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你可曾想到，我們的C#代碼，編譯之后究竟為何物？你可曾認知，我們的可執行程序，運行之時的軌跡究竟為哪般？那么，本文通過對Metadata（元數據）和IL（Intermediate Language, 中間語言）的認識開始，來逐步給出答案。在這個探索軌跡上，元數據、IL、程序集、程序域、JIT、虛分派、方法表和托管堆這些形形色色的神秘嘉賓將在某個時刻不期而遇，作為你必須知道的.NET 系列2.0版本的一部分，本文首先從認識元數據和IL這兩位重量級選手開始，而其他的嘉賓也將很快登場。

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[你必須知道的.NET]第二十四回：認識元數據和IL（上）

發布日期：2009.02.24 作者：Anytao
? 2009 Anytao.com ，Anytao原創作品，轉貼請注明作者和出處。

說在，開篇之前

很早就有說說Metadata（元數據）和IL（中間語言）的想法了，一直在這篇開始才算腳踏實地的對這兩個階級兄弟投去些細關懷，雖然來得沒有《第一回：恩怨情仇：is和as 》那么迅速，但是Metadata和IL卻是絕對重量級的內容，值得我們在任何時間關注，本文就是開始。

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1 引言

你可曾想到，我們的C#代碼，編譯之后究竟為何物？你可曾認知，我們的可執行程序，運行之時的軌跡究竟為哪般？那么，本文通過對Metadata（元數據）和IL（Intermediate Language, 中間語言）的認識開始，來逐步給出答案。在這個探索軌跡上，元數據、IL、程序集、程序域、JIT、虛分派、方法表和托管堆這些形形色色的神秘嘉賓將在某個時刻不期而遇，作為你必須知道的.NET 系列2.0版本的一部分，本文首先從認識元數據和IL這兩位重量級選手開始，而其他的嘉賓也將很快登場。

2 初次接觸

在事實上，編譯之后的cs代碼被組織為兩種基本的元素：元數據（Metadata）和IL。我們可以以最簡單的方式來了解程序集（*.dll）或可執行文件（*.exe）中包含的Metadata和IL的秘密，這種方式就是我們常說的反編譯，打開ILDasm并加載實現準備的程序集，我們可以看到托管PE文件的相關內容：

詳細的結構信息和IL代碼分析，可以參見[你必須知道的.NET]第3章 “一切從IL開始”的介紹，在此就不做太多的分析。另外，我們可以通過執行“View/MetaInfo/Show!”或者Ctrl+M快捷鍵來獲取該程序集所使用的MetaData信息列表：

其中該程序集使用的元數據主要有：Module、TypeRef、TypeDef、Method、Param、MemberRef、CostomAttribute、Assembly、AssemblyRef等，同時還包括#Strings、#GUID、#Blob、#US堆等。

當然，關于ILDasm工具，還有很多好玩的使用方式來滿足我們探索IL代碼的好奇心，例如：

ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe /output:my.il，將反編譯結果導出為il代碼格式，生成一個my.il包含了所有的IL代碼和一個my.res包含了所有的資源文件。

ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe /text，將反編譯結果以Console形式輸出。

當然我們還是推薦以GUI形式來查看IL細節，組織結構良好的Class View：

ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe

下面首先給出參與編譯的相關代碼文件，然后再展開我們對Metadata和IL的討論：

// Release : code01, 2009/02/12
// Author  : Anytao, http://www.anytao.com
// List    : One.cs
public class One
{
    public int ID { get; set; }
}// Release : code02, 2009/02/12
// Author  : Anytao, http://www.anytao.com
// List    : Two.cs
public class Two
{
    public string SayHello()
    {
        return "Hello, world.";
    }
}// Release : code03, 2009/02/12
// Author  : Anytao, http://www.anytao.com
// List    : Program.cs
class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int id = 1;
        One one = new One();
        one.ID = id;
        Two two = new Two();
        Console.WriteLine(two.SayHello());
    }
}

接著，我們對上述程序的編譯執行過程進行一點探索，以命令行編譯器來演化其大致的編譯過程，以此進一步了解托管模塊，程序集和可執行文件之間的關系：

打開Visual Studio 2008 Command Prompt，并定位到cs代碼所在文件夾，編譯One.cs為托管模塊，執行命令：
csc /t:module One.cs

執行之后，將生成名為One.netmodule文件；

繼續執行，將多個模塊打包為程序集

csc /t:library /addmodule:One.netmodule Two.cs

執行之后，將生成名為Two.dll文件；

最后，編譯Main函數和Two.dll為可執行文件

csc /out:Anytao.Insidenet.MetatdataIL.exe /t:exe /r:Two.dll /r:mscorlib.dll Program.cs

最終將得到本文開始時所加載的用于反編譯的程序集文件Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe，在該執行命令中對幾個指示符開關做點說明：

/out:Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe，表示輸出的可執行文件，及其名稱
/t:exe，表示輸出的文件類型為CUI（控制臺界面程序）程序；而/t:winexe，表示輸出為GUI（圖形界面程序）程序
/r:Two.dll，表示引用剛剛生產的Two.dll程序集
/r:mscorlib.dll，表示因為外部程序集mscorlib.dll，因為我們的程序中使用了Console靜態方法，而該方法則被定義在mscorlib.dll中。mscorlib.dll是如此的重要，我們將在本文之后的某些時候再次與mscorlib.dll握手，那時在對其進行一個詳細的分析，敬請期待。

在cmd中的執行過程可以參考：

通過分步執行的方式我們對csc編譯器的執行過程有個基本的了解，也同時從側面認識了每次在Visual Studio中執行“Build“或者“ReBuild”的縮影。綜上分析，我們可以簡單的看到：

Note：在Visual Studio中，編譯是分模塊進行的，編譯結果保存在obj目錄中，最后再合并為可執行文件于bin目錄，同時默認情況下，編譯過程是增量式的，僅編譯發生修改的模塊，我將在后文給出較為詳細的過程。

同時，我們還可以收獲以下幾個基本的結論：

cs代碼編譯之后將生成元數據和IL，并組成托管模塊（Module）的基本單元。

多個托管模塊組成程序集，其實還包括一定的資源文件，只是沒有在此體現。

程序集或者可執行文件是邏輯組織的基本單元，符合基本的Windows PE文件格式，可以被x86或者x64Windows直接加載執行。

3 繼續深入

一個或者多個模塊，再加上資源文件就形成了程序集（Assembly），作為邏輯組織的基本單元，

事實上，此圖僅僅從粗粒度對程序集的基本組成有個大致的了解，實際上程序集中包含了復雜的結構和要素，例如PE Signature、Managed Resources、Strong Name Signature Hash，而其中最核心的要素則體現在上圖。

程序集清單（MANIFEST）包含了程序集的自描述信息，主要包含AssemblyDef、FileDef、ManifestResourceDef和ExportedTypeDef，在反編譯選項中MANIFEST包含了詳細的內容。在《你必須知道的.NET》3.1節 “從Hello，world開始認識IL”對其有過詳細的描述，此不贅述。
PE文件頭，標準Windows PE頭文件（PE32或PE32+），PE文件的基本信息，例如文件類型，創建時間，本地CPU信息等。
CLR頭，包含CLR版本、模塊元數據、資源等信息。
資源文件。

執行View/Statisctics菜單，可以打開相關的統計信息：

File size            : 5632
PE header size       : 512 (496 used)    ( 9.09%)
PE additional info   : 1691              (30.02%)
Num.of PE sections   : 3
CLR header size     : 72                 ( 1.28%)
CLR meta-data size  : 2212               (39.28%)
CLR additional info : 0                  ( 0.00%)
CLR method headers  : 52                 ( 0.92%)
Managed code         : 287               ( 5.10%)
Data                 : 2048              (36.36%)
Unaccounted          : -1242             (-22.05%)

Num.of PE sections   : 3
   .text    - 3072
   .rsrc    - 1536
   .reloc   - 512

CLR meta-data size  : 2212
   Module        -    1 (10 bytes)
   TypeDef       -    4 (56 bytes)      0 interfaces, 0 explicit layout
   TypeRef       -   25 (150 bytes)
   MethodDef     -    8 (112 bytes)     0 abstract, 0 native, 8 bodies
   FieldDef      -    1 (6 bytes)       0 constant
   MemberRef     -   29 (174 bytes)
   ParamDef      -    2 (12 bytes)
   CustomAttribute-   16 (96 bytes)
   StandAloneSig -    4 (8 bytes)
   PropertyMap   -    1 (4 bytes)
   Property      -    1 (6 bytes)
   MethodSemantic-    2 (12 bytes)
   Assembly      -    1 (22 bytes)
   AssemblyRef   -    1 (20 bytes)
   Strings       -   920 bytes
   Blobs         -   328 bytes
   UserStrings   -    68 bytes
   Guids         -    16 bytes
   Uncategorized -   192 bytes

CLR method headers : 52
   Num.of method bodies  - 8
   Num.of fat headers    - 4
   Num.of tiny headers   - 4

Managed code : 287
   Ave method size - 35

我們將在后篇《深入程序集和模塊》中對PE頭，CLR頭和資源文件進行詳細論述。

IL代碼被組織為

    .class public auto ansi beforefieldinit Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two
       extends [mscorlib]System.Object
    {
      .method public hidebysig instance string
              SayHello() cil managed
      {
        // Code size       11 (0xb)
        .maxstack  1
        .locals init ([0] string CS$1$0000)
        IL_0000:  nop
        IL_0001:  ldstr      "Hello, world."
        IL_0006:  stloc.0
        IL_0007:  br.s       IL_0009

        IL_0009:  ldloc.0
        IL_000a:  ret
      } // end of method Two::SayHello

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

    } // end of class Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two

包裝在類似于匯編模樣的外衣下，我看依稀可見class, System.Object, method, public, string這些面向對象高級語言中的熟悉面孔，不同的只是多了很多benforefieldinit（參考：[你必須知道的.NET]第二十三回：品味細節，深入.NET的類型構造器）, ret, maxstack, ldstr, stloc這些陌生的指令。然而IL并非一個怪胎，而正是基于其本身面向對象的匯編式風格，才造就了IL代碼成為名副其實的“中間語言”的重任。通過IL代碼，CLR就可在編譯時由JIT編譯轉換為Native Code，我們將在下節繼續分析這個過程的來龍去脈。

欲知后事如何，且聽下文繼續:-)

元數據是什么？
IL是什么？
元數據和IL在JIT編譯時

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anytao | ? 2009 Anytao.com

2009/02/24 | http://anytao.cnblogs.com/ | http://www.rzrgm.cn/anytao/archive/2009/02/24/must_net_24.html

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參考文獻

《你必須知道的.NET》第3章 “一切從IL開始”
DonBox，《.NET本質論》
http://www.sloppycode.net/articles/inside-net-assemblies-and-metadata.aspx
http://www.codeproject.com/KB/dotnet/dotnetformat.aspx

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）]
[第十三回：從Hello, world開始認識IL]
[第十四回：認識IL代碼---從開始到現在]
[第十五回：繼承本質論]
[第十六回：深入淺出關鍵字---using全接觸]
[第十七回：貌合神離：覆寫和重載]
[第十八回：對象創建始末（上）]
[第十九回：對象創建始末（下）]
[第二十回：學習方法論]
[第二十一回：認識全面的null]
[第二十二回：字符串駐留（上）---帶著問題思考]
[第二十三回：品味細節，深入.NET的類型構造器]

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[你必須知道的.NET]第二十四回：認識元數據和IL（上）

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