C#是怎么跑起来的

解释流程前，需要了解一些基本的概念。

基本概念解释：

CPU ：中央处理器，计算机的大脑，内部由数百万至数亿个晶体管组成，是解释和运行最终转换成机器语言(二进制代码)的地方。机器语言是通过CPU内存的寄存器来处理的，不同的类型的CPU，其内部的寄存器的数量、种类以及寄存器存储的数值范围都是不一样的。根据功能的不同，大致分为8类：

对于程序员来说，CPU是具有各种功能的寄存器的集合体，其中，程序计数器、累加寄存器、标志寄存器、指令寄存器和栈寄存器都只有一个，其他的寄存器一般有多个。

需要注意的是CPU的种类是特别重要的参数，CPU只能解释其自身固有的机器语言（指令集），不同的CPU能解释的机器语言的种类也是不同的。如CPU的主要厂商是Intel 和 AMD，前者基于x86指令集，后者基于ARM指令集，其中的区别大家有兴趣可以移驾：https://zhuanlan.zhihu.com/p/95028674

同时要买CPU可以参照核心/线程，主频，多级缓存等参数来选择。

内存：计算机的主存储器（主存），负责存储指令和数据，通过控制芯片等与CPU相连，由可读写的元素构成，每个字节都带有一个地址的编号，CPU可以通过该地址读取主存中的指令和数据，也可以写入数据。指令和数据是有时效性的，会随着计算机的关机而自动清除。

操作系统：程序员并不需要编写操作指令来完成计算机硬件的相关操作，比如键盘鼠标显示器的输入输出等等，也不需要关系内存和IO的不同的构造，因为这些都是通过操作系统的指令来完成的，操作系统克服了除了CPU以外的其他相关硬件的差异，一种操作系统只能支持特定的cpu（比如windows操作系统主流版本支持x86架构的CPU，ARM架构适合嵌入式的liunx操作系统，liunx一般也是用x86），同时操作系统需要为不同的机型分别提供不同的版本。同样的机型，也可以安装不同的操作系统，而应用软件则必须根据不同的操作系统类型来专门开发，因为操作系统的类型不同，应用程序向操作系统传递的指令途径(API)是不同的。以下列举windows对程序员有意义的一些特征：

32/64位版本操作系统，数字表示处理效率最高的数据大小
通过API函数集来提供系统调用，API通过各个dll文件来提供，各个API的实体都是C语言编写的函数
提供采用了图形用户界面的用户界面
通过WYSIWYG实现打印输出
提供多任务功能，通过时钟分割技术来实现多任务功能，就是多个应用程序“同时运行”（短时间间隔内多个程序切换运行）
提供网络功能及数据库功能
通过即插即用实现设备驱动的自动设定

运行环境：操作系统 + 硬件。每次下载一个软件的时候，都会让你选择基于什么的运行环境（操作系统+硬件：如基于windows7 版本以上，需要1G以上内存，500M以上的磁盘空间）来下载不同的安装包，代码需要在特定的运行环境中才能执行。

代码运行的流程：

C#是一门高级编程语言，作用是编写程序，而程序是指示计算机每一步动作的一组指令，由指令和数据构成(如：WriteLine("hello") 程序中，WriteLine 是指令，"hello"是数据），需要转换成能够被CPU可以直接识别并使用的机器语言(二进制码)。程序（代码）是存放在硬盘和磁盘等媒介上的，而被CPU执行的程序需要在内存中存储（从磁盘中复制到内存）。而内存是保存命令和数据的场所，通过地址来标记和指定。

用编程语言写好的程序，是需要运行环境才能跑起来，运行环境需要操作系统和计算机硬件支持，如果运行环境不同，程序是无法运行的，例如，MacOs，windows，linux系统上的运行的应用程序基本上不能拿在另一个操作系统中运行的。因为不同的操作系统提供出来的API是有差异的，因此，将同样的代码移植到其它的操作系统中，就必须重写应用中利用API的部分，像键盘的输入，鼠标的输入，显示器的输出，文件的输入和输出等外围设备进行输入输出的功能，都是操作系统提供出API供程序员调用。同类型的操作系统下，不管硬件如何，API基本上没有差别。因而，针对某特定操作系统的API所编写的程序，在任何硬件上都可以运行。当然，由于CPU种类不同，机器语言也不相同，因此本地代码当然也是不同的。这种情况下，就需要利用能够生成各CPU专用的本地代码的编译器，来对源代码进行重新编译了。那么有没有方法可以让程序员写的代码，在不同环境下执行呢，经验告诉你肯定是可以的，实现原理是只需要根据不同的环境开发出不同的CLR运行时就可以实现跨平台，像java语言，对应就有不同环境的Java虚拟机JVM。

C#写的代码是怎么样变成CPU可以执行的机器码呢，流程图如下：

C# 源代码文件经过编译器生成程序集文件，文件包含了以下内容
- 标准的Windows PE32或者PE32+头，能在windows的32位或者64位版本上运行，如果是PE32+的文件,只能在64位版本上运行
- CLR头。包含使这个模块称为托管模块的信息，头部包含要求的CLR版本，一些标识flag，托管模块入口方法等等
- 元数据，包含2种元数据表，一种描述源代码中定义的类型和成员，另一种描述源代码引用的类型和成员。
- IL中间语言代码，编译器编译源代码生成的代码。
微软创建了好几个面向“运行时”的语言编译器，能够将 C++/CLI，C#，Visual Basic ,F#等语言编译成供CLR运行的IL语言，承载了多语言的特点，后面可以只开发出面向CLR编程的高级语言。

其中：C#源码编译为程序集的过程为编译时，程序集被JIT编译器编译为本地代码，被操作系统调度CPU所执行的过程被称为运行时。
CLR 中的JIT编译器将IL编译成该平台下的CPU指令

.NET 平台下面，微软官方只开发了Windows下面运行的CLR，没有开发其他平台的CLR，所以不能做到跨平台，但是在非官方的渠道下，Xamarin公司为了能把.Net做成跨平台，开发了mono虚拟机，虚拟机包含了一个实时编译引擎，该引擎可用于x86, SPARC, PowerPC, ARM等处理器，后被微软收购。后来微软由于战略的更改，拥抱开源和跨平台，重新开发和定义了.Net FrameWork的新一代版本---DotNetCore。如果需要将Core代码在各个平台上运行（跨平台），需要在官网上下载不同环境的运行时，如下图中的3个平台的运行时：

附java跨平台的实现：

CLR是.NET的核心组件，它在操作系统的顶层，负责管理程序的执行，功能如下：