一步步教你讀懂NET中IL（附詳細圖）

  接觸NET也有1年左右的時間了，NET的內部如何實現對我產生了很大的吸引力，在msdn上找到一篇關於NET的IL程式碼的圖解說明，寫的挺不錯的，在此基礎上加上個人的理解，每一個步驟都附帶圖解說明，如果你以前對NET中IL感覺晦澀難懂，頭昏腦漲的時候，沒關係，我相信這篇文章能讓你們對IL有一個比較詳細的理解，如果還不能幫助您，我也只能表示抱歉，因為這篇文章算比較詳細的了。個人覺得：能對這些底部的程式碼是如何實現的進行了解和熟練的話，對以後自己寫程式碼是有很大幫助的，好了，廢話不多說，現整理如下：

.NET CLR 和 Java VM 都是堆疊式虛擬機器器（Stack-Based VM），也就是說，它們的指令集（Instruction Set）都是採用堆疊運算的方式：執行時的資料都是先放在堆疊中，再進行運算。JavaVM 有約 200 個指令（Instruction），每個指令都是 1 byte 的 opcode（操作碼），後面接不等數目的引數；.NET CLR 有超過 220個指令，但是有些指令使用相同的 opcode，所以 opcode 的數目比指令數略少。特別注意，.NET 的 opcode 長度並不固定，大部分的 opcode 長度是 1 byte，少部分是 2 byte。

      本文章以一個實際的例子，讓你瞭解堆疊式 VM 的運作原理，並對 .NET IL（Intermediate Language）有最基本的領略。

      下面是一個簡單的 C# 原始碼：                 

using System;
public class Test {
    public static void Main(String[] args) {
        int i=1;
        int j=2;
        int k=3;
        int answer = i+j+k;
        Console.WriteLine("i+j+k="+answer);
    }
}
 

將此原始碼編譯之後，可以得到一個 EXE的程式。我們可以通過 ILDASM.EXE（圖-0） 來反編譯 EXE 以觀察IL。我將 Main() 的 IL 反編譯條列如下，這裡共有十八道IL 指令，有的指令（例如 ldstr 與 box）後面需要接引數，有的指令（例如 ldc.i4.1 與與add）後面不需要接引數。

ldc.i4.1
stloc.0
ldc.i4.2
stloc.1
ldc.i4.3
stloc.2
ldloc.0
ldloc.1
add
ldloc.2
add
stloc.3
ldstr      "i+j+k="
ldloc.3
box        [mscorlib]System.Int32
call       string [mscorlib]System.String::Concat(object, object)
call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
ret
 

此程式執行時，關鍵的記憶體有三種，分別是：

1、Managed Heap：這是動態配置（Dynamic Allocation）的記憶體，由 Garbage Collector（GC）在執行時自動管理，整個Process 共用一個 Managed Heap。

2、Call Stack：這是由 .NET CLR 在執行時自動管理的記憶體，每個 Thread 都有自己專屬的 Call Stack。每呼叫一次 method，就會使得Call Stack 上多了一個 Record Frame；呼叫完畢之後，此 Record Frame 會被丟棄。一般來說，Record Frame 內記錄著 method 引數（Parameter）、返回位址（Return Address）、以及區域變數（Local Variable）。Java VM 和 .NET CLR 都是使用 0, 1, 2… 編號的方式來識別區別變數。

3、Evaluation Stack：這是由 .NET CLR 在執行時自動管理的記憶體，每個 Thread 都有自己專屬的 Evaluation Stack。前面所謂的堆疊式虛擬機器器，指的就是這個堆疊。

後面有一連串的示意圖，用來解說在執行時此三種記憶體的變化。首先，在進入 Main() 之後，尚未執行任何指令之前，記憶體的狀況如圖1 所示：

圖1                

接著要執行第一道指令 ldc.i4.1。此指令的意思是：在 Evaluation Stack 置入一個 4 byte 的常數，其值為 1。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖2 所示：

ldc.i4.1：表示載入一個值為1到堆疊中，該條指令的語法結構是：

ldc.typevalue：ldc指令加載一個指定型別的常量到stack.
ldc.i4.number：ldc指令更加有效.它傳輸一個整型值-1以及0到8之間的整數給計算堆疊

圖2                

接著要執行第二道指令 stloc.0。此指令的意思是：從 Evaluation Stack 取出一個值，放到第 0 號變數（V0）中。這裡的第 0 號變數其實就是原始碼中的i。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖3 所示：

圖3                

後面的第三道指令和第五道指令雷同於第一道指令，且第四道指令和第六道指令雷同於第二道指令。為了節省篇幅，我不在此一一贅述。提醒大家第 1 號變數（V1）其實就是原始碼中的 j，且第 2 號變數（V2）其實就是原始碼中的 k。圖4~7 分別是執行完第三~六道指令之後，記憶體的變化圖：

圖4                

圖5

圖6

圖7

接著要執行第七道指令 ldloc.0 以及第八道指令 ldloc.1：分別將 V0（也就是 i）和 V1（也就是 j）的值放到 Evaluation Stack，這是相加前的準備動作。圖8 與圖9 分別是執行完第七、第八道指令之後，記憶體的變化圖：

圖8

圖9

接著要執行第九道指令 add。此指令的意思是：從 Evaluation Stack 取出兩個值（也就是 i 和 j），相加之後將結果放回 Evaluation Stack 中。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖10 所示：

圖10

接著要執行第十道指令 ldloc.2。此指令的意思是：分別將 V2（也就是 k）的值放到 Evaluation Stack，這是相加前的準備動作。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖11 所示：

圖11

接著要執行第十一道指令 add。從 Evaluation Stack 取出兩個值，相加之後將結果放回 Evaluation Stack 中，此為 i+j+k 的值。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖12 所示：

圖12

接著要執行第十二道指令 stloc.3。從 Evaluation Stack 取出一個值，放到第 3 號變數（V3）中。這裡的第3號變數其實就是原始碼中的 answer。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖13 所示：

圖13

接著要執行第十三道指令 ldstr "i+j+k="。此指令的意思是：將 "i+j+k=" 的 Reference 放進 Evaluation Stack。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖14 所示：

圖14

接著要執行第十四道指令 ldloc.3。將 V3 的值放進 Evaluation Stack。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖15 所示：

圖15

接著要執行第十五道指令 box [mscorlib]System.Int32，從此處可以看出：值型別與字串進行+操作的時候，由於呼叫的是內部的String.Concat方法，而這個方法是傳遞（object，object）這2個引數，所以會進行裝箱操作（box），因此會有效能上的損失，可以在以後的程式碼編寫中避免不必要的裝箱操作。此指令的意思是：從 Evaluation Stack 中取出一個值，將此 Value Type 包裝（box）成為 Reference Type。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖16 所示：

圖16

接著要執行第十六道指令 call string [mscorlib] System.String::Concat(object, object)。此指令的意思是：從 Evaluation Stack 中取出兩個值，此二值皆為 Reference Type，下面的值當作第一個引數，上面的值當作第二個引數，呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.String.Concat() method 來將此二引數進行字串接合（String Concatenation），將接合出來的新字串放在 Managed Heap，將其 Reference 放進 Evaluation Stack。值得注意的是：由於 System.String.Concat() 是 static method，所以此處使用的指令是 call，而非 callvirt（呼叫虛擬）。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖17 所示：

圖17

請注意：此時 Managed Heap 中的 Int32(6) 以及 String("i+j+k=") 已經不再被參考到，所以變成垃圾，等待 GC 的回收。

接著要執行第十七道指令 call void [mscorlib] System.Console::WriteLine(string)。此指令的意思是：從 Evaluation Stack 中取出一個值，此值為 Reference Type，將此值當作引數，呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.Console.WriteLine() method 來將此字串顯示在 Console 視窗上。System.Console.WriteLine() 也是 static method。執行完此道指令之後，記憶體的變化如圖18 所示：

圖18

接著要執行第十八道指令 ret。此指令的意思是：結束此次呼叫（也就是 Main 的呼叫）。此時會檢查 Evaluation Stack 內剩下的資料，由於 Main() 宣告不需要傳出值（void），所以 Evaluation Stack 內必須是空的，本範例符合這樣的情況，所以此時可以順利結束此次呼叫。而 Main 的呼叫一結束，程式也隨之結束。執行完此道指令之後（且在程式結束前），記憶體的變化如圖19 所示：

圖19

通過此範例，讀者應該可以對於 IL 有最基本的認識。對 IL 感興趣的讀者應該自行閱讀 Serge Lidin 所著的《Inside Microsoft .NET IL Assembler》（Microsoft Press 出版）。我認為：熟知 IL 每道指令的作用，是 .NET 程式員必備的知識。.NET 程式員可以不會用 IL Assembly 寫程式，但是至少要看得懂 ILDASM 反編譯出來的 IL 組合碼。

內容部分引用自msdn