doc/runtime

   1 * The Mono runtime
   2
   3         The Mono runtime implements a JIT engine for the CIL virtual
   4         machine (as well as a byte code interpreter, this is to
   5         quickly port it to new systems), the class loader, the garbage
   6         collector, threading system and metadata access libraries.
   7
   8         We currently have two runtimes:
   9
  10         <ul>
  11                 * <b>mono:</b> The Just In Time compiler implemented
  12                   using a BURS instruction selector.  We only support
  13                   x86 machines in the JIT engine at this point.
  14
  15                 * <b>mint:</b> The Mono interpreter.  This is an
  16                   easy-to-port runtime engine.
  17         </ul>
  18
  19         Currently we are using the Bohem conservative garbage
  20         collector, but we working on incorporating the ORP GC engine.
  21
  22 ** Executing MSIL/CIL images
  23
  24         The code will load an executable and map the references to
  25         external assemblies to our own version of the assemblies on
  26         Linux.
  27
  28         Our roadmap looks like this, this has been updated as of
  29         <b>Dec 18, 2001</b>:
  30
  31         <ul>
  32
  33                 * Milestone 1: <b>Done</b> Fully read and parse all CIL byte-codes
  34                   and metadata tokens (ie, a disassembler).
  35
  36                 * Milestone 2: <b>Done</b> Complete an interpreter for CIL byte
  37                   codes.  This interpreter can be used temporarly to
  38                   run CIL byte code on a system where no JIT is
  39                   available.
  40
  41                 * Milestone 3: <b>Done</b>Define an <i>lburg</i>-like
  42                   instruction selector for the JITer for Intel.
  43
  44                 * Milestone 4: <b>Done</b> Implement JITer.  This is where our
  45                   current efforts are focused on, the JITer currently runs
  46                   all of the code we have tested on it.  The major limitation
  47                   is that our class libraries are not complete, and hence not
  48                   every application can be ran.
  49
  50                 * Milestone 5: Port of the JITer to non IA32 systems.
  51         </ul>
  52
  53         A setup similar to the Kaffe JIT engine will be used to
  54         layout the code to support non-IA32 architectures.  Our work
  55         will be focused on getting a IA32 version running first.
  56
  57         The JIT engine works on Linux and Win32, although you
  58         will need to install the CygWin32 development tools to get a
  59         Unix-like compilation environment (mostly we use GNU make in
  60         a few of the makefiles).
  61
  62 ** JIT Engine (<b>updated, April 21, 2002</b>)
  63
  64         The JIT engine uses a code-generator generator approach for
  65         compilation.  Given the properties of CIL byte codes, we can
  66         take full advantage of a real instruction selector for our
  67         code generator.
  68
  69         The JIT engine implements a number of optimizations:
  70
  71         <ul>
  72                 * Opcode cost estimates (our architecture allows
  73                   us to generate different code paths depending
  74                   on the target CPU dynamically).
  75
  76                 * Inlining.
  77
  78                 * Constant folding.
  79
  80                   Although compilers typically do
  81                   constant folding, the combination of inlining with
  82                   constant folding gives some very good results.
  83         </ul>
  84
  85         There are a couple of books that deal with this technique: "A
  86         Retargetable C Compiler" and "Advanced Compiler Design and
  87         Implementation" are good references.  You can also get a
  88         technical description of <a
  89         href="http://research.microsoft.com/copyright/accept.asp?path=http://www.research.microsoft.com/~drh/pubs/iburg.pdf&pub=ACM">lbrug</a>.
  90
  91         A few papers that describe the instruction selector:
  92
  93         <ul>
  94                 * <a href="http://research.microsoft.com/copyright/accept.asp?path=http://www.research.microsoft.com/~drh/pubs/interface.pdf&pub=wiley">A code generation interface for ANSI C</a>
  95
  96
  97                 * <a href="http://research.microsoft.com/copyright/accept.asp?path=http://www.research.microsoft.com/~drh/pubs/iburg.pdf&pub=ACM">Engineering efficient code generators using tree matching and dynamic programming.</a>
  98
  99         </ul>
 100
 101 ** Future plans
 102
 103         We are evaluating the future directions for the JIT engine:
 104         both from our needs (optimizations like inlining, better register allocation,
 105         instruction scheduling, and porting to other CPUs).
 106
 107         We have not yet decided how we will evolve the JIT engine.  We
 108         might just upgrade our current architecture, and provide optimizations as
 109         an extra layer.
 110
 111 ** Garbage Collection
 112
 113         Currently we are using the Boehm conservative GC.  Although our plans
 114         are to move to the Intel ORP GC engine, our plans on a next generation
 115         dual-JIT engine have to be taken into account.
 116
 117         We will be using the Intel ORP GC engine as it provides a precise
 118         garbage collector engine, similar to what is available on the
 119         .NET environment.
 120
 121         Although using a conservative garbage collector like Bohem's
 122         would work, all the type information is available at runtime,
 123         so we can actually implement a better collector than a
 124         conservative collector.
 125
 126         <ul>
 127                 * Garbage collection list and FAQ:<br>
 128                   <a href="http://www.iecc.com/gclist/">http://www.iecc.com/gclist/</a>
 129
 130                 * "GC points in a Threaded Environment":<br>
 131                   <a href="http://research.sun.com/techrep/1998/abstract-70.html">
 132                   http://research.sun.com/techrep/1998/abstract-70.html</a>
 133
 134                 * "A Generational Mostly-concurrent Garbage Collector":
 135                   <a href="http://research.sun.com/techrep/2000/abstract-88.html">
 136                   http://research.sun.com/techrep/2000/abstract-88.html</a>
 137
 138                 * Details on The Microsoft .NET Garbage Collection Implementation:<br>
 139                   <a href="http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/dnmag00/html/GCI.asp">http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/dnmag00/html/GCI.asp</a>
 140                   <a href="http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/dnmag00/html/GCI2.asp">http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/dnmag00/html/GCI2.asp</a>
 141         </ul>
 142
 143 ** IO and threading
 144
 145         The ECMA runtime and the .NET runtime assume an IO model and a
 146         threading model that is very similar to the Win32 API.
 147
 148         Dick Porter has been working on the Mono abstraction layer
 149         that allows our runtime to execute code that depend on this
 150         behaviour.
 151
 152 ** Useful links
 153
 154         Paolo Molaro found a few interesting links:
 155
 156         <ul>
 157                 * On compilation of stack-based languages:<br>
 158                 <a href="http://www.complang.tuwien.ac.at/projects/rafts.html">
 159                 http://www.complang.tuwien.ac.at/projects/rafts.html</a>
 160
 161                 * A paper on fast JIT compilation of a stack-based language:<br>
 162                   <a href="http://www.research.microsoft.com/~cwfraser/pldi99codegen.pdf">
 163                   http://www.research.microsoft.com/~cwfraser/pldi99codegen.pdf</a>
 164
 165                 * Vmgen generates much of the code for efficient virtual machine (VM)
 166                   interpreters from simple descriptions of the VM instructions:<br>
 167                   <a href="http://www.complang.tuwien.ac.at/anton/vmgen/">
 168                   http://www.complang.tuwien.ac.at/anton/vmgen</a>
 169         </ul>
 170
 171 ** PInvoke
 172
 173         PInvoke is the mechanism we are using to wrap Unix API calls
 174         as well as talking to system libraries.
 175
 176         Initially we used libffi, but it was fairly slow, so we have
 177         reused parts of the JIT work to create efficient PInvoke trampolines.
 178
 179 ** Remoting
 180
 181         Mono has support for remoting and proxy objects, just like
 182         .NET does.  The runtime provides these facilities.
 183
 184 ** Porting
 185
 186         If you are interested in porting the Mono runtime to other
 187         platforms, you might find the pre-compiled <a
 188         href="archive/mono-tests.tar.gz">Mono regression test
 189         suite</a> useful to debug your implementation.
 190
 191 * COM and XPCOM
 192
 193         We plan on adding support for XPCOM on Unix and COM on Microsoft
 194         Windows later in our development process.
 195