[你必須知道的.NET]第十三回：從Hello, world開始認識IL
發布日期：2007.7.22 作者：Anytao
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本文將介紹以下內容：
- IL代碼分析方法
- Hello, world歷史
- .NET學習方法論
1. 引言
1988年Brian W. Kernighan和Dennis M. Ritchie合著了軟件史上的經典巨著《The C programming Language》，我推薦所有的程序人都有機會重溫這本歷史上的經典之作。從那時起，Hello, world示例就作為了幾乎所有實踐型程序設計書籍的開篇代碼，一直延續至今，除了表達對巨人與歷史的尊重，本文也以Hello, world示例作為我們扣開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.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，那么運行在高級語言背后真相又是什么呢，下面開始我們基于上述示例的IL代碼分析。
3. IL體驗中心
對編譯后的可執行文件HelloWorld.exe應用ILDasm.exe反編譯工具，還原HelloWorld的為文本MSIL編碼，至于其工作原理我們期望在系列的后續文章中做以交代，我們查看其截圖為：
由上圖可知，編譯后的IL結構中，包含了MANIFEST和HelloWorld類，其中MANIFEST是個附加信息列表，主要包含了程序集的一些屬性，例如程序集名稱、版本號、哈希算法、程序集模塊等，以及對外部引用程序集的引用項；而HelloWorld類則是我們下面介紹的主角。
3.1 MANIFEST清單分析
打開MANIFEST清單，我們可以看到
從這段IL代碼中，我們的分析如下：
- .assembly指令用于定義編譯目標或者加載外部庫。在IL清單中可見，.assembly extern mscorlib表示外部加載了外部核心庫mscorlib，而.assembly HelloWorld則表示了定義的編譯目標。值得注意的是，.assembly將只顯示程序中實際應用到的程序集列表，而對于加入using引用的程序集，如果并未在程序中引用，則編譯器會忽略多加載的程序集，例如System.Data將被忽略，這樣就有效避免了過度加載引起的代碼膨脹。
- 我們知道mscorlib.dll程序集定義managed code依賴的核心數據類型，屬于必須加載項。 例如接下來要分析的.ctor指令表示構造函數，從代碼中我們知道沒有為HelloWord類提供任何顯示的構造函數，因此可以肯定其繼承自基類System.Object，而這個System.Object就包含在mscorlib程序集中。
- 在外部指令中還會指明了引用版本（.ver）；應用程序實際公鑰標記（.publickeytoken），公鑰Token是SHA1哈希碼的低8位字節的反序（如下圖所示），用于唯一的確定程序集；還包括其他信息如語言文化等。
- HelloWorld程序集中包括了.hash algorithm指令，表示實現安全性所使用的哈希算法，系統缺省為0x00008004，表明為SHA1算法；.ver則表示了HelloWorld程序集的版本號；
- 程序集由模塊組成， .module為程序集指令，表明定義的模塊的元數據，以指定當前模塊。
- 其他的指令還有：imagebase為影像基地址；.file alignment為文件對齊數值；.subsystem為連接系統類型，0x0003表示從控制臺運行；.corflags為設置運行庫頭文件標志，默認為1；這些指令不是我們研究的重點，詳細的信息請參考MSDN相關信息。
3.2 HelloWorld類分析
首先是HelloWorld類，代碼為：
extends [mscorlib]System.Object
{
} // end of class HelloWorld
- .class表明了HelloWorld是一個public類，該類繼承自外部程序集mscorlib的System.Object類。
- public為訪問控制權限，這點很容易理解。
- auto表明程序加載時內存的布局是由CLR決定的，而不是程序本身
- 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提供了一個附加信息，用于標記運行庫可以在任何時候執行類型構造函數方法，只要該方法在第一次訪問其靜態字段之前執行即可。如果沒有beforefieldinit則運行庫必須在某個精確時間執行類型構造函數方法，從而影響性能優化，詳細的情況可以參與MSDN相關內容。
然后是.ctor方法，代碼為：
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，指示編譯器編譯為托管代碼。
- .maxstack表明執行構造函數.ctor期間的評估堆棧（Evaluation Stack）可容納數據項的最大個數。關于評估堆棧，其用于保存方法所需變量的值，并在方法執行結束時清空，或者存儲一個返回值。
- IL_0000，是一個標記代碼行開頭，一般來說，IL_之前的部分為變量的聲明和初始化。
- ldarg.0 表示裝載第一個成員參數，在實例方法中指的是當前實例的引用，該引用將用于在基類構造函數中調用。
- call指令一般用于調用靜態方法，因為靜態方法是在編譯期指定的，而在此調用的是構造函數.ctor()也是在編譯期指定的；而另一個指令callvirt則表示調用實例方法，它的調用過程有異于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。
最后是Main方法，代碼為：
{
.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加載程序HelloWorld.exe時，是首先從.entrypoint方法開始執行的，也就是表明Main方法將作為程序的入口函數。每個托管程序必須有并且只有一個入口點。這區別于將Main函數作為程序入口標志。
- ldstr指令表示將字符串壓棧，"Hello, world."字符串將被移到stack頂部。CLR通過從元數據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對象并未出現在《第五回：深入淺出關鍵字---把new說透》中提到的newobj指令，對于這一點的解釋我們將在下一回中做簡要分析。
- hidebysig屬性用于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：
- 關于注釋，IL代碼中的注釋和C#等高級語言的注釋相同，其實編譯器在編譯IL代碼時已經將所有的注釋去掉，所以任何對程序的注釋在IL代碼中是看不見的。
3.3 回歸簡潔
去粗取精，我們的IL代碼可以簡化，下面的代碼是基于上面的分析，并去處不重要的信息，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，除了了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，我們還不足以從全局來了解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，從而提高我們掌握了解.NET底層的有效工具。本系列也將在后續的文章中，逐漸建立起這種使用工具的方法，敬請關注。
參考文獻
（USA）Joe Duffy , Professional .NET Framework 2.0
（USA）David Chappell， Understanding .NET
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溫故知新
[開篇有益][第一回：恩怨情仇：is和as]
[第二回：對抽象編程：接口和抽象類]
[第三回：歷史糾葛：特性和屬性]
[第四回：后來居上：class和struct]
[第五回：深入淺出關鍵字---把new說透]
[第六回：深入淺出關鍵字---base和this]
[第七回：品味類型---從通用類型系統開始]
[第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理]
[第九回：品味類型---值類型與引用類型（中）－規則無邊]
[第十回：品味類型---值類型與引用類型（下）－應用征途]
[第十一回：參數之惑---傳遞的藝術（上）]
[第十二回：參數之惑---傳遞的藝術（下）]
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