.Net基础——程序集与CIL

1. 程序集和CIL:

• 程序集是由.NET语言的编译器接受源代码文件产生的输出文件，通常分为 exe和dll两类，其中exe包含Main入口方法可以双击执行，dll则需要被其他程序集调用执行。
• CIL（Common Intermediate Language): 公共中间语言^①，需要被编译成二进制机器码之后才会被计算机执行。

2. 程序集包含:

• 程序的CIL
• 程序中使用的类型的元数据(metadata)
• 程序集清单
• 一些资源集

程序被编译成程序集（exe为例）之后，双击运行，程序集会被加载入CLR,CLR执行下面的步骤：
　　1.检查程序集的安全特性。
　　2.进行内存分配。
　　3.把程序集中的可执行代码发送给JIT（Just-in-Time）编译器，把其中的一部分代码编译成为本机代码。
其中，JIT只会编译被调用的部分CIL代码，并把编译的结果缓存起来，以备在后面的程序中的多次调用。这保证了编译与运行的效率。

经过JIT编译之后的代码即是本机代码，本机代码最终被CPU执行。

我们通过一段简单的代码来加深理解：

 1. 打开VS，用C#编写一段如下程序:

using System;

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

 

 2. 使用 ILASM^② 工具将程序集反编译为IL(也可生成为ILTest.txt，后缀名不影响文本文件内容)：

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   // --- 下列自定义特性会自动添加，不要取消注释 -------
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     // 代码大小       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     // 代码大小       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

其中包含了程序的元数据，程序集清单和一些其他资源信息。

它们描述并组成了这段程序的类型信息，安全信息，版本信息以及对其它程序集的引用信息等，使得程序集拥有了自我描述的特性。其中，元数据是反射得以实现的重要条件。

 除此之外还包含了IL代码，IL是经过编译器（这里是csc）编译产生的中间语言代码。

 

我们可以通过修改IL代码来控制程序的执行：

打开生成的文本文件，将Main方法中的输出字符串修改为"Hello Tommy"：

 

使用ILASM工具将IL文件重新编译成ILTest2.exe：

 

双击运行exe结果如下：

 

 

也许你会觉得纳闷，为什么要把源代码先翻译成CIL再翻译成本机代码，而不是一步到位呢？？

当程序被编译成程序集之后就脱离了语言的限制，.NET平台下的语言通过程序集的调用突破了语言的阻碍。

例如C#程序可以调用VB生成的程序集，将语言的特殊性转换成了CIL这一通用且规范的概念，好比全国各个地方的人讲着不同的方言，彼此之间难以沟通，但是先讲方言翻译成了CIL之一普通话，从此便消除了语言的障碍。

除此之外，如果直接从高级语言编译成机器语言，不同厂商生成的CPU读取不同的指令，如果有x门高级语言，有y种读取不同指令集的CPU，那么需要有x*y种编译器去将不同的语言与CPU指令一一匹配。

有了CIL之后，我们只需x种编译器将高级语言转换成CIL，再经过y种编译器将CIL转换成二进制指令。 一共仅需要x+y种不同的编译器。

 

 

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---

 

注：①公共中间语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指的都是公共中间语言这一概念。

　　②ILASM和ILDASM工具详见：