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C#中CLR(公共语言运行时)与IL(中间代码)

2016年05月20日 .Net ⁄ 共 3369字 ⁄ 字号 暂无评论

.net平台中的CLR

首先要说明的是,.NET平台与C#不是一回事 它是C#,VB.net等程序运行的平台。

CLR是公共语言运行时,是 .NET Framework的重要组成部分。它提供了内存管理、线程管理和异常处理等服务,而且还负责对代码实施严格的类型安全检查,保证了代码的正确性。

事实上,类型安全(Type Checker)、垃圾回收(Garbage Collector)、异常处理(Exception Manager)、向下兼容(COM Marshaler)等很多C#中的特性都是由CLR来提供的。

什么是IL

.NET Framework是架构在Windows平台上的一个虚拟的运行平台,你可以想象将最下层Windows换做其他的操作系统,例如说Linux,一样可以实现使用符合CLS(Common Language Specification,通用语言规范)的.NET语言,这其实就是Mono计划要实现的功能。因而,理论上,C#是一种可以跨平台的语言。

C#另一个比较象Java的地方是,它也是一种(特殊意义上的)语言,同Java一样,C#编写的程序代码也是先通过C#编译器编译为一种特殊的字节代码, (Microsoft Intermediate Language,MSIL,微软)中间语言,运行时再经由特定的编译器(JIT编译器,Just In tIME, JITer)编译为机器代码,以供操作系统执行。(关于JIT的介绍。可以看这篇博客,请点这里

IL是一门中间语言 ,.NET平台上的各种高级语言(如C#,VB,F#)的编译器会将各自的文字表述方式转化为IL。各种不同的文字形式最终被统一到了IL的表述方式

CLR加载了IL之后,当每个方法第一次被执行时,就会使用JIT将IL代码进行编译为机器码,机器码和汇编其实也是一一对应的,可以这样理解:汇编是机器码的文字表现形式,提供了一些方便人们记忆的“助记符”。

对于同样的IL,JIT会把它为不同的CPU架构(如x86/IA64等等)生成不同的机器码。

C#代码及其对应的IL中间代码

这里写图片描述

//hidebysig指令表示如果当前类为父类,用该指令标记的方法将不会被子类继承
//cil managed表明方法体中的代码是IL代码,且是托管代码,即运行在CLR运行库上的代码
.method private hidebysig static void Main(string[] args)cil managed
{
    .entrypoint //该指令代表该函数程序的入口函数。每一个托管应用程序都有且只有一个入口函数,CLR加载程序时,首先从.entrypoint函数开始执行。
    .maxstack 2 //执行构造函数时,评估堆栈可容纳数据项的最大个数。评估堆栈是保存方法中所需要变量的值的一个内存区域,该区域在方法执行结束时会被清空,或者存储一个返回值。
    .locals init (
        [0] int32 num,
        [1] int32 num2,
        [2] int32 num3) //表示定义int类型的变量,变量名分别为num,num2,num3。存储在调用栈。
    L_0000: nop  //No operation的意思,即没有任何操作。
    L_0001: ldc.i4.1  //将“1”压入评估栈,此时“1”处于评估栈的栈顶。
    L_0002: stloc.0  //此指令表示把值从评估栈中弹出,并赋值给调用栈的第0个变量num。
    L_0003: ldc.i4.2 
    L_0004: stloc.1 
    L_0005: ldc.i4.3 
    L_0006: stloc.2 //从.locals init到L_0006,相当于C#代码的为i,j,k赋值。
    L_0007: ldloc.0  //取调用栈中位置为0的元素压入评估栈(取i的值)。
    L_0008: ldloc.1  //取调用栈中位置为1的元素压入评估栈(取j的值)。
    L_0009: add  //做加法操作
    L_000a: ldloc.2 //取调用栈中位置为2的元素压入评估栈(取k的值)。
    L_000b: add  //做加法操作
    L_000c: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32) //调用输出方法
    L_0011: nop  //No Operation
    L_0012: call valuetype [mscorlib]System.ConsoleKeyInfo [mscorlib]System.Console::ReadKey() //调用ReadKey方法
    L_0017: pop //把评估栈的内容清空
    L_0018: ret  //return 标记返回值
} //Main方法结束

通过上面的代码,我们可以总结一下: .maxstack:代码中变量需要在调用栈(Call Stack)中占用几个位置; .locals int(……):定义变量初始化并放入调用栈中(Call Stack); nop:No Operation,没有任何操作; ldstr:Load String,把字符串压入评估栈(Evaluation Stack)中; ldc.i4.1:把数值2以4字节长度整数的形式压入评估栈; stloc:把评估栈(Evaluation)中的值弹出赋值到调用栈中(Call Stack); ldloc:把调用栈(Call Stack)中指定位置的值取出(Copy)压入评估栈(Evaluation Stack)中; call:调用指定的方法,这个指令一般用于调用静态方法;而callvir则一般用于调用实例方法; ret:return ,标记返回。

下面再看一个例子


 namespace TestConsole
{
    class Program
    {
        [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
        private static void SomeMethod()
        {
            Console.WriteLine("Hello World!");
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Before JITed.");
            Console.ReadLine();

            SomeMethod();

            Console.WriteLine("After JITed");
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

与之相对应的main方法IL代码:

.method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
{
    .entrypoint
    .maxstack 8
    // 分配字符串"Before JITed"
    L_0000: ldstr "Before JITed."
    // 调用Console.WriteLine方法
    L_0005: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
    // 调用Console.ReadLine方法
    L_000a: call string [mscorlib]System.Console::ReadLine()
    L_000f: pop 
    // 调用Program.SomeMethod方法
    L_0010: call void TestConsole.Program::SomeMethod()
    // 分配字符串"After JITed"
    L_0015: ldstr "After JITed"
    // 调用Console.WriteLine方法
    L_001a: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
    // 调用Console.ReadLine方法
    L_001f: call string [mscorlib]System.Console::ReadLine()
    L_0024: pop 
    L_0025: ret 
}