一步步教你读懂NET中IL(图文详解)

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，它的指令集（Instruction Set）都是用堆叠运算的方式：执行时的资料都是先放在堆叠中，再进行运算。JavaVM 有 200 指令（Instruction），每指令都是 1 byte 的 opcode（操作码），后面接不等数目的参数；.NET CLR 有超 220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。特注意，.NET 的 opcode 度不固定，大部分的 opcode 度是 1 byte，少部分是 2 byte。

下面是一简单的 C# 原始码：                

此程式执行，关键的记忆体有三种，分是：

1、Managed Heap：是动态配置（Dynamic Allocation）的记忆体，由 Garbage Collector（GC）在执行自管理，整Process 共用一 Managed Heap。

2、Call Stack：是由 .NET CLR 在执行自管理的记忆体，每 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 Record Frame；呼叫完毕之后，此 Record Frame 会被丢弃。一般，Record Frame 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… 编号的方式区别变数。

3、Evaluation Stack：是由 .NET CLR 在执行自管理的记忆体，每 Thread 都有自己专属的 Evaluation Stack。前面所的堆叠式虚拟机器，指的就是堆叠。

后面有一串的示意图，用解在执行此三种记忆体的变化。首先，在入 Main() 之后，尚未执行任何指令之前，记忆体的如图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 4 byte 的常数，其值 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 取出一值，放到第 0 号变数（V0）中。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。了节省篇幅，我不在此一一述。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 V0（也就是 i）和 V1（也就是 j）的值放到 Evaluation Stack，是相加前的准备作。图8 图9 分是执行完第七、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 取出值（也就是 i 和 j），相加之后果放回 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 V2（也就是 k）的值放到 Evaluation Stack，是相加前的准备作。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 取出值，相加之后果放回 Evaluation Stack 中，此 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 取出一值，放到第 3 号变数（V3）中。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： "i+j+k=" 的 Reference 放 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。 V3 的值放 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 中取出一值，此 Value Type 包（box）成 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 中取出值，此二值皆 Reference Type，下面的值当作第一参数，上面的值当作第二参数，呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.String.Concat() method 此二参数行字串接合（String Concatenation），接合出的新字串放在 Managed Heap，其 Reference 放 Evaluation Stack。值得注意的是：由於 System.String.Concat() 是 static method，所以此使用的指令是 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

注意：此 Managed Heap 中的 Int32(6) 以及 String("i+j+k=") 已不再被考到，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 中取出一值，此值 Reference Type，此值当作参数，呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.Console.WriteLine() method 此字串显示在 Console 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：束此次呼叫（也就是 Main 的呼叫）。此会查 Evaluation Stack 剩下的料，由於 Main() 宣告不需要传出值（void），所以 Evaluation Stack 必是空的，本范例符合的情，所以此可以利束此次呼叫。而 Main 的呼叫一束，程式也随之束。执行完此道指令之后（且在程式束前），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 所著的《Inside Microsoft .NET IL Assembler》（Microsoft Press 出版）。我认为：熟知 IL 每道指令的作用，是 .NET 程式必备的知识。.NET 程式可以不会用 IL Assembly 写程式，但是至少要看得懂 ILDASM 反编译出的 IL 合码。