通過MSIL了解CLR的運(yùn)行原理
作者： Wednesday, April 17 2002 2:12 PM



作為.NET最低層次的公共基礎(chǔ)，微軟中介語(yǔ)言（MSIL或IL）對(duì)一般開發(fā)者具有非常重要的意義。除了好奇心以外，仔細(xì)研究應(yīng)用程序的IL能讓你更為清楚地了解到公共語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)（CLR）執(zhí)行高級(jí)C#或VB.NET代碼的基本原理，從而有助于你發(fā)現(xiàn)和解決一些比較細(xì)微的問題。

在這篇文章里，我將引領(lǐng)讀者了解IL，學(xué)習(xí)有關(guān)的一些關(guān)鍵指令，同時(shí)對(duì)CLR的操作機(jī)理做一點(diǎn)基礎(chǔ)性解釋。我不打算教你用IL編程，而是分析一些IL語(yǔ)法和語(yǔ)句使你對(duì)IL有更多了解。

ILDASM簡(jiǎn)介
微軟的IL拆卸實(shí)用程序Ildasm.exe（通常位于\Program Files\Microsoft.Net\FrameworkSDK\Bin目錄下）可以析構(gòu).NET assembly（裝配）、根據(jù)你的要求從程序中抽取IL代碼。對(duì)某一assembly調(diào)用該使用程序后，ILDASM會(huì)給出該assembly中所有類和名稱空間的一個(gè)視圖，如圖A所示：


/article/UploadPic/200671911658800.gif
圖A


ILDASM瀏覽assembly

當(dāng)你進(jìn)到某個(gè)類的成員或其方法，ILDASM就會(huì)為你顯示該成員的IL代碼。如果之前你曾經(jīng)看到過匯編器或J++字節(jié)碼，那么IL可能在你看來會(huì)覺得有點(diǎn)眼熟。在另一方面，如果你僅對(duì)抽象的高級(jí)程序語(yǔ)言有所了解，那么IL看起來更像是胡言亂語(yǔ)。

好，現(xiàn)在你知道如何窺視assembly的IL代碼了，但這些代碼都意味著什么呢？在回答這個(gè)問題之前，首先讓我們先來了解下CLR的有關(guān)知識(shí)。

虛擬CPU
對(duì).NET程序來說，.NET CLR在功能上就如同一塊虛擬的CPU，它執(zhí)行IL代碼、操作數(shù)據(jù)。CLR和真實(shí)的CPU類似之處在于它們都不直接操作內(nèi)存中的變量而是使用程序變量的臨時(shí)拷貝，CLR把這些程序變量存放在堆棧上。從內(nèi)存拷貝某個(gè)變量到堆棧的行為稱做裝載（loading），而從堆棧拷回某個(gè)變量到內(nèi)存的行為則被稱做存儲(chǔ)（storing）。

所以把兩個(gè)數(shù)字相加的過程應(yīng)該是這樣的：

1.裝載第1個(gè)數(shù)字并把它推入堆棧。

2.裝載第2個(gè)數(shù)字并把它推入堆棧。

3.從堆棧中取出這兩個(gè)數(shù)字并把它們相加。

4.把結(jié)果存儲(chǔ)到內(nèi)存。

什么是堆棧？
理解IL的關(guān)鍵是知道堆棧的工作原理。堆棧是一種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其操作機(jī)理是后進(jìn)先出。當(dāng)你把新條目推進(jìn)堆棧時(shí)，已經(jīng)在堆棧內(nèi)的任何條目都會(huì)壓到堆棧的深處。同樣的，把一個(gè)條目從堆棧移出則會(huì)讓堆棧內(nèi)的其他條目都向堆棧的頂部移動(dòng)。只有堆棧最頂端的條目能從堆棧中取出，條目離開堆棧的順序和它們被推進(jìn)堆棧的順序一樣。你不妨回想下自動(dòng)售貨機(jī)的裝貨和取貨過程就明白了。

重要的IL語(yǔ)句
既然你已經(jīng)明白了CLR操作的基礎(chǔ)知識(shí)，下面我們就接著討論你面前的那些代碼。怎么？沒有看到什么代碼？那么請(qǐng)你看看這里列出的IL代碼。

Sidebar A: Sample IL listing


.method private instance voidListen() cil managed
{
// Code size 169 (0xa9)
.maxstack4
.locals init ([0] unsigned int8[] buff,
 [1] class [System]System.Net.Sockets.NetworkStream ChatStream,
 [2] class [System]System.Net.Sockets.TcpClient RemoteClient,
 [3] string strHandle,
 [4] class Chat.ChatServer/TextRelayer 'handler',
 [5] class [mscorlib]System.Threading.Thread t)
IL_0000:nop
IL_0001:nop
.try
{
IL_0002:br IL_0091
IL_0007:ldarg.0
IL_0008:ldfldclass [System]System.Net.Sockets.TcpListener Chat.ChatServer::Listener
IL_000d:callvirt instance class [System]System.Net.Sockets.TcpClient [System]System.Net.Sockets.TcpListener::AcceptTcpClient()
IL_0012:stloc.2
IL_0013:ldloc.2
IL_0014:callvirt instance class [System]System.Net.Sockets.NetworkStream [System]System.Net.Sockets.TcpClient::GetStream()
IL_0019:stloc.1
IL_001a:ldc.i4.s 26
IL_001c:newarr [mscorlib]System.Byte
IL_0021:stloc.0
IL_0022:ldloc.1
IL_0023:ldloc.0
 IL_0024:ldc.i4.0
IL_0025:ldc.i4.s 24
IL_0027:callvirt instance int32 [System]System.Net.Sockets.NetworkStream::Read(unsigned int8[],
 int32,
int32)
IL_002c:pop
IL_002d:call class [mscorlib]System.Text.Encoding [mscorlib]System.Text.Encoding::get_ASCII()
IL_0032:ldloc.0
IL_0033:callvirt instance string [mscorlib]System.Text.Encoding::GetString(unsigned int8[])
IL_0038:stloc.3
IL_0039:ldarg.0
IL_003a:ldfldclass Chat.ChatServer/IncomingChatRequest Chat.ChatServer::RequestConnect
IL_003f:ldloca.s strHandle
IL_0041:callvirt instance bool Chat.ChatServer/IncomingChatRequest::Invoke(string&)
IL_0046:brtrue.s IL_0051
IL_0048:ldloc.2
IL_0049:callvirt instance void [System]System.Net.Sockets.TcpClient::Close()
IL_004e:nop
IL_004f:br.s IL_008f
IL_0051:nop
IL_0052:ldloca.s strHandle
IL_0054:ldarg.0
IL_0055:ldflda class Chat.ChatServer/IncomingText Chat.ChatServer::RelayText
IL_005a:ldloca.s ChatStream
IL_005c:newobj instance void Chat.ChatServer/TextRelayer::.ctor(string&,
class Chat.ChatServer/IncomingText&,
class [System]System.Net.Sockets.NetworkStream&)
IL_0061:stloc.s'handler'
IL_0063:ldloc.s'handler'
IL_0065:dup
IL_0066:ldvirtftninstance void Chat.ChatServer/TextRelayer::HandleChat()
IL_006c:newobj instance void [mscorlib]System.Threading.ThreadStart::.ctor(object,
 native int)
IL_0071:newobj instance void [mscorlib]System.Threading.Thread::.ctor(class [mscorlib]System.Threading.ThreadStart)
IL_0076:stloc.st
IL_0078:ldarg.0
IL_0079:ldfldclass [System]System.Collections.Specialized.ListDictionary Chat.ChatServer::ChatThreads
IL_007e:ldloc.3
IL_007f:ldloc.st
IL_0081:callvirt instance void [System]System.Collections.Specialized.ListDictionary::Add(object,
object)
IL_0086:nop
IL_0087:ldloc.st
IL_0089:callvirt instance void [mscorlib]System.Threading.Thread::Start()
IL_008e:nop
IL_008f:nop
IL_0090:nop
IL_0091:ldc.i4.1
IL_0092:brtrue IL_0007
IL_0097:leave.sIL_00a6
}// end .try
finally
{
IL_0099:nop
IL_009a:ldstr"Listener Thread Aborted."
IL_009f:call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_00a4:nop
IL_00a5:endfinally
}// end handler
IL_00a6:nop
IL_00a7:nop
IL_00a8:ret
} // end of method ChatServer::Listen





你首先看見的是對(duì)當(dāng)前方法的IL聲明，其中包括方法的名字，返回類型、參數(shù)列表以及附著于該方法的其他修飾關(guān)鍵詞（static/shared、public、virtual等等）。對(duì)象構(gòu)造器則被賦給一個(gè)特殊的名字：.ctor。

在IL中，方法參數(shù)按照它們?cè)趨��?shù)列表中的位置依次被引用。如果方法是靜態(tài)或共享方法，那么參數(shù)0則是參數(shù)列表中的第1個(gè)參數(shù)。而對(duì)實(shí)例方法來說，參數(shù)0則是指向該方法所在類的實(shí)例的指針（Me或者this）。方法中的所有局部變量都在.locals標(biāo)記的段落中以同樣的方式聲明。

在聲明所有的局部變量以后，程序的實(shí)際正文才開始。每條IL指令，或opcode都可以根據(jù)你的喜好以一個(gè)IL_ 標(biāo)記作為代碼行開頭。我們接下來再了解些更重要的IL指令。

變量用法
以LD開頭的指令把變量從內(nèi)存裝載到堆棧供其操作。裝載指令有若干條，每一條裝載指令都操作特定類型的變量。以下就是其中的一些裝載指令：

LDC把一個(gè)數(shù)字常數(shù)裝入堆棧。這條指令有兩個(gè)修飾詞。第一個(gè)是類型標(biāo)識(shí)符，第二個(gè)是實(shí)際的數(shù)值。
LDLOC把一個(gè)局部變量裝入堆棧。另外還有一條LDLOCA指令把一個(gè)局部變量的地址（而非變量的內(nèi)容）裝入堆棧。變量由它們?cè)?locals節(jié)的位置標(biāo)識(shí)。這些指令裝載位置4及以后位置使用不同的語(yǔ)法，但是索引號(hào)會(huì)出現(xiàn)在指令中。
LDARG裝載成員的一個(gè)參數(shù)，而LDARGA指令則裝載參數(shù)的地址。變量由它們?cè)?locals節(jié)中的位置標(biāo)識(shí)。這些指令裝載位置4及以后位置使用不同的語(yǔ)法，但是索引號(hào)仍然出現(xiàn)在指令中。
LDELEM把數(shù)組元素裝入堆棧而且通常先于表示這個(gè)索引的其他裝載語(yǔ)句之前使用。
LDLEN把一個(gè)數(shù)組的長(zhǎng)度裝入堆棧。
LDFLD和LDSFLD把類域（成員變量）和靜態(tài)類域裝入堆棧。域由一個(gè)全名識(shí)別。
每一條裝載指令都有對(duì)應(yīng)的一條存儲(chǔ)指令，后者以ST開頭，負(fù)責(zé)把一個(gè)條目存入內(nèi)存。例如，STLOC就負(fù)責(zé)把堆棧最頂端的條目存入一個(gè)局部變量。存儲(chǔ)指令指定變量的句法規(guī)則通常和它們對(duì)應(yīng)的裝載指令類似。

比較操作
如果你不能比較兩個(gè)值而且根據(jù)其比較結(jié)果做出決定，那么許多問題都無法用任何程序語(yǔ)言來解決。IL有一套比較操作符，它們都以C字母開頭，比較堆棧中的值。通常，如果比較結(jié)果為真則會(huì)把1推入堆棧否則就推入0。

大多數(shù)這類指令都很容易由它們的名字區(qū)分出來。例如，CEQ比較兩個(gè)值是否相等，而CGT則確定堆棧最頂端的值是否比第二個(gè)最頂端值更大。 CLT類同于CGT，不過執(zhí)行的是小于比較操作。

Goto
通常，在對(duì)兩個(gè)值進(jìn)行比較之后會(huì)根據(jù)比較的結(jié)果結(jié)果實(shí)施一些操作。IL分支指令（以BR開頭）根據(jù)堆棧最頂端的條目中的內(nèi)容跳到其他指令。BRTRUE 和BRFALSE彈出堆棧最頂端的條目，然后根據(jù)該項(xiàng)為真（1）還是為假（0）而分別跳到指定的代碼行。如果沒有執(zhí)行指令跳躍則繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。另外還有一個(gè)無條件分支操作符BR，它總是跳到指定的代碼行。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)分支操作就好像源代碼中的if語(yǔ)句以及顯式執(zhí)行的Goto操作。IL中的分支命令同樣具有高級(jí)流程控制結(jié)構(gòu)的對(duì)等體，比如：if, case, while, for等等。

創(chuàng)造新對(duì)象和調(diào)用其他代碼
CALL和CALLVIRT指令調(diào)用其他方法和函數(shù)。CALL通常表示被調(diào)用的方法是靜態(tài)的或共享的，而CALLVIRT則用于實(shí)例方法。就兩種指令來說，方法的名字都會(huì)在指令中包括。被送到方法的任何參數(shù)都會(huì)被彈出堆棧而且要在方法被調(diào)用之前裝載。

因?yàn)閯?chuàng)建一個(gè)新對(duì)象需要調(diào)用構(gòu)造器，所以IL的對(duì)象創(chuàng)建也類似于其他的方法調(diào)用。參數(shù)首先被裝載到堆棧，然后執(zhí)行NEWOBJ指令，它調(diào)用對(duì)象的構(gòu)造器同時(shí)把對(duì)象的索引放回堆棧。指令中得有對(duì)象的名字。

以上就是大致的IL語(yǔ)法操作。除了滿足你內(nèi)心的求知欲望以外，我希望你能從我的闡述中得到足夠的信息來理解IL代碼的真實(shí)含義。