.NET5.0 單文件發(fā)布打包操作深度剖析
.NET5.0 單文件發(fā)布打包操作深度剖析
前言
隨著 .NET5.0 Preview 8 的發(fā)布，許多新功能正在被社區(qū)成員一一探索；這其中就包含了“單文件發(fā)布”這個炫酷的功能，實(shí)際上，這也是社區(qū)一直以來的呼聲，從 WinForm 的 msi 開始，我們就希望有這樣一個功能，雖然在 docker 時代，單文件發(fā)布的功能顯得“不那么重要”，但正是從這一點(diǎn)可以看出，.NET 的團(tuán)隊(duì)成員一直在致力于實(shí)用功能的完善。
在 Java 的世界里，單文件發(fā)布一直伴隨著他們的成長，War 文件可以直接上傳到 Tomcat 上運(yùn)行，話說我們還是有那么一丟丟的羨慕的，不過凡事有利就有弊，單文件發(fā)布對于細(xì)分模塊的熱更新來說，還有有一點(diǎn)點(diǎn)的不方便。
不過瑕不掩瑜，在微服務(wù)概念越來越火熱的今天，相信單文件發(fā)布的功能帶給大家更多的是興奮。
什么是單文件發(fā)布
首先，我們要清楚的了解，什么是單文件發(fā)布。
官方的目標(biāo)定義：
.Net 5.0單個文件解決方案應(yīng)為：
廣泛兼容：可以將包含IL程序集，隨時運(yùn)行的程序集，復(fù)合程序集，本機(jī)二進(jìn)制文件，配置文件等的應(yīng)用程序打包為一個可執(zhí)行文件。
可以直接從打包軟件直接運(yùn)行應(yīng)用程序的托管組件，而無需提取到磁盤。
可與調(diào)試器和工具一起使用。
從上面的目標(biāo)可以看出，和以往版本最大的不同在于：將所有依賴打包到一個可執(zhí)行文件中，可直接運(yùn)行，不影響調(diào)試操作。
注意上面的這句話“將所有依賴打包到一個可執(zhí)行文件中”，而在以往，我們使用 dotnet publish 將應(yīng)用程序進(jìn)行發(fā)布之后，我們會看到，在 publish 下有許多項(xiàng)目依賴的 dll 文件，在 .NET5.0 到來之后，這些依賴文件可收納到一個文件中，瞬間讓人感受到了清涼。
發(fā)布操作指令相關(guān)
命令
可選參數(shù)
配置文件設(shè)置參數(shù)
除了可以使用命令行參數(shù)的形式，還可以通過配置文件的形式設(shè)置發(fā)布參數(shù)，編輯項(xiàng)目文件，添加配置節(jié)點(diǎn)到文件中并保存即可。
關(guān)于 RID 說明見：https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/core/rid-catalog
這是截止本文發(fā)布前的 RID 版本，不排除 .NET5.0 有新的發(fā)布
其它參數(shù)
除了上面的三個可選參數(shù)，我在查詢文檔的過程中還發(fā)現(xiàn)，官方還提到了其它參數(shù)的使用，目前不確定是否有效
還可以通過設(shè)置 ExcludeFromSingleFile 元素，該設(shè)置將指定某些文件不嵌入單個文件之中。
編寫待打包的應(yīng)用程序
為了更直觀的看出正常發(fā)布和單文件發(fā)布的區(qū)別，我們特別準(zhǔn)備了一個 Web 應(yīng)用程序，并對兩個程序集進(jìn)行依賴引用。
準(zhǔn)備好項(xiàng)目，編譯成功，嘗試發(fā)布，打開 PowerShel 控制臺，分別輸入以下命令
linux-x64 和 win-x64 兩個目錄下，分別有 publish 目錄，由于平臺的不同，所引用的依賴也不一樣，這是我們早就了解過的，我們看看打包前后的區(qū)別
以上執(zhí)行的兩條命令語句，會為我們生成 Linux 和 Windows 兩個平臺的程序包，從上圖中可以看出，在打包之前，項(xiàng)目的各種引用依賴都被復(fù)制到了發(fā)布目錄下，這也是我們之前的程序發(fā)布方式，在經(jīng)過打包后，所有依賴文件都被裝入了一個可執(zhí)行文件中，在 Linux 平臺下表現(xiàn)為：PreviewWebApplication ，Windows 平臺下則為：PreviewWebApplication.exe。從打包效果來看，遷移將變得更加方便了。
運(yùn)行打包程序
打包后的程序和未打包的發(fā)布程序在運(yùn)行方式上沒有太多的差異性，在 Windows 平臺上，只需要雙擊 PreviewWebApplication.exe 就可以運(yùn)行該打包程序了，本示例創(chuàng)建的是一個 WebApi 的程序，直接訪問程序偵聽的地址后得到接口返回的結(jié)果，如果您創(chuàng)建的是帶有 Razor 視圖或者攜帶其它資源文件的，可能無法訪問指定的 url。
在程序成功運(yùn)行起來后，我們發(fā)現(xiàn)，打包程序并沒有解壓縮文件到磁盤，而是直接從包中加載文件到內(nèi)存中運(yùn)行；這是巨大的進(jìn)步，也是和 War 文件根本的區(qū)別。
需要注意的是，該 .exe 文件并不能單獨(dú)復(fù)制到別的地方運(yùn)行，你必須把 .exe 當(dāng)前目錄完整的復(fù)制才能運(yùn)行，這涉及到主機(jī)探測的問題，下面我們將會一一提到。
跨平臺的打包文件
通過上面的示例我們了解到，打包程序總是為不同的平臺生成獨(dú)立的包程序，這是為什么呢？這里就涉及到一個概念，也就是 Tool Interface Standard (TIS)
Executable and Linking Format(ELF)
Common Object File Format（COFF）于1983年引入，最初使用在 AT&T 的 UNIX 系統(tǒng)上。由于 COFF 的各種局限性，比如：節(jié)的最大數(shù)量受到限制，節(jié)名稱，所包含的源文件的長度受到限制，并且符號調(diào)試信息無法支持實(shí)際的語言。最后，在 System V Release 4 (SVR4) 發(fā)布后，AT&T 使用 ELF 替代了 COFF。
工具接口標(biāo)準(zhǔn)委員會 援引委員會規(guī)范文件的說明：可執(zhí)行文件和鏈接格式最初由 UNIX 系統(tǒng)開發(fā)和發(fā)布實(shí)驗(yàn)室（USL）作為應(yīng)用程序二進(jìn)制接口（API）的一部分。工具接口標(biāo)準(zhǔn)委員會 （TIS） 選擇將不斷發(fā)展的 ELF 標(biāo)準(zhǔn)作為便攜式對象文件。該標(biāo)準(zhǔn)適用于各種操作系統(tǒng)的 32 位英特爾架構(gòu)環(huán)境的格式。ELF 標(biāo)準(zhǔn)旨在通過向開發(fā)人員提供具有一組跨多個操作環(huán)境的二進(jìn)制接口定義。這將減少不同接口實(shí)現(xiàn)的數(shù)量，從而減少需要重新編寫和編譯的代碼。
ELF 文件結(jié)構(gòu)又分為三種類型，分別是：
Portable Executable (PE)
在 Windows 陣營，微軟在此 COFF 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了創(chuàng)新和發(fā)展出了 PE 文件標(biāo)準(zhǔn)
PE Format 該規(guī)范描述了Windows操作系統(tǒng)家族下的可執(zhí)行文件（圖像）和目標(biāo)文件的結(jié)構(gòu)。這些文件分別稱為可移植可執(zhí)行（PE）和公用對象文件格式（COFF）文件。
從上面的兩種規(guī)范中可以看出，LinuX 和 Windows 都有各自的文件格式規(guī)范，而這種規(guī)范在一定程度上是不兼容的，不論是從文件結(jié)構(gòu)還是解析方式；所以 .NET5.0 中的打包程序必須為不同的平臺實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的打包器。打包器的實(shí)現(xiàn)在 runtime 中的 Microsoft.NET.HostModel 庫中。
認(rèn)識了 ELF 和 PE 文件結(jié)構(gòu)之后，我們就可以對打包器代碼進(jìn)行閱讀理解。
Microsoft.NET.HostModel
你可以從 github 上下載 .NET 5.0 的源代碼， 轉(zhuǎn)到目錄：
runtime/src/installer/managed/Microsoft.NET.HostModel
源碼不太多，可直接進(jìn)行閱讀，主要理解層次關(guān)系即可。
打包器主要包含了三大部分的內(nèi)容，分別是 AppHost、Boundler、ComHost
在文件 Boundle/Manifest.cs 的頭部，我們看到了“單文件程序”的文件結(jié)構(gòu)定義
從上面的文件結(jié)構(gòu)中，我們可以非常清晰的看到，單文件程序的結(jié)構(gòu)一共分為三大部分，分別是：
文件頭信息的查看
我們可以通過一些工具去查看已經(jīng)打包好的文件，在 Linux 下，可以使用 readelf/objdump 等程序來獲取 PreviewWebApplication 文件的信息。在 Windows 下，可以使用 PE Tools 等工具
Linux 下 readelf 讀取文件頭信息
從圖中我們可以看到 Type:DYN(Sharedobjectfile) 這是一個標(biāo)準(zhǔn)的共享對象文件，關(guān)于 ELF 頭部信息的內(nèi)容不再展開，有興趣的同學(xué)可以自行學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。
Windows下 PE Tools 讀取文件頭信息
已經(jīng)打包好的程序內(nèi)部包含了 319（Linux）、Windows（359） 個文件，Windows 版本在未打包前是 84.3MB，打包后是 69.8MB，最重要的是在運(yùn)行時無需解壓縮，直接從 Boundle 中運(yùn)行文件。
文件中的第三部分，也就是 “實(shí)體清單（Manifest Entries）的寫入代碼在 Boundle\Boundler.cs\AddToBundle
在成員方法 GenerateBundle(IReadOnlyList
因?yàn)榻鈮浩鞯膶?shí)現(xiàn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了 HostFxr 和 HostPolicy 中，以靜態(tài)鏈接庫的方式鏈接到打包器中，且該部分代碼由 C++ 進(jìn)行編寫，鑒于 C++ 水平有限，在這里不作介紹。
結(jié)束語
編寫這篇文章耗費(fèi)了我大量的時間，期間大量閱讀海量的參考資料、文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)文檔、制作文章配圖等等，寫干貨文章真的需要投入巨大的精力和時間，希望你們喜歡。
文章進(jìn)行到這里，我知道肯定還有很多同學(xué)沒看過癮，但是我們可以通過回顧打包器的開發(fā)進(jìn)度表來體驗(yàn)一下 .NET 團(tuán)隊(duì)的開發(fā)熱情。
主要參考資料
.NET團(tuán)隊(duì)計(jì)劃經(jīng)理 Richard Lander 的博客：https://devblogs.microsoft.com/dotnet/announcing-net-5-0-preview-8/
Boundler 進(jìn)度表：https://github.com/dotnet/runtime/issues/36590
single-file：https://github.com/dotnet/designs/tree/master/accepted/2020/single-file
ELF文檔：https://refspecs.linuxbase.org/elf/elf.pdf
ELF維基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/ExecutableandLinkable_Format
Readelf：https://sourceware.org/binutils/docs/binutils/readelf.html
PE文檔：https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/debug/pe-format
PE Tools：https://github.com/petoolse/petools