.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(Common Language Runtime),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：

 //  Microsoft (R) .NET Framework IL Disassembler.  Version 4.6.1055.0

 // Metadata version: v4.0.30319
 .assembly extern mscorlib
 {
   .publickeytoken = (B7 7A 5C    E0  )                         // .z\V.4..
   .ver :::
 }
 .assembly ILTest
 {
   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.CompilationRelaxationsAttribute::.ctor(int32) = (         )
   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.RuntimeCompatibilityAttribute::.ctor() = (            4E 6F 6E     // ....T..WrapNonEx
                                                                                                                   6F 6E    6F    )       // ceptionThrows.

   // --- 下列自定义特性会自动添加，不要取消注释 -------
   //  .custom instance void [mscorlib]System.Diagnostics.DebuggableAttribute::.ctor(valuetype [mscorlib]System.Diagnostics.DebuggableAttribute/DebuggingModes) = ( 01 00 07 01 00 00 00 00 ) 

   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyTitleAttribute::.ctor(string) = (     4C       )                // ...ILTest..
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyDescriptionAttribute::.ctor(string) = (      )
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyConfigurationAttribute::.ctor(string) = (      )
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyCompanyAttribute::.ctor(string) = (      )
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyProductAttribute::.ctor(string) = (     4C       )                // ...ILTest..
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyCopyrightAttribute::.ctor(string) = (     6F         C2 A9    // ...Copyright ..
                                                                                                          )                            //  2018..
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyTrademarkAttribute::.ctor(string) = (      )
   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.InteropServices.ComVisibleAttribute::.ctor(bool) = (      )
   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.InteropServices.GuidAttribute::.ctor(string) = (            2D       // ..$84f5b40e-91ae
                                                                                                   2D     2D     2D        // -4bfc-ab89-4a0ff
                                                                                                            )                      // f6d081a..
   .custom instance void [mscorlib]System.Reflection.AssemblyFileVersionAttribute::.ctor(string) = (     2E  2E  2E    )             // ...1.0.0.0..
   .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.Versioning.TargetFrameworkAttribute::.ctor(string) = (   1C 2E 4E      6D   6F  6B   // ....NETFramework
                                                                                                         2C      6F 6E 3D   2E  2E     // ,Version=v4.6.1.
                                                                                                           0E     6D   6F  6B      // .T..FrameworkDis
                                                                                                          6C   4E  6D   2E 4E        // playName..NET Fr
                                                                                                          6D   6F  6B   2E  2E  )          // amework 4.6.1
   .hash algorithm 0x00008004
   .ver :::
 }
 .module ILTest.exe
 // MVID: {90543B0E-D1B4-4FFF-9260-57E27FBC4F8B}
 .imagebase 0x00400000
 .file alignment 0x00000200
 .stackreserve 0x00100000
 .subsystem 0x0003       // WINDOWS_CUI
 .corflags 0x00020003    //  ILONLY 32BITPREFERRED
 // Image base: 0x00960000

 // =============== CLASS MEMBERS DECLARATION ===================

 .class public auto ansi beforefieldinit ILTest.Program
        extends [mscorlib]System.Object
 {
   .method public hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
   {
     .entrypoint
     // 代码大小       19 (0x13)
     .maxstack
     IL_0000:  nop
     IL_0001:  ldstr      "Hello Fred"
     IL_0006:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
     IL_000b:  nop
     IL_000c:  call       int32 [mscorlib]System.Console::Read()
     IL_0011:  pop
     IL_0012:  ret
   } // end of method Program::Main

   .method public hidebysig specialname rtspecialname
           instance void  .ctor() cil managed
   {
     // 代码大小       8 (0x8)
     .maxstack
     IL_0000:  ldarg.
     IL_0001:  call       instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
     IL_0006:  nop
     IL_0007:  ret
   } // end of method Program::.ctor

 } // end of class ILTest.Program

 // 

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？？

因为当程序被编译成程序集之后就脱离了语言的限制，例如C#程序可以调用VB生成的程序集。

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，但是先将方言翻译成CIL这一普通话，便消除了语言差异带来的交流障碍。

除此之外，如果直接从高级语言编译成机器语言，由于不同厂商生产的CPU会读取不同的指令集，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。

原创文章，转载请注明出处。

---

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：.Net Framework IL汇编与反汇编工具