簡單介紹托管執行和 CLI_ZenDei技術網路在線

[toc] 處理器不能直接解釋程式集。程式集用的是另一種語言，即公共中間語言（Common Intermediate Language，CIL），或稱為中間語言（IL）[^1]。 [^1]: CIL 的第三種說法是 Microsoft IL（MSIL）。本博客使用 CIL 一詞，因其是 CLI 標 ...

CIL 和 ILDASM
查看 myApp.dll 的 CIL 輸出
使用 ILSpy 查看 myApp.dll 反編譯後的代碼

處理器不能直接解釋程式集。程式集用的是另一種語言，即公共中間語言（Common Intermediate Language，CIL），或稱為中間語言（IL）¹。

C# 編譯器將 C# 源代碼文件轉換成中間語言。為了將 CIL 代碼轉換成處理器能理解的機器碼，還要完成一個額外的步驟（通常在運行時進行）。該步驟涉及 C# 程式執行的一個重要元素：VES（Virtual Execution System，虛擬執行系統）。VES 也稱為運行時（runtime）。

它根據需要編譯 CIL 代碼，這個過程稱為即時編譯或 JIT 編譯（just-in-time compilation）。如代碼在像“運行時”這樣的一個“代理” 的上下文中執行，就稱為托管代碼（managed code），在“運行時”的控制下執行的過程則稱為托管執行（managed execution）。

之所以稱為“托管”，是因為“運行時”管理著諸如記憶體分配、安全性和 JIT 編譯等方面，從而控制了主要的程式行為。執行時不需要“運行時”的代碼稱為本機代碼（native code）或非托管代碼（unmanaged code）。

說明：“運行時”既可能指“程式執行的時候”，也可能指“虛擬執行系統”。為明確起見，用“執行時”表示“程式執行的時候”，用“運行時”表示負責管理 C# 程式執行的代理。²

“運行時”規範包含在一個包容面更廣的規範中，即 CLI（Common Language Infrastructure，公共語言基礎結構）規範。作為國際標準，CLI 包含了以下幾方面的規範：

VES 或“運行時”。
CIL。
支持語言互操作性的類型系統，稱為 CTS（Common Type System，公共類型系統）。
如何編寫通過 CLI 相容語言訪問的庫的指導原則，這部分內容具體放在公共語言規範（Common Language Specification，CLS）中。
使各種服務能被 CLI 識別的元數據（包括程式集的佈局或文件格式規範）。
在“運行時”執行引擎的上下文中運行，程式員不需要直接寫代碼就能使用幾種服務和功能，包括：
- 語言互操作性：不同源語言間的互操作性。語言編譯器將每種源語言轉換成相同中間語言（CIL）來實現這種互操作性。
- 類型安全：檢查類型間轉換，確保相容的類型才能相互轉換。這有助於防範緩衝區溢出（這是產生安全隱患的主要原因）。
- 代碼訪問安全性：程式集開發者的代碼有權在電腦上執行的證明。
- 垃圾回收：一種記憶體管理機制，自動釋放“運行時”為數據分配的空間。
- 平臺可移植性：同一程式集可在多種操作系統上運行。要實現這一點，一個顯而易見的限制就是不能使用平臺特有的庫。所以平臺依賴問題需單獨解決。
- BCL（基類庫）：提供開發者能（在所有 .NET 框架中）依賴的大型代碼庫，使其不必親自寫這些代碼。

註意： 本篇只是簡單介紹了 CLI，目的是讓讀者熟悉 C# 程式的執行環境。此外，本篇還提及了本系列博文後面才會用到的一些術語。在時機合適的時候，我會專門總結 CLI 及其與 C# 的關係。

CIL 和 ILDASM

前面說過，C# 編譯器將 C# 代碼轉換成 CIL 代碼而不是機器碼。處理器只理解機器碼，所以 CIL 代碼必須先轉換成機器碼才能由處理器執行。可用 CIL 反彙編程式將程式集解構為 CIL。通常使用 Microsoft 特有的文件名 ILDASM 來稱呼這種 CIL 反彙編程式（ILDASM 是 IL Disassembler 的簡稱），它能對程式集執行反彙編，提取 C# 編譯器生成的CIL。

反彙編 .NET 程式集的結果比機器碼更易理解。許多開發人員害怕即使別人沒有拿到源代碼，程式也容易被反彙編並曝光其演算法。其實無論是否基於 CLI，任何程式防止反編譯唯一安全的方法就是禁止訪問編譯好的程式（例如只在網站上存放程式，不把它分發到用戶機器）。

但假如目的只是減小別人獲得源代碼的可能性，可考慮使用一些混淆器（obfuscator）產品。這種產品會打開 IL 代碼，轉換成一種功能不變但更難理解的形式。這可以防止普通開發者訪問代碼，使程式集難以被反編譯成容易理解的代碼。除非程式需要對演算法進行高級安全防護，否則混淆器足矣。

查看 myApp.dll 的 CIL 輸出

myApp.dll 程式請參考這篇文章：https://www.vinanysoft.com/c-sharp-basics/introducing/start-with-hello-world/

安裝了 Visual Studio 之後 ILDASM 會預設被安裝，位置是：C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs\Windows\v10.0A（隨便一個目錄）\bin\NETFX 4.8 Tools（隨便一個目錄）\x64。

雙擊運行 ildasm.exe，把 myApp.dll 拖進去，如下圖：

雙擊即可查看到 IL 代碼，下麵是 MANIFEST 的 IL 代碼

// Metadata version: v4.0.30319
.assembly extern System.Runtime
{
  .publickeytoken = (B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )                         // .?_....:
  .ver 4:2:1:0
}
.assembly extern System.Console
{
  .publickeytoken = (B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )                         // .?_....:
  .ver 4:1:1:0
}
.assembly myApp
{
  .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.CompilationRelaxationsAttribute::.ctor(int32) = ( 01 00 08 00 00 00 00 00 ) 
  .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.RuntimeCompatibilityAttribute::.ctor() = ( 01 00 01 00 54 02 16 57 72 61 70 4E 6F 6E 45 78   // ....T..WrapNonEx
                                                                                                                   63 65 70 74 69 6F 6E 54 68 72 6F 77 73 01 )       // ceptionThrows.

  // --- 下列自定義特性會自動添加，不要取消註釋 -------
  //  .custom instance void [System.Runtime]System.Diagnostics.DebuggableAttribute::.ctor(valuetype [System.Runtime]System.Diagnostics.DebuggableAttribute/DebuggingModes) = ( 01 00 07 01 00 00 00 00 ) 

  .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.Versioning.TargetFrameworkAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 18 2E 4E 45 54 43 6F 72 65 41 70 70 2C 56   // ....NETCoreApp,V
                                                                                                              65 72 73 69 6F 6E 3D 76 33 2E 30 01 00 54 0E 14   // ersion=v3.0..T..
                                                                                                              46 72 61 6D 65 77 6F 72 6B 44 69 73 70 6C 61 79   // FrameworkDisplay
                                                                                                              4E 61 6D 65 00 )                                  // Name.
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyCompanyAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 6D 79 41 70 70 00 00 )                   // ...myApp..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyConfigurationAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 44 65 62 75 67 00 00 )                   // ...Debug..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyFileVersionAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 07 31 2E 30 2E 30 2E 30 00 00 )             // ...1.0.0.0..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyInformationalVersionAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 31 2E 30 2E 30 00 00 )                   // ...1.0.0..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyProductAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 6D 79 41 70 70 00 00 )                   // ...myApp..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyTitleAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 6D 79 41 70 70 00 00 )                   // ...myApp..
  .hash algorithm 0x00008004
  .ver 1:0:0:0
}
.module myApp.dll
// MVID: {29FC93A2-9A52-445C-A581-09AA5BCC11C7}
.imagebase 0x00400000
.file alignment 0x00000200
.stackreserve 0x00100000
.subsystem 0x0003       // WINDOWS_CUI
.corflags 0x00000001    //  ILONLY
// Image base: 0x000002015D090000

.class private auto ansi beforefieldint

.class private auto ansi beforefieldinit myApp.Program
       extends [System.Runtime]System.Object
{
} // end of class myApp.Program

.ctor:void()

.method public hidebysig specialname rtspecialname 
        instance void  .ctor() cil managed
{
  // 代碼大小       8 (0x8)
  .maxstack  8
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  call       instance void [System.Runtime]System.Object::.ctor()
  IL_0006:  nop
  IL_0007:  ret
} // end of method Program::.ctor

Main:void(string[])

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // 代碼大小       42 (0x2a)
  .maxstack  2
  .locals init (valuetype [System.Runtime]System.DateTime V_0)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldstr      "Hello World!"
  IL_0006:  call       void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)
  IL_000b:  nop
  IL_000c:  ldstr      "The current time is "
  IL_0011:  call       valuetype [System.Runtime]System.DateTime [System.Runtime]System.DateTime::get_Now()
  IL_0016:  stloc.0
  IL_0017:  ldloca.s   V_0
  IL_0019:  call       instance string [System.Runtime]System.DateTime::ToString()
  IL_001e:  call       string [System.Runtime]System.String::Concat(string,
                                                                    string)
  IL_0023:  call       void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)
  IL_0028:  nop
  IL_0029:  ret
} // end of method Program::Main

最開頭是清單（manifest）信息。其中不僅包括被反編譯的模塊的全名（myApp），還包括它依賴的所有模塊和程式集及其版本信息。

基於這樣的一個 CIL 代碼清單，最有趣的可能就是能相對比較容易地理解程式所做的事情，這比閱讀並理解機器碼（彙編程式）容易多了。

上述代碼出現了對 System.Console.WriteLine() 的顯式引用。 CIL 代碼清單包含許多外圍信息，但如果開發者想要理解 C# 模塊（或任何基於 CLI 的程式）的內部工作原理，但又拿不到源代碼，只要作者沒有使用混淆器，理解這樣的 CIL 代碼清單還是比較容易的。

事實上，一些免費工具（比如 Red Gate Reflector，ILSpy，JustDecompile，dotPeek 和 CodeReflect）都能將 CIL 自動反編譯成 C#。