C# 從Hello, world開始認識IL

本文將介紹以下內容：

　　IL程式碼分析方法　

　　Hello, world曆史　

　　.NET學習方法論

　　1.　引言

　　1988年Brian W. Kernighan和Dennis M. Ritchie合著了軟體史上的經典巨著《The C programming Language》，我推薦所有的程式人都有機會重溫這本曆史上的經典之作。從那時起，Hello, world樣本就作為了幾乎所有實踐型程式設計書籍的開篇代碼，一直延續至今，除了表達對巨人與曆史的尊重，本文也以Hello, world樣本作為我們扣開IL語言的起點，開始我們循序漸進的IL認識之旅。

　　2. 從Hello, world開始

　　首先，當然是展示我們的Hello, world代碼，開始一段有益的分享。

using　System;
using　System.Data;

public　class　HelloWorld
{
　　　　public　static　void　Main()
　　　　{
　　　　　　　　Console.WriteLine("Hello,　world.");
　　　　}
}

　　這段代碼執行了最簡單的過程，向陌生的世界打了一個招呼，那麼運行在進階語言背後真相又是什麼呢，下面開始我們基於上述樣本的IL程式碼分析。　

　　3. IL體驗中心

　　對編譯後的可執行檔HelloWorld.exe應用ILDasm.exe反編譯工具，還原HelloWorld的為文本MSIL編碼，至於其工作原理我們期望在系列的後續文章中做以交代，我們查看其為：

 

 

　　由可知，編譯後的IL結構中，包含了MANIFEST和HelloWorld類，其中MANIFEST是個附加資訊列表，主要包含了程式集的一些屬性，例如程式集名稱、版本號碼、雜湊演算法、程式集模組等，以及對外部參考程式集的引用項；而HelloWorld類則是我們下面介紹的主角。

　　3.1 MANIFEST清單分析

　　開啟MANIFEST清單，我們可以看到

　　圖片看不清楚？請點擊這裡查看原圖（大圖）。

　　從這段IL代碼中，我們的分析如下：

　　.assembly指令用於定義編譯目標或者載入外部庫。在IL清單中可見，.assembly extern mscorlib表示外部載入了外部核心庫mscorlib，而.assembly HelloWorld則表示了定義的編譯目標。值得注意的是，.assembly將只顯示程式中實際應用到的程式集列表，而對於加入using引用的程式集，如果並未在程式中引用，則編譯器會忽略多載入的程式集，例如System.Data將被忽略，這樣就有效避免了過度載入引起的代碼膨脹。

　　我們知道mscorlib.dll程式集定義managed code依賴的核心資料類型，屬於必須附加元件。　例如接下來要分析的.ctor指令表示建構函式，從代碼中我們知道沒有為HelloWord類提供任何顯示的建構函式，因此可以肯定其繼承自基類System.Object，而這個System.Object就包含在mscorlib程式集中。

　　在外部指令中還會指明了引用版本（.ver）；應用程式實際公開金鑰標記（.publickeytoken），公開金鑰Token是SHA1雜湊碼的低8位位元組的反序（如所示），用於唯一的確定程式集；還包括其他資訊如語言文化等。

 

 

　　HelloWorld程式集中包括了.hash algorithm指令，表示實現安全性所使用的雜湊演算法，系統預設為0x00008004，表明為SHA1演算法；.ver則表示了HelloWorld程式集的版本號碼；

　　程式集由模組組成， .module為程式集指令，表明定義的模組的中繼資料，以指定當前模組。

　　其他的指令還有：imagebase為影像基地址；.file alignment為檔案對齊數值；.subsystem為串連系統類別型，0x0003表示從控制台運行；.corflags為設定運行庫標頭檔標誌，預設為1；這些指令不是我們研究的重點，詳細的資訊請參考MSDN相關資訊。

　　3.2　HelloWorld類分析

　　首先是HelloWorld類，代碼為：

.class　public　auto　ansi　beforefieldinit　HelloWorld
　　　　　　　extends　[mscorlib]System.Object
{
}　//　end　of　class　HelloWorld

　　.class表明了HelloWorld是一個public類，該類繼承自外部程式集mscorlib的System.Object類。

　　public為存取控制許可權，這點很容易理解。

　　auto表明程式載入時記憶體的布局是由CLR決定的，而不是程式本身

　　ansi屬性則為了在沒有被管理和被管理代碼間實現無縫轉換。沒有被管理的代碼，指的是沒有運行在CLR運行庫之上的代碼，例如原來的C，C++代碼等。

　　beforefieldinit屬性為HelloWorld提供了一個附加資訊，用於標記運行庫可以在任何時候執行類型建構函式方法，只要該方法在第一次訪問其靜態欄位之前執行即可。如果沒有beforefieldinit則運行庫必須在某個精確時間執行類型建構函式方法，從而影響效能最佳化，詳細的情況可以參與MSDN相關內容。　

 

　　然後是.ctor方法，代碼為：

.method　public　hidebysig　specialname　rtspecialname　
　　　　　　　　instance　void　　.ctor()　cil　managed
{
　　//　代碼大小　　　　　　　7　(0x7)
　　.maxstack　　8
　　IL_0000:　　ldarg.0
　　IL_0001:　　call　　　　　　　instance　void　[mscorlib]System.Object::.ctor()
　　IL_0006:　　ret
}　//　end　of　method　HelloWorld::.ctor

　　cil managed 說明方法體中為IL代碼，指示編譯器編譯為Managed 程式碼。

　　.maxstack表明執行建構函式.ctor期間的評估堆棧（Evaluation Stack）可容納資料項目的最大個數。關於評估堆棧，其用於儲存方法所需變數的值，並在方法執行結束時清空，或者儲存一個傳回值。

　　IL_0000，是一個標記程式碼開頭，一般來說，IL_之前的部分為變數的聲明和初始化。

　　ldarg.0 表示裝載第一個成員參數，在執行個體方法中指的是當前執行個體的引用，該引用將用於在基類建構函式中調用。

　　call指令一般用於調用靜態方法，因為靜態方法是在編譯期指定的，而在此調用的是建構函式.ctor()也是在編譯期指定的；而另一個指令callvirt則表示調用執行個體方法，它的調用過程有異於call，函數的調用是在運行時確定的，首先會檢查被調用函數是否為虛函數，如果不是就直接調用，如果是則向下檢查子類是否有重寫，如果有就調用重寫實現，如果沒有還調用原來的函數，依次類推直到找到最新的重寫實現。

　　ret表示執行完畢，返回。

　　最後是Main方法，代碼為：

.method　public　hidebysig　static　void　　Main()　cil　managed
{
　　.entrypoint
　　//　代碼大小　　　　　　　11　(0xb)
　　.maxstack　　8
　　IL_0000:　　ldstr　　　　　　"Hello,　world."
　　IL_0005:　　call　　　　　　　void　[mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
　　IL_000a:　　ret
}　//　end　of　method　HelloWorld::Main

 

　　.entrypoint指令表明了CLR載入程式HelloWorld.exe時，是首先從.entrypoint方法開始執行的，也就是表明Main方法將作為程式的入口函數。每個託管程式必須有並且只有一個進入點。這區別於將Main函數作為程式入口標誌。

　　ldstr指令表示將字串壓棧，"Hello, world."字串將被移到stack頂部。CLR通過從中繼資料表中獲得文字常量來構造string對象，值得注意的是，在此構造string對象並未出現在《第五回：深入淺出關鍵字---把new說透》中提到的newobj指令，對於這一點的解釋我們將在下一回中做簡要分析。

　　hidebysig屬性用於表示如果當前類作為父類時，類中的方法不會被子類繼承，因此HelloWorld子類中不會看到Main方法。

　　接下來的一點補充：

　　關於注釋，IL代碼中的注釋和C#等進階語言的注釋相同，其實編譯器在編譯IL代碼時已經將所有的注釋去掉，所以任何對程式的注釋在IL代碼中是看不見的。　

　　3.3 迴歸簡潔

　　去粗取精，我們的IL代碼可以簡化，下面的代碼是基於上面的分析，並去處不重要的資訊，以更簡潔的方式來展現的HelloWorld版IL代碼，詳細的分析就以注釋來展開吧。

　　4. 結論

　　結束本文，我們從一個點的角度和IL來了一次接觸，除了瞭解幾個重要的指令含義，更重要的是已經走進了IL的世界。通過一站式的掃描HelloWorld的IL編碼，我們還不足以從全域來瞭解IL，不過第一次的親密接觸至少讓我們太陌生，而且隨著系列文章的深入我們將逐漸建立起這種認知，從而提高我們掌握瞭解.NET底層的有效工具。本系列也將在後續的文章中，逐漸建立起這種使用工具的方法，敬請關注。