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一步步教你读懂NET中IL(图文详解)

发布于:2016-04-26 19:56:34   分享到:

接触NET也有1年左右的时间了,NET的内部实现对我产生了很大的吸引力。个人觉得:能对这些底部的实现进行了解和熟练的话,对以后自己写代码是有很大帮助的,好了,废话不多说,请看下边:

.NET CLR 和 Java VM 都是堆叠式虚拟机器(Stack-Based VM),也就是说,它们的指令集(Instruction Set)都是采用堆叠运算的方式:执行时的资料都是先放在堆叠中,再进行运算。JavaVM 有约 200 个指令(Instruction),每个指令都是 1 byte 的 opcode(操作码),后面接不等数目的参数;.NET CLR 有超过 220个指令,但是有些指令使用相同的 opcode,所以 opcode 的数目比指令数略少。特别注意,.NET 的 opcode 长度并不固定,大部分的 opcode 长度是 1 byte,少部分是 2 byte。

下面是一个简单的 C# 原始码:????????????????
代码如下:
using System;
public class Test {
??? public static void Main(String[] args) {
??????? int i=1;
??????? int j=2;
??????? int k=3;
??????? int answer = i+j+k;
??????? Console.WriteLine("i+j+k="+answer);
??? }
}

将此原始码编译之后,可以得到一个 EXE的程序。我们可以通过 ILDASM.EXE(图-0) 来反编译 EXE 以观察IL。我将 Main() 的 IL 反编译条列如下,这里共有十八道IL 指令,有的指令(例如 ldstr 与 box)后面需要接参数,有的指令(例如 ldc.i4.1 与与add)后面不需要接参数。


图-0
ldc.i4.1
stloc.0
ldc.i4.2
stloc.1
ldc.i4.3
stloc.2
ldloc.0
ldloc.1
add
ldloc.2
add
stloc.3
ldstr????? "i+j+k="
ldloc.3
box??????? [mscorlib]System.Int32
call?????? string [mscorlib]System.String::Concat(object, object)
call?????? void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
ret

此程式执行时,关键的记忆体有三种,分别是:

1、Managed Heap:这是动态配置(Dynamic Allocation)的记忆体,由 Garbage Collector(GC)在执行时自动管理,整个Process 共用一个 Managed Heap。

2、Call Stack:这是由 .NET CLR 在执行时自动管理的记忆体,每个 Thread 都有自己专属的 Call Stack。每呼叫一次 method,就会使得Call Stack 上多了一个 Record Frame;呼叫完毕之后,此 Record Frame 会被丢弃。一般来说,Record Frame 内记录着 method 参数(Parameter)、返回位址(Return Address)、以及区域变数(Local Variable)。Java VM 和 .NET CLR 都是使用 0, 1, 2… 编号的方式来识别区别变数。

3、Evaluation Stack:这是由 .NET CLR 在执行时自动管理的记忆体,每个 Thread 都有自己专属的 Evaluation Stack。前面所谓的堆叠式虚拟机器,指的就是这个堆叠。

后面有一连串的示意图,用来解说在执行时此三种记忆体的变化。首先,在进入 Main() 之后,尚未执行任何指令之前,记忆体的状况如图1 所示:

图1????????????????

接着要执行第一道指令 ldc.i4.1。此指令的意思是:在 Evaluation Stack 置入一个 4 byte 的常数,其值为 1。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图2 所示:

ldc.i4.1:表示加载一个值为1到堆栈中,该条指令的语法结构是:
ldc.typevalue:ldc指令加载一个指定类型的常量到stack.
ldc.i4.number:ldc指令更加有效.它传输一个整型值-1以及0到8之间的整数给计算堆栈

图2???????

接着要执行第二道指令 stloc.0。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 取出一个值,放到第 0 号变数(V0)中。这里的第 0 号变数其实就是原始码中的i。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图3 所示:

图3????????????????

后面的第三道指令和第五道指令雷同於第一道指令,且第四道指令和第六道指令雷同於第二道指令。为了节省篇幅,我不在此一一赘述。提醒大家第 1 号变数(V1)其实就是原始码中的 j,且第 2 号变数(V2)其实就是源码中的 k。图4~7 分别是执行完第三~六道指令之后,记忆体的变化图:

图4????????????????

图5


图6


图7

接着要执行第七道指令 ldloc.0 以及第八道指令 ldloc.1:分别将 V0(也就是 i)和 V1(也就是 j)的值放到 Evaluation Stack,这是相加前的准备动作。图8 与图9 分别是执行完第七、第八道指令之后,记忆体的变化图:

图8


图9

接着要执行第九道指令 add。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 取出两个值(也就是 i 和 j),相加之后将结果放回 Evaluation?Stack 中。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图10 所示:


图10

接着要执行第十道指令 ldloc.2。此指令的意思是:分别将 V2(也就是 k)的值放到 Evaluation Stack,这是相加前的准备动作。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图11 所示:


图11

接着要执行第十一道指令 add。从 Evaluation Stack 取出两个值,相加之后将结果放回 Evaluation Stack 中,此为 i+j+k 的值。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图12 所示:


图12

接着要执行第十二道指令 stloc.3。从 Evaluation Stack 取出一个值,放到第 3 号变数(V3)中。这里的第3号变数其实就是原始码中的 answer。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图13 所示:


图13

接着要执行第十三道指令 ldstr "i+j+k="。此指令的意思是:将 "i+j+k=" 的 Reference 放进 Evaluation Stack。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图14 所示:


图14

接着要执行第十四道指令 ldloc.3。将 V3 的值放进 Evaluation Stack。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图15 所示:


图15

接着要执行第十五道指令 box [mscorlib]System.Int32,从此处可以看出,int到string实际是进行了装箱操作的,所以会有性能损失,可以在以后的编码中减少装箱操作来提高性能。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 中取出一个值,将此 Value Type 包装(box)成为 Reference Type。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图16 所示:


图16

接着要执行第十六道指令 call string [mscorlib] System.String::Concat(object, object)。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 中取出两个值,此二值皆为 Reference Type,下面的值当作第一个参数,上面的值当作第二个参数,呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.String.Concat() method 来将此二参数进行字串接合(String Concatenation),将接合出来的新字串放在 Managed Heap,将其 Reference 放进 Evaluation Stack。值得注意的是:由於 System.String.Concat() 是 static method,所以此处使用的指令是 call,而非 callvirt(呼叫虚拟)。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图17 所示:


图17

请注意:此时 Managed Heap 中的 Int32(6) 以及 String("i+j+k=") 已经不再被参考到,所以变成垃圾,等待 GC 的回收。

接着要执行第十七道指令 call void [mscorlib] System.Console::WriteLine(string)。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 中取出一个值,此值为 Reference Type,将此值当作参数,呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.Console.WriteLine() method 来将此字串显示在 Console 视窗上。System.Console.WriteLine() 也是 static method。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图18 所示:

图18

接着要执行第十八道指令 ret。此指令的意思是:结束此次呼叫(也就是 Main 的呼叫)。此时会检查 Evaluation Stack 内剩下的资料,由於 Main() 宣告不需要传出值(void),所以 Evaluation Stack 内必须是空的,本范例符合这样的情况,所以此时可以顺利结束此次呼叫。而 Main 的呼叫一结束,程式也随之结束。执行完此道指令之后(且在程式结束前),记忆体的变化如图19 所示:

图19

通过此范例,读者应该可以对于 IL 有最基本的认识。对 IL 感兴趣的读者应该自行阅读 Serge Lidin 所着的《Inside Microsoft .NET IL Assembler》(Microsoft Press 出版)。我认为:熟知 IL 每道指令的作用,是 .NET 程式员必备的知识。.NET 程式员可以不会用 IL Assembly 写程式,但是至少要看得懂 ILDASM 反编译出来的 IL 组合码。

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NET

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