل می‌کند که توسط CPU اجرا می‌شود.
• استفاده از کتابخانه‌های دات‌نت فریم‌ورک: CLR از کتابخانه‌های کلاس NET Framework. استفاده می‌کند تا عملکردهای مختلفی مانند مدیریت ورودی/خروجی، امنیت، و مدیریت حافظه را فراهم کند.
• مدیریت متاداده: متاداده اطلاعاتی را درباره زبان برنامه‌نویسی، محیط اجرا، نسخه، و کتابخانه‌های کلاس به CLR ارائه می‌دهد، که بر اساس آن CLR کد MSIL را مدیریت می‌کند.
• ادغام بین زبان‌ها: از آنجا که CLR مشترک است، این امکان را فراهم می‌کند که یک نمونه از کلاسی که به زبانی نوشته شده، متدی از کلاسی دیگر که به زبان متفاوتی نوشته شده است، فراخوانی کند.
• این فرآیند نشان‌دهنده قدرت CLR در مدیریت کدهای .NET و فراهم کردن یک محیط یکپارچه برای زبان‌های مختلف است.

همان‌طور که از واژه «مشترک» مشخص است، CLR یک محیط زمان اجرا یا محیط اجرایی مشترک ارائه می‌دهد، زیرا بیش از ۶۰ زبان برنامه‌نویسی در NET Framework. وجود دارد.

اجزای اصلی CLR چیست؟

CLR یا محیط اجرایی زبان مشترک، یک جزء اساسی از پلتفرم دات نت است. این محیط، کدهای نوشته شده به زبان‌های مختلف دات نت را اجرا می‌کند و امکان تعامل بین آن‌ها را فراهم می‌سازد. برای درک بهتر عملکرد CLR، بهتر است به اجزای اصلی آن بپردازیم:

۱- مشخصات زبان مشترک

CLS (Common Language Specification) مسئول تبدیل قوانین و دستورهای نحوی زبان‌های مختلف برنامه‌نویسی NET. به فرمتی است که توسط CLR قابل درک باشد. این مؤلفه، قابلیت همکاری زبانی (Language Interoperability) را فراهم می‌کند.

همکاری زبانی به معنای فراهم کردن پشتیبانی اجرایی برای سایر زبان‌های برنامه‌نویسی در NET Framework. است.

روش‌های دستیابی به همکاری زبانی:

• کد مدیریت‌شده «Managed Code»: کد MSIL که توسط CLR مدیریت می‌شود به عنوان کد مدیریت‌شده شناخته می‌شود. برای کد مدیریت‌شده، CLR سه قابلیت اصلی .NET را ارائه می‌دهد: مدیریت حافظه، مدیریت استثناها و امنیت کد
• کد غیرمدیریت‌شده «Unmanaged Code»: قبل از توسعه NET.، زبان‌هایی مانند کامپوننت‌های COM و APIهای Win32 کد MSIL تولید نمی‌کردند. بنابراین، این کدها توسط CLR مدیریت نمی‌شوند و به جای آن توسط سیستم‌عامل مدیریت می‌شوند.

۲- سیستم نوع مشترک CTS

هر زبان برنامه‌نویسی سیستم داده‌ای خاص خود را دارد. CTS (Common Type System) مسئول درک این سیستم‌های نوع داده مختلف در زبان‌های برنامه‌نویسی NET. و تبدیل آن‌ها به فرمتی مشترک است که توسط CLR قابل درک باشد.

دو نوع سیستم CTS که در همه زبان‌های NET. وجود دارند:

۱- نوع‌های مقداری «Value Types»:

• مقدار مستقیماً در مکان حافظه ذخیره می‌شود.
• این نوع داده‌ها از مکانیزم پشته «Stack» استفاده می‌کنند.
• CLR حافظه این نوع داده‌ها را در زمان کامپایل اختصاص می‌دهد.

۲- نوع‌های ارجاعی (Reference Types):

• به جای ذخیره مقدار، آدرس حافظه مقدار را نگه می‌دارند.
• این نوع داده‌ها از مکانیزم هیپ «Heap» استفاده می‌کنند.
• CLR حافظه این نوع داده‌ها را در زمان اجرا اختصاص می‌دهد.
• این اجزا، CLR را قادر می‌سازند تا محیطی یکپارچه و امن برای اجرای برنامه‌های NET. فراهم کند.

۳- جمع‌آوری زباله

Garbage Collector وظیفه مدیریت خودکار حافظه را بر عهده دارد. اشیایی که دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرند را شناسایی کرده و حافظه آن‌ها را آزاد می‌کند. بدون Garbage Collector، برنامه‌نویسان مجبور به نوشتن کدهای مدیریت حافظه بودند که این کار بار اضافی برای آن‌ها محسوب می‌شد.

۴- کامپایلر JIT

کامپایلر JIT (Just In Time)، با استفاده از CLR کدهای میانی (IL) تولید شده توسط کامپایلر زبان‌های NET. را در زمان اجرا به کد ماشین (کد قابل فهم توسط پردازنده) یا کد بومی «Native Code» تبدیل می‌کند.

با استفاده از کامپایلر JIT امکان بهینه‌سازی کد برای سخت‌افزار و نرم‌افزار خاص وجود دارد. همچنین کدهای کامپایل شده به صورت بومی بسیار سریع‌تر اجرا می‌شوند.

دوره آموزش برنامه نویسی سه لایه در سی شارپ

کلیک کنید

مزایای CLR

• بهبود عملکرد: اجرای برنامه‌ها در زمان اجرا با تعامل غنی بین آن‌ها، عملکرد را بهبود می‌بخشد.
• افزایش پورتابلیتی (Portability): در صورتی که سیستم‌عامل از CLR پشتیبانی کند، نیاز به کامپایل مجدد برنامه‌ها در سیستم‌عامل‌های مختلف حذف می‌شود.
• افزایش امنیت: تحلیل دستورالعمل‌های MSIL برای تعیین ایمن یا ناایمن بودن آن‌ها. استفاده از Delegate‌ها به جای اشاره‌گرهای تابع «Function Pointers» باعث بهبود ایمنی نوع «Type Safety» و امنیت می‌شود.
• مدیریت خودکار حافظه: با کمک Garbage Collector مدیریت حافظه به طور خودکار انجام می‌شود.
• یکپارچگی بین زبان‌ها: CTS (سیستم نوع مشترک) داخل CLR یک استاندارد مشترک فراهم می‌کند که به زبان‌های مختلف اجازه می‌دهد کتابخانه‌های یکدیگر را گسترش داده و به اشتراک بگذارند.
  امکان استفاده از کامپوننت‌هایی که در زبان‌های دیگر .NET توسعه داده شده‌اند را فراهم می‌کند.
• استقلال از زبان، پلتفرم و معماری: CLR محیطی مستقل از زبان، پلتفرم و معماری ارائه می‌دهد.
• پشتیبانی از توسعه برنامه‌های مقیاس‌پذیر و چندریسمانی (Multithreaded): توسعه‌دهنده نیازی به نگرانی در مورد مدیریت حافظه و مسائل امنیتی ندارد، و این باعث تسهیل ایجاد برنامه‌های پیچیده می‌شود.

جمع بندی

در این مقاله به مبحث CLR چیست؟ پاسخ داده داده شد. CLR به عنوان یکی از مؤلفه‌های کلیدی NET Framework.، نقشی حیاتی در اجرای برنامه‌ها و ساده‌سازی فرآیند توسعه ایفا می‌کند. با ارائه محیطی استاندارد و یکپارچه برای اجرای کدهای نوشته‌شده در زبان‌های مختلف NET، CLR. امکان همکاری بین زبان‌ها، مدیریت خودکار حافظه، و امنیت بالا را فراهم می‌آورد.

علاوه بر این، قابلیت‌هایی مانند جمع‌آوری زباله «Garbage Collection»، کامپایل Just-In-Time (JIT)، و سیستم نوع مشترک (CTS) این اطمینان را می‌دهند که برنامه‌ها به صورت بهینه، ایمن و مستقل از پلتفرم اجرا شوند. توانایی CLR در تحلیل و مدیریت کد MSIL، توسعه‌دهندگان را قادر می‌سازد تا برنامه‌هایی مقیاس‌پذیر، چندریسمانی و چندپلتفرمی ایجاد کنند.

در مجموع، CLR به عنوان ستون فقرات NET Framework.، با ارائه خدماتی جامع و مؤثر، توسعه و اجرای برنامه‌ها را ساده‌تر و قابل اعتمادتر کرده و امکان بهره‌برداری از پتانسیل کامل این چارچوب را برای برنامه‌نویسان فراهم می‌آورد.