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11/09/2008

Metadata 的格式和意義（上）

作者：蔡學鏞

2003 年 12 月

如果你閱讀 .NET 的書，你可能會常常看到 Metadata 一詞。根據書上的說法，Metadata 可以為 .NET 帶來莫大的威力。事實上，Java 的 class 檔案內也具有 Metadata。只是 Java 與 .NET 的 metadata 結構不同，且 Java 的 metadata 不若 .NET 的完整。不過，如果你是 Java 的愛好者，你可以放心，因為預計在未來版本中，Java 也會向 .NET 看齊，提供更豐富的 Metadata。

本文章的主旨在簡單地介紹 Metadata。我會先介紹 .NET 的 Metadata 格式和意義，本文章的下篇會接著介紹 .Java 的 Metadata 格式和意義。

.NET 程式碼編譯後的檔案是 exe 檔 (或 dll 檔)，完全符合原來 PE (portable executable) 檔的規範，如圖一所示：

對 1
圖 1

其中，.NET 原始程式碼所編譯出來的結果，也就是 Metadata 與 IL，都是放在 Section 中，如圖二所示：

對 2
圖 2

IL 和 Metadata 是 .NET PE 檔案內的兩大重點。Metadata 敘述靜態的結構，IL 敘述動態的程式。如果你對 IL 感興趣，請看我在台灣 MSDN 網站上發表的一篇文章，網址在：https://www.microsoft.com/taiwan/msdn/columns/DoNet/IL.htm。

本文章的重點在於 Metadata。在 PE 檔案格式中，Metadata 的結構十分複雜，所以我無法在此詳細討論。一言以蔽之，Metadata 就像是一個資料庫，包含許多 table，且 table 之間可能會互相參照 (reference)，也就是類似關連式資料庫的 foreign key。目前，.NET PE 檔的 Metadata 中可以使用的 table 有 44 種，如圖三所示。

對 3
圖 3

以圖四為例，class 的定義放在名為 TypeDef 的 table 中，每一筆記錄，就是一個 class 的定義。此 table 紀錄了 class 的旗標 (Flags)、class 的名稱 (Name)、名稱空間 (namespace)、繼承對象 (Extends)、欄位清單 (FieldList)、方法清單 (MethodList)。

對 4
圖 4

class 的旗標 (Flags) 記錄的是 public、internal、private 等資料。
class 的名稱 (Name) 指到外部的一個字串區塊。
名稱空間 (namespace) 指到外部的一個字串區塊。
繼承對象 (Extends) 指到 TypeDef 或者 TypeRef 內的另一個 class。
欄位清單 (FieldList) 指到 Field table 內的某筆資料。由於一個 class 可能有多個 Field，所以從被指到的 Field 開始，一直到下一個被指到的 Field 之前，都是屬於此 class 的欄位。請看圖五的解釋。
方法清單 (MethodList) 指到 Method table 內的某筆資料。作法類似欄位清單。

對 5
圖 5

這些 Metadata table 彼此之間的關係，如圖六所示。

對 6
圖 6

下面簡單地介紹這 44 個 table 中，最常見的 table：

**Module：**描述目前的模組
**ModuleRef：**描述參考的模組
**TypeDef：**描述類別 (或介面) 的定義
**TypeRef：**描述所參考到的類別 (或介面)
**Field：**描述欄位定義
**Method：**描述方法定義
**Event：**描述事件
**Property：**描述屬性
**MemberRef：**描述參考的欄位或方法
**Param：**描述方法參數的定義
**InterfaceImpl：**描述什麼類別實現了什麼介面
**Constant：**描述欄位、參數、或屬性的常數值
**CustomAttribute：**描述自行定義的屬性
**FieldMarshal：**描述 .NET 和非 .NET 的程式溝通時，欄位或參數的傳遞方式
**DeclSecurity：**紀錄對於安全性的宣告
**MethodSemantics：**描述方法和事件或屬性的關連
**MethodImpl：**描述方法的實作
**Assembly：**定義組件 (assembly)
**AssemblyRef：**描述所參考的組件
**File：**描述外部的檔案
**ExportedType：**描述在同一個組件，但在不同模組內，有哪些類別
**ManifestResource：**描述資源
**NestedClass：**描述哪些類別是其他類別的巢狀類別

由於在 PE 檔案格式中 Metadata 的組織方式複雜，所以透過 Dump 的方式來研究其 Binary Code，並非很好的作法。事實上，利用 ILDASM 更適合。ILDASM 是 .NET Framework SDK 中內附的一套程式，可以反組譯 .NET PE。命令列用法如下例所示：

ildasm /adv Hello.exe

接著，你會看到 ILDASM 的視窗，如圖七所示：

對 7
圖 7

請從 Menu 中選擇 View/MetaInfo，確定 Header 已經被勾選 (Checked)，然後選擇「Show!」，即可看到下面的訊息：

Coff symbol name overhead:  0
Strings: 122(0x7a), Blobs: 40(0x28), Guids: 16(0x10), User strings: 16(0x10)
 0: Module               cRecs:    1(0x1), cbRec: 10(0xa), cbTable:    10(0xa)
 1: TypeRef              cRecs:    3(0x3), cbRec:  6(0x6), cbTable:    18(0x12)
 2: TypeDef              cRecs:    2(0x2), cbRec: 14(0xe), cbTable:    28(0x1c)
 6: Method               cRecs:    2(0x2), cbRec: 14(0xe), cbTable:    28(0x1c)
 8: Param                cRecs:    1(0x1), cbRec:  6(0x6), cbTable:     6(0x6)
10: MemberRef            cRecs:    3(0x3), cbRec:  6(0x6), cbTable:    18(0x12)
12: CustomAttribute      cRecs:    1(0x1), cbRec:  6(0x6), cbTable:     6(0x6)
32: Assembly             cRecs:    1(0x1), cbRec: 22(0x16), cbTable:    22(0x16)
35: AssemblyRef          cRecs:    1(0x1), cbRec: 20(0x14), cbTable:    20(0x14)

你可以看出來，我們的 Hello.exe 內有「#Strings」、「#Blob」、「#GUID」、「#US」，以及 9 個 Table。由此可以看出，雖然可以使用的 table 有 44 個，但是大多數的 assembly (也就是 .NET 的 exe 和 dll) 只使用一小部分的 table。

在本文章下篇中，我會接著介紹 .Java 的 Metadata 格式和意義，並與 .NET 進行整體性的比較。

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