.Net基礎——程式集與CIL_ZenDei技術網路在線

1. 程式集和CIL: 程式集是由.NET語言的編譯器接受源代碼文件產生的輸出文件，通常分為 exe和dll兩類，其中exe包含Main入口方法可以雙擊執行，dll則需要被其他程式集調用執行。 CIL（Common Intermediate Language): 公共中間語言①，需要被編譯成二進位機 ...

1. 程式集和CIL:

程式集是由.NET語言的編譯器接受源代碼文件產生的輸出文件，通常分為 exe和dll兩類，其中exe包含Main入口方法可以雙擊執行，dll則需要被其他程式集調用執行。
CIL（Common Intermediate Language): 公共中間語言^①，需要被編譯成二進位機器碼之後才會被電腦執行。

2. 程式集包含:

程式的CIL
程式中使用的類型的元數據(metadata)
程式集清單
一些資源集

程式被編譯成程式集（exe為例）之後，雙擊運行，程式集會被載入入CLR,CLR執行下麵的步驟：
　　1.檢查程式集的安全特性。
　　2.進行記憶體分配。
　　3.把程式集中的可執行代碼發送給JIT（Just-in-Time）編譯器，把其中的一部分代碼編譯成為本機代碼。
其中，JIT只會編譯被調用的部分CIL代碼，並把編譯的結果緩存起來，以備在後面的程式中的多次調用。這保證了編譯與運行的效率。

經過JIT編譯之後的代碼即是本機代碼，本機代碼最終被CPU執行。

我們通過一段簡單的代碼來加深理解：

1. 打開VS，用C#編寫一段如下程式:

using System;

namespace ILTest
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello Fred");
            Console.Read();
        }
    }
}

2. 使用 ILASM^② 工具將程式集反編譯為IL(也可生成為ILTest.txt，尾碼名不影響文本文件內容)：

ildasm ILTest.exe /output:ILTest.IL

生成文本文件如下：

 1 //  Microsoft (R) .NET Framework IL Disassembler.  Version 4.6.1055.0
 2 
 3 // Metadata version: v4.0.30319
 4 .assembly extern mscorlib
 5 {
 6   .publickeytoken = (B7 7A 5C 56 19 34 E0 89 )                         // .z\V.4..
 7   .ver 4:0:0:0
 8 }
 9 .assembly ILTest
10 {
11   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.CompilationRelaxationsAttribute::.ctor(int32) = ( 01 00 08 00 00 00 00 00 ) 
12   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.RuntimeCompatibilityAttribute::.ctor() = ( 01 00 01 00 54 02 16 57 72 61 70 4E 6F 6E 45 78   // ....T..WrapNonEx
13                                                                                                              63 65 70 74 69 6F 6E 54 68 72 6F 77 73 01 )       // ceptionThrows.
14 
15   // --- 下列自定義特性會自動添加，不要取消註釋 -------
16   //  .custom instance void [mscorlib]System.Diagnostics.DebuggableAttribute::.ctor(valuetype [mscorlib]System.Diagnostics.DebuggableAttribute/DebuggingModes) = ( 01 00 07 01 00 00 00 00 ) 
17 
18   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyTitleAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 06 49 4C 54 65 73 74 00 00 )                // ...ILTest..
19   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyDescriptionAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 00 00 00 ) 
20   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyConfigurationAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 00 00 00 ) 
21   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyCompanyAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 00 00 00 ) 
22   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyProductAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 06 49 4C 54 65 73 74 00 00 )                // ...ILTest..
23   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyCopyrightAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 12 43 6F 70 79 72 69 67 68 74 20 C2 A9 20   // ...Copyright .. 
24                                                                                                   20 32 30 31 38 00 00 )                            //  2018..
25   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyTrademarkAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 00 00 00 ) 
26   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.InteropServices.ComVisibleAttribute::.ctor(bool) = ( 01 00 00 00 00 ) 
27   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.InteropServices.GuidAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 24 38 34 66 35 62 34 30 65 2D 39 31 61 65   // ..$84f5b40e-91ae
28                                                                                                   2D 34 62 66 63 2D 61 62 38 39 2D 34 61 30 66 66   // -4bfc-ab89-4a0ff
29                                                                                                   66 36 64 30 38 31 61 00 00 )                      // f6d081a..
30   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyFileVersionAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 07 31 2E 30 2E 30 2E 30 00 00 )             // ...1.0.0.0..
31   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.Versioning.TargetFrameworkAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 1C 2E 4E 45 54 46 72 61 6D 65 77 6F 72 6B   // ....NETFramework
32                                                                                                         2C 56 65 72 73 69 6F 6E 3D 76 34 2E 36 2E 31 01   // ,Version=v4.6.1.
33                                                                                                         00 54 0E 14 46 72 61 6D 65 77 6F 72 6B 44 69 73   // .T..FrameworkDis
34                                                                                                         70 6C 61 79 4E 61 6D 65 14 2E 4E 45 54 20 46 72   // playName..NET Fr
35                                                                                                         61 6D 65 77 6F 72 6B 20 34 2E 36 2E 31 )          // amework 4.6.1
36   .hash algorithm 0x00008004
37   .ver 1:0:0:0
38 }
39 .module ILTest.exe
40 // MVID: {90543B0E-D1B4-4FFF-9260-57E27FBC4F8B}
41 .imagebase 0x00400000
42 .file alignment 0x00000200
43 .stackreserve 0x00100000
44 .subsystem 0x0003       // WINDOWS_CUI
45 .corflags 0x00020003    //  ILONLY 32BITPREFERRED
46 // Image base: 0x00960000
47 
48 
49 // =============== CLASS MEMBERS DECLARATION ===================
50 
51 .class public auto ansi beforefieldinit ILTest.Program
52        extends [mscorlib]System.Object
53 {
54   .method public hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
55   {
56     .entrypoint
57     // 代碼大小       19 (0x13)
58     .maxstack  8
59     IL_0000:  nop
60     IL_0001:  ldstr      "Hello Fred"
61     IL_0006:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
62     IL_000b:  nop
63     IL_000c:  call       int32 [mscorlib]System.Console::Read()
64     IL_0011:  pop
65     IL_0012:  ret
66   } // end of method Program::Main
67 
68   .method public hidebysig specialname rtspecialname 
69           instance void  .ctor() cil managed
70   {
71     // 代碼大小       8 (0x8)
72     .maxstack  8
73     IL_0000:  ldarg.0
74     IL_0001:  call       instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
75     IL_0006:  nop
76     IL_0007:  ret
77   } // end of method Program::.ctor
78 
79 } // end of class ILTest.Program
80 
81 
82 //

View Code

其中包含了程式的元數據，程式集清單和一些其他資源信息。

它們描述並組成了這段程式的類型信息，安全信息，版本信息以及對其它程式集的引用信息等，使得程式集擁有了自我描述的特性。其中，元數據是反射得以實現的重要條件。

除此之外還包含了IL代碼，IL是經過編譯器（這裡是csc）編譯產生的中間語言代碼。

我們可以通過修改IL代碼來控製程序的執行：

打開生成的文本文件，將Main方法中的輸出字元串修改為"Hello Tommy"：

使用ILASM工具將IL文件重新編譯成ILTest2.exe：

雙擊運行exe結果如下：

也許你會覺得納悶，為什麼要把源代碼先翻譯成CIL再翻譯成本機代碼，而不是一步到位呢？？

當程式被編譯成程式集之後就脫離了語言的限制，.NET平臺下的語言通過程式集的調用突破了語言的阻礙。

例如C#程式可以調用VB生成的程式集，將語言的特殊性轉換成了CIL這一通用且規範的概念，好比全國各個地方的人講著不同的方言，彼此之間難以溝通，但是先講方言翻譯成了CIL之一普通話，從此便消除了語言的障礙。

除此之外，如果直接從高級語言編譯成機器語言，不同廠商生成的CPU讀取不同的指令，如果有x門高級語言，有y種讀取不同指令集的CPU，那麼需要有x*y種編譯器去將不同的語言與CPU指令一一匹配。

有了CIL之後，我們只需x種編譯器將高級語言轉換成CIL，再經過y種編譯器將CIL轉換成二進位指令。一共僅需要x+y種不同的編譯器。

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註：①公共中間語言在一些地方也被叫做MSIL(Microsoft Intermediate Language)或IL(Intermediate Language)。本文中的CIL,IL,MSIL指的都是公共中間語言這一概念。

　　②ILASM和ILDASM工具詳見：here