使用C#编写.NET分析器（三）

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。

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