【深入理解CLR 四】共享程序集和强命名程序集

上一篇博客我主要介绍了类型如何生成托管模块、托管模块如何链接成程序集等生成、打包、部署及管理等知识传送门https://blog.csdn.net/sinat_33087001/article/details/80347193，本篇博客介绍两种程序集：强命名程序集和弱命名程序集，阅读本篇博客前，我先抛出3个问题，如果你想了解问题的解决，那么这篇博客就对你胃口啦：

1. CLR如何验证程序集的安全性

2. 如何解决版本之间不兼容，以至于引入新dll会导致其它不可用

3. 运行时类型引用是如何被解析的

其中前两个问题再加上上一章解决的“简单部署”问题，**.NetFrameWork的三大部署目标就都能实现了（1，简单部署 2，安全性可验证 3，dll Hell问题）。**先梳理下本文的行文脉络，最佳食用方式。主线即是围绕强弱命名程序集展开的，而以强命名程序集为主。

• 强命名程序集如何得到强名称、全局程序集缓存是什么
• 强命名程序集怎么实现防篡改、延迟签名策略是什么
• 强明明程序集如何部署、如何被引用
• 运行时（JIT编译）如何解析类型引用（运行时发生了什么）
• 加入全局之后的高级管理控制（对应于上一篇博文提到的简单管理控制）
  #两种命名程序集
  程序集共有两种命名方式：强命名程序集和弱命名程序集。程序集有两种部署方式：私有部署和全局部署。
  ##两种程序集
  强命名程序集：使用发布者的公钥/私钥对进行了签名，由于程序集被唯一标识，所以强命名程序集可以被部署到用户机器的任何地方，甚至可以被部署到Internet上。
  弱命名程序集：与强命名程序集结构完全相同，区别仅在于没有公钥/私钥对，所以只能私有部署。
  ##两种部署
  私有部署：程序集部署到应用程序基目录或者某个子目录。
  全局部署：多个应用程序共享的程序集部署即是全局部署，.NetFrameWork随带的程序集就是典型的全局部署，这就可以解释为什么有些应用程序运行需要.NetFrameWork的支持,因为它们某些功能可能用到了.NetFrameWork的程序集。
  ##程序集与部署
  两种程序集各自可以适用的部署方式如下所示：
  
  可以看得出强命名程序集既可以进行私有部署，也可以进行全局部署，但为了实现“简单部署”，最好只使用私有部署，后边我会详细介绍。
  ##为程序集分配强名称
  程序集要想变为强命名程序集，就得需要唯一性标识，这个唯一性标识就是公钥/私钥对，不仅可以解决唯一性问题，还可以解决安全策略、检查完整性，允许分配授权
  ###问题所在
  要想全局部署，多个应用程序共享的强命名程序集，就得有个公认的目录来存放，这样多个应用程序才能找得到。而多个公司可能会生成同名文件，同名文件放到公认目录会导致覆盖，所以有时候会遇到这种现象：A公司的软件里有个tml.dll文件，B公司的软件装到电脑上的时候恰好也有个tml.dll文件，恰好也是强命名程序集，然后放到公共目录覆盖了A公司的，然后A公司的软件就不可用了**(这就叫DLL hell）.**
  ###唯一性标识
  强命名程序集具有四个重要特性来进行唯一性标识：文件名（不计扩展名）、版本号、语言文化、公钥。其实可以发现，前三个标识没有什么用，只有最后一个公钥才能唯一标识。
  
  可以看到前三条的公钥token是同一个公司的，最后一个和第一个前三项完全相同，但是是不同的程序集，说明标识策略即是最后的公钥token（公钥标记）。公钥的不同基于不同的公司!
  ###创建强命名程序集
  创建强命名程序集分为两步：1，创建公钥/私钥对，2，编译程序集
  ####创建公钥/私钥对
  创建公钥/私钥对分为以下几个步骤：
  1， SN -k MyCompany.snk 首先创建一个公钥/私钥对文件
  2，SN -p MyCompany.snk MyCompany.PublicKey sha256从MyCompany.snk中提取出只含公钥的文件并且采用SHA256算法
  3，SN -tp MyCompany.PublicKey 使用该命令生成公钥标记（64位哈希值），注意不同的公钥可能会生成相同的公钥标记

以上三行命令分别对应如下输出：

####编译程序集

使用命令csc /keyfile: MyCompany.snk Program.cs即可**用私钥对程序集进行签名，并且将公钥嵌入到清单中。**具体实现分为以下几步：

1. FileDef清单元数据表列出构成程序集的所有文件
2. 每将一个文件添加到清单，都对文件内容哈希处理，哈希值和文件名一道存储到FileDef中。
3. 生成包含清单的PE文件（程序集的宿主，包含清单文件）后，对PE文件完整内容（除Authenticode Signature、程序集强名称数据以及PE头校验和）进行哈希处理。
   （注意：强名称（文件名，程序集版本号，语言文化，公钥）也不会哈希处理哦，包括公钥）

由上图可知：哈希值用私钥签名，得到的RSA数字签名存储到PE文件的一个保留区域（哈希处理时也会忽略），同时发布者公钥也会嵌入PE文件的AssemblyDef清单元数据表。

AssemblyRef表为了节省空间，存储的都是公钥标识（因为几个公钥进过哈希计算可能会得到相同的公钥标记，所以CLR不会用公钥标记做安全或信任决策），AssemblyDef存储的是完整公钥，目的就是为了防篡改

注：在VS里可以从项目属性–签名–为程序集签名来选择

#安全策略

这里的安全策略采用了公钥/私钥对的形式，关于公钥/私钥如何做到安全通信加密，通信双方如何操作原理下边这篇博文讲的比较详细：

关于公钥/私钥http://www.blogjava.net/yxhxj2006/archive/2012/10/15/389547.html

##强命名程序集如何防篡改

###GAC目录检查

GAC也就是全局缓存，后边会介绍到，这里只要知道是共享程序集存放的位置就好了。用私钥对程序集签名，并将公钥和签名嵌入程序集中，CLR就可以验证，验证过程如下：

1. CLR对程序集包含清单的文件，用公钥解除签名获得Hash值，确保来源可靠
2. CLR对程序集包含清单的文件使用Hash处理，比对步骤1的值，如果一致则说明未经修改。
3. CLR对程序集的其它文件每一个都进行Hash处理并且与清单文件中国的FileDef做比较，任何一个Hash值不相同都会导致程序集无法被安装到GAC。

优点：GAC目录下的安全检查仅在安装时执行一次，性能损耗较小。缺点：因为在GAC安装程序集，所以违反了简单部署的原则。

###非GAC目录检查

对于非GAC目录安装的程序集（应用程序基目录或者通过配置文件codeBase元素指定的路径中），CLR会在程序集加载后比较Hash值，所以每次加载程序集时都会执行安全策略，损耗性能。

优点：应用程序每次执行，每次加载程序集时都会执行安全策略，损耗性能。缺点：可以达成简单部署的目标。

###应用程序绑定到程序集

应用程序绑定到程序集时，依据如下顺序定位程序集位置：

1. CLR依据程序集的强名称（编译时获取AssemblyRef中标明，来自CLR目录）在GAC中定位该程序集，匹配被引用程序集（GAC中的目录）的签名，这样可以保证运行时和编译时的发布者唯一。
   
2. GAC中找不到去应用程序基目录找。
   
3. 应用程序基目录没有，则访问配置文件的codeBase元素标注的私有路径
   
4. 如果由MSI按照，CLR要求MSI定位程序集。
   ##延迟签名策略
   在开发和测试阶段，频繁的访问私钥是一件麻烦事（私钥一般被公司严密保护），所以采用延迟签名策略，运行公司生成只有公钥的程序集。
   ###有何不同
   延迟签名和正常的签名的相同与不同之处在于：
   
5. 延迟签名任然具有公钥，在AssemblyDef和引用该程序集的AssemblyRef里没有任何影响。
   
6. 延迟签名仍然可以存储到GAC(要求关闭防篡改机制)
   
7. 延迟签名在开发和测试阶段没有私钥，可能被篡改
   

###如何操作

创建过程与正常签名类似，唯一的不同是前期PE文件中不嵌入数字签名（因为没有私钥嘛），但实用程序会依据公钥大小判断需要预留多大空间来给RSA数字签名预留空间，具体步骤如下：

1. 开发和测试期间，csc /keyfile:MyCompany.PublicKey /delaysign MyAssembly.cs使用该命令仅加入公钥，并指明要采用延迟签名策略。
2. 关闭每一台机器的安全策略SN.exe -Vr MyAssembly.dll以确保程序集能被安装到GAC
3. 在打包和部署阶段，打开安全策略SN.exe -Vu MyAssembly.dll
4. 获取公司私钥并按照到GACSN.exe -Ra MyAssembly.dll MyCompany.PrivateKey

另外执行延迟签名的好处在于，由于不经过hash计算，可以执行混淆程序。

#强命名程序集的部署和引用

如前所述，强命名程序集既可以私有部署看，又可以全局部署。

##全局程序集缓存

前边提到的全局共享目录，也就是GAC，一般放在：

在该目录下经过算法结构化存放程序集，子目录自动生成，即使同名，只要不同公司，一样可以区别开来，不会发生相互覆盖现象。

注意：千万不能随意手动复制，因为目录是自动生成的而且GAC目录只能存放强命名程序集

##私有部署强命名程序集

私有部署即是部署到程序的基目录及其子目录

存在以下不合理的历史策略：少数应用程序共享的程序集目录，配置文件的codeBase元素指向的路径既不在GAC，也不在应用程序内部，而是一个第三方。这样做有一个很大的问题就是：每个应用程序都不能决定何时删除该程序集。

##引用强命名程序集

编译时和运行时强命名程序集有两套（Microsoft），一套安装在CLR目录（方便编译时找路径），一套安装在GAC(方便运行时加载程序集)。

1. CLR目录下：编译使用，只有元数据，与机器无关
2. GAC目录下：运行使用，包括元数据和IL代码以及针对特定CPU架构的优化，运行存在多个程序集拷贝，每一个架构都有一个专门的子目录存放拷贝。

在编译时的程序集搜索顺序如下：

1. 工作目录。
2. CLR所在目录。
3. /lib编译器开关指定目录。
4. LIB环境变量指定的任何目录。

运行时的程序集搜索顺序在下一部分介绍。

#运行时解析类型引用

还是使用上一篇博文里举的例子：

namespace TML
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)          //成员方法入口
        {
            Console.WriteLine("Hello World!");   //引入的外部类型Console
        }
    }
}

运行时执行步骤如下：

1. 初始化CLR
2. CLR读取程序集的CLR头，查找标识应用程序的入口方法Main的MethodDef
3. 检索MethodDefy元数据表找到方法的IL代码在文件中的偏移量
   
4. 将IL代码使用JIT编译器编译（提前需要验证）为本机代码
5. 执行本机代码

在第三步，CLR会检测所有类型和成员引用，顺序如下：

1. IL call 引用了元数据token0A000003,表示MemberRef中的记录项3
2. 检查该项，发现字段引用了TypeRef表中记录项
3. 检查后发现该类型System.Console非本程序集，所以被引到AssemblyRef,定位到了程序集

总体流程见下图，如果被引用类来自本程序集内部，则参见左边两条分支：

#高级管理控制

与私有部署不同，全局部署的时候，为了解决版本冲突问题，需要高级管理控制。正因为高级管理控制，程序集才能同时存在多版本。

##版本控制

CLR通过配置文件定位程序集

可以发现主要有以下几个元素：

1. probing:对于弱命名程序集，直接检查私有路径，对于强命名程序集，会依据GAC—codeBase指定路径—私有路径的顺序检查程序集
2. 第一个dependentAssembly及其子元素表明：依据codeBase元素，重定向该程序集版本1.0.0.0为2.0.0.0,codebase已经提供了2版本的地质
3. codeBase指明了更新地址，如果是弱命名程序集，codeBase只能指向应用程序基目录的子目录
4. 第二个dependentAssembly及其子元素表明：查找到3-3.5版本后,统一重定向到版本4.0
5. publisherPolicy元素，表明忽略TypeLib发布者的策略文件

执行流程如下：

6. CLR定位程序集，进行指定重定向跳转。
7. 加载发布者策略（若为yes），执行发布者的命令跳转到希望版本。
8. 定位到后从GAC加载，GAC没有，则从codeBase指定url加载

注意，CLR默认不加载新版本程序集，如果管理员希望所有应用程序使用发布者更新，则修改Machine.config中的文件，关于该文件，这篇博客有详细说明：

https://blog.csdn.net/hanxuema2008/article/details/3344409

##发布者策略控制

由发布者告诉用户该使用什么版本，也可以用来修复bug。

###发布者策略文件

发布者策略配置文件如下，不存在probing和publisherPolicy元素。该示例指明一旦发现1.0版本的引用个，就执行2.0版本，当然如果2.0版本bug更多，可以直接选择publisherPolicy的no。

###包含发布者策略文件的程序集

使用al.exe来生成程序集，使用如下命令：

从上到下四个命令依次为：

1. /out 创建PE文件（只包含清单），要应用Policy发布者策略，适用版本1.0，应对程序集为SomeClassLibrary.dll。
2. /version 表示发布者策略程序集的版本。
3. / keyfile表示要对发布者策略程序集进行加密
4. /linkresource表示将配置文件作为程序集的一个单独文件。

注意：发布者策略程序集随同新的SomeClassLibrary.dll程序集一起打包部署到用户机器，发布者策略程序集必须安装到GAC

整个博文终于梳理完了，写到一半网速太差csdn保存奔溃，导致后半部分又重写了一遍，那种感觉真是万分痛心，意识到了自己千辛万苦写的东西不易啊。最近不再想C#的出路问题了，因为在博客的写作过程中，越来越喜欢这些底层的东西，短期内确实发挥不了多大作用，但觉得特别开心，因为发现了很多原理性东西，感觉知其所以然，非常开心，继续加油吧！