Mono為何能跨平臺？聊聊CIL
http://www.infoq.com/cn/articles/why-mono-can-cross-platform-talk-about-cil
前言:
其實小匹夫在U3D的開發中一直對U3D的跨平臺能力很好奇。到底是什麼原理使得U3D可以跨平臺呢？後來發現了Mono的作用，並進一步瞭解到了CIL的存在。所以，作為一個對Unity3D跨平臺能力感興趣的U3D程式猿，小匹夫如何能不關注CIL這個話題呢？那麼下面各位看官就拾起語文老師教導我們的作文口訣（Why、What、How），和小匹夫一起走進CIL的世界吧~
Why?
回到本文的題目，U3D或者說Mono的跨平臺是如何做到的？
如果換做小匹夫或者看官你來做，應該怎麼實現一套程式碼對應多種平臺呢？
其實原理想想也簡單，生活中也有很多可以參考的例子，比如下圖（誰讓小匹夫是做移動端開發的呢，只能物盡其用從自己身邊找例子了T.T）：
像這樣一根線，管你是安卓還是ios都能充電。所以從這個意義上，這貨也實現了跨平臺。那麼我們能從它身上學到什麼呢？對的，那就是從一樣的能源（電）到不同的平臺（ios，安卓）之間需要一箇中間層過度轉換一下。
那麼來到U3D為何能跨平臺，簡而言之，其實現原理在於使用了叫CIL（Common Intermediate Language通用中間語言，也叫做MSIL微軟中間語言）的一種程式碼指令集，CIL可以在任何支援CLI（Common Language Infrastructure，通用語言基礎結構）的環境中執行，就像.NET是微軟對這一標準的實現，Mono則是對CLI的又一實現。由於CIL能執行在所有支援CLI的環境中，例如剛剛提到的.NET執行時以及Mono執行時，也就是說和具體的平臺或者CPU無關。這樣就無需根據平臺的不同而部署不同的內容了。所以到這裡，各位也應該恍然大了。程式碼的編譯只需要分為兩部分就好了嘛：
- 從程式碼本身到CIL的編譯（其實之後CIL還會被編譯成一種位元碼，生成一個CLI assembly）
- 執行時從CIL（其實是CLI assembly，不過為了直觀理解，不必糾結這種細節）到本地指令的即時編譯（這就引出了為何U3D官方沒有提供熱更新的原因：在iOS平臺中Mono無法使用JIT引擎，而是以Full AOT模式執行的，所以此處說的即時編譯不包括IOS）
What？
上文也說了CIL是指令集，但是不是還是太模糊了呢？所以語文老師教導我們，描述一個東西時肯定要先從外貌寫起。遵循老師的教導，我們不妨先通過工具來看看CIL到底長什麼樣。
工具就是ildasm了。下面小匹夫寫一個簡單的.cs看看生成的CIL程式碼長什麼樣。
C#程式碼：
class Class1
{
public static void Main(string[] args)
{
System.Console.WriteLine("hi");
}
}
CIL程式碼：
.class private auto ansi beforefieldinit Class1
extends [mscorlib]System.Object
{
.method public hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
{
.entrypoint
// 程式碼大小 13 (0xd)
.maxstack 8
IL_0000: nop
IL_0001: ldstr "hi"
IL_0006: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_000b: nop
IL_000c: ret
} // end of method Class1::Main
.method public hidebysig specialname rtspecialname
instance void .ctor() cil managed
{
// 程式碼大小 7 (0x7)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
IL_0006: ret
} // end of method Class1::.ctor
} // end of class Class1
好啦。程式碼雖然簡單，但是也能說明足夠多的問題。那麼和CIL的第一次親密接觸，能給我們留下什麼直觀的印象呢？
- 以“.”一個點號開頭的，例如上面這份程式碼中的：.class、.method 。我們稱之為CIL指令（directive），用於描述.NET程式集總體結構的標記。為啥需要它呢？因為你總得告訴編譯器你處理的是啥吧。
- 貌似CIL程式碼中還看到了private、public這樣的身影。姑且稱之為CIL特性（attribute）。它的作用也很好理解，通過CIL指令並不能完全說明.NET成員和類，針對CIL指令進行補充說明成員或者類的特性的。市面上常見的還有：extends，implements等等。
- 每一行CIL程式碼基本都有的，對，那就是CIL操作碼咯。小匹夫從網上找了一份漢化的操作碼錶放在附錄部分，當然英文版的你的vs就有。
直觀的印象有了，但是離我們的短期目標，說清楚（或者說介紹個大概）CIL是What，甚至是終極目標，搞明白Mono為何能跨平臺還有2萬4千9百里的距離。
好啦，話不多說，繼續亂侃。
參照附錄中的操作碼錶，對照可以總結出一份更易讀的表格。那就是如下的表啦。
檢視完整大圖：
在此，小匹夫想請各位認真讀表，然後心中默數3個數，最後看看都能發現些什麼。
基於堆疊
如果是小匹夫的話，第一感覺就是基本每一條描述中都包含一個“棧”。不錯，CIL是基於堆疊的，也就是說CIL的VM（mono執行時）是一個棧式機。這就意味著資料是推入堆疊，通過堆疊來操作的，而非通過CPU的暫存器來操作，這更加驗證了其和具體的CPU架構沒有關係。為了說明這一點，小匹夫舉個例子好啦。
大學時候學微控制器的時候記得做加法大概是這樣的：
add eax,-2
其中的eax是啥？暫存器。所以如果CIL處理資料要通過cpu的暫存器的話，那也就不可能和cpu的架構無關了。
當然，CIL之所以是基於堆疊而非CPU的另一個原因是相比較於cpu的暫存器，操作堆疊實在太簡單了。回到剛才小匹夫說的大學時候曾經學過的微控制器那門課程上，當時記得各種暫存器，各種標誌位，各種。。。，而堆疊只需要簡單的壓棧和彈出，因此對於虛擬機器的實現來說是再合適不過了。所以想要更具體的瞭解CIL基於堆疊這一點，各位可以去看一下堆疊方面的內容。這裡小匹夫就不拓展了。
面向物件
那麼第二感覺呢？貌似附錄的表中有new物件的語句呀。嗯，的確，CIL同樣是面向物件的。
這意味著什麼呢？那就是在CIL中你可以建立物件，呼叫物件的方法，訪問物件的成員。而這裡需要注意的就是對方法的呼叫。
回到上表中的右上角。對，就是對引數的操作部分。靜態方法和例項方法是不同的哦~
- 靜態方法：ldarg.0沒有被佔用，所以引數從ldarg.0開始。
- 例項方法：ldarg.0是被this佔用的，也就是說實際上的引數是從ldarg.1開始的。
舉個例子：假設你有一個類Murong中有一個靜態方法Add(int32 a, int32 b)，實現的內容就如同它的名字一樣使兩個數相加，所以需要2個引數。和一個例項方法TellName(string name)，這個方法會告訴你傳入的名字。
class Murong
{
public void TellName(string name)
{
System.Console.WriteLine(name);
}
public static int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
}
靜態方法的處理：
那麼其中的靜態方法Add的CIL程式碼如下：
//小匹夫註釋一下。
.method public hidebysig static int32 Add(int32 a,
int32 b) cil managed
{
// 程式碼大小 9 (0x9)
.maxstack 2
.locals init ([0] int32 CS$1$0000) //初始化區域性變數列表。因為我們只返回了一個int型。所以這裡聲明瞭一個int32型別。索引為0
IL_0000: nop
IL_0001: ldarg.0 //將索引為 0 的引數載入到計算堆疊上。
IL_0002: ldarg.1 //將索引為 1 的引數載入到計算堆疊上。
IL_0003: add //計算
IL_0004: stloc.0 //從計算堆疊的頂部彈出當前值並將其儲存到索引 0 處的區域性變數列表中。
IL_0005: br.s IL_0007
IL_0007: ldloc.0 //將索引 0 處的區域性變數載入到計算堆疊上。
IL_0008: ret //返回該值
} // end of method Murong::Add
那麼我們呼叫這個靜態函式應該就是這樣咯。
Murong.Add(1, 2);
對應的CIL程式碼為：
IL_0001: ldc.i4.1 //將整數1壓入棧中
IL_0002: ldc.i4.2 //將整數2壓入棧中
IL_0003: call int32 Murong::Add(int32,
int32) //呼叫靜態方法
可見CIL直接call了Murong的Add方法，而不需要一個Murong的例項。
例項方法的處理：
Murong類中的例項方法TellName()的CIL程式碼如下：
.method public hidebysig instance void TellName(string name) cil managed
{
// 程式碼大小 9 (0x9)
.maxstack 8
IL_0000: nop
IL_0001: ldarg.1 //看到和靜態方法的區別了嗎？
IL_0002: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_0007: nop
IL_0008: ret
} // end of method Murong::TellName
看到和靜態方法的區別了嗎？對，第一個引數對應的是ldarg.1中的引數1，而不是靜態方法中的0。因為此時引數0相當於this，this是不用參與引數傳遞的。
那麼我們再看看呼叫例項方法的C#程式碼和對應的CIL程式碼是如何的。
C#：
//C#
Murong murong = new Murong();
murong.TellName("chenjiadong");
CIL：
.locals init ([0] class Murong murong) //因為C#程式碼中定義了一個Murong型別的變數，所以區域性變數列表的索引0為該型別的引用。 //.... IL_0009: newobj instance void Murong::.ctor() //相比上面的靜態方法的呼叫，此處new一個新物件，出現了instance方法。 IL_000e: stloc.0 IL_000f: ldloc.0 IL_0010: ldstr "chenjiadong" //小匹夫的名字入棧 IL_0015: callvirt instance void Murong::TellName(string) //例項方法的呼叫也有instance
到此，受制於篇幅所限（小匹夫不想寫那麼多字啊啊啊！）CIL是What的問題大致介紹一下。當然沒有再拓展，以後小匹夫可能會再詳細寫一下這塊。
How？
記得語文老師說過，寫作文最重要的一點是要首尾呼應。既然咱們開篇就提出了U3D為何能跨平臺的問題，那麼接近文章的結尾咱們就再來
提問：
Q：上面的Why部分，咱們知道了U3D能跨平臺是因為存在著一個能通吃的中間語言CIL，這也是所謂跨平臺的前提，但是為啥CIL能通吃各大平臺呢？當然可以說CIL基於堆疊，跟你CPU怎麼架構的沒啥關係，但是感覺過於理論化、學術化，那還有沒有通俗化、工程化的說法呢？
A：原因就是前面小匹夫提到過的，.Net執行時和Mono執行時。也就是說CIL語言其實是執行在虛擬機器中的，具體到咱們的U3D也就是mono的執行時了，換言之mono執行的其實CIL語言，CIL也並非真正的在本地執行，而是在mono執行時中執行的，執行在本地的是被編譯後生成的原生程式碼。當然看官博的文章，他們似乎也在開發自己的“mono”，也就是被稱為指令碼的未來的IL2Cpp，這種類似執行時的功能是將IL再編譯成c++，再由c++編譯成原生程式碼，據說效率提升很可觀，小匹夫也是蠻期待的。
這裡為了“實現跨平臺式的演示”，小匹夫用mac給各位做個測試好啦：
從C#到CIL
新建一個cs檔案，然後使用mono來執行。這個cs檔案內容如下：
然後咱們直接在命令列中執行這個cs檔案試試~
說的很清楚，檔案沒有包含一個CIL映像。可見mono是不能直接執行cs檔案的。假如我們把它編譯成CIL呢？那麼我們用mono帶的mcs來編譯小匹夫的Test.cs檔案。
mcs Test.cs
生成了什麼呢？如圖：
好像沒見有叫.IL的檔案生成啊？反而好像多了一個.exe檔案？可是沒聽說Mac能執行exe檔案呀？可為啥又生成了.exe呢？各位看官可能要說，小匹夫你是不是拿windows截圖P的啊？嘿嘿，小匹夫可不敢。辣麼真相其實就是這個exe並不是讓Mac來執行的，而是留給mono執行時來執行的，換言之這個檔案的可執行程式碼形式是CIL的位元碼形態。到此，我們完成了從C#到CIL的過程。接下來就讓我們執行下剛剛的成果好啦。
mono Test.exe
結果是輸出了一個大大的“Hi”。這裡，就引出了下一個部分。
從CIL到Native Code
這個“HI”可是在小匹夫的MAC終端上出現的呀，那麼就證明這個C#寫的程式碼在MAC上執行的還挺“嗨”。
為啥呢？為啥C#寫的程式碼能跑在MAC上呢？這就不得不提從CIL如何到本機原生程式碼的過程了。Mono提供了兩種編譯方式，就是我們經常能看到的：JIT（Just-in-Time compilation，即時編譯）和AOT（Ahead-of-Time，提前編譯或靜態編譯）。這兩種方式都是將CIL進一步編譯成平臺的原生程式碼。這也是實現跨平臺的最後一步。下面就分頭介紹一下。
JIT即時編譯：
從名字就能看的出來，即時編譯，或者稱之為動態編譯，是在程式執行時才編譯程式碼，解釋一條語句執行一條語句，即將一條中間的託管的語句翻譯成一條機器語句，然後執行這條機器語句。但同時也會將編譯過的程式碼進行快取，而不是每一次都進行編譯。所以可以說它是靜態編譯和直譯器的結合體。不過你想想機器既要處理程式碼的邏輯，同時還要進行編譯的工作，所以其執行時的效率肯定是受到影響的。因此，Mono會有一部分程式碼通過AOT靜態編譯，以降低在程式執行時JIT動態編譯在效率上的問題。
不過一向嚴苛的IOS平臺是不允許這種動態的編譯方式的，這也是U3D官方無法給出熱更新方案的一個原因。而Android平臺恰恰相反，Dalvik虛擬機器使用的就是JIT方案。
AOT靜態編譯：
其實Mono的AOT靜態編譯和JIT並非對立的。AOT同樣使用了JIT來進行編譯，只不過是被AOT編譯的程式碼在程式執行之前就已經編譯好了。當然還有一部分程式碼會通過JIT來進行動態編譯。下面小匹夫就手動操作一下mono，讓它進行一次AOT編譯。
//在命令列輸入 mono --aot Test.exe
結果：
檢視完整大圖：
從圖中可以看到JIT time： 39 ms，也就是說Mono的AOT模式其實會使用到JIT，同時我們看到了生成了一個適應小匹夫的MAC的動態庫Test.exe.dylib，而在Linux生成就是.so（共享庫）。
AOT編譯出來的庫，除了包括我們的程式碼之外，還有被快取的元資料資訊。所以我們甚至可以只編譯元資料資訊而不編譯程式碼。例如這樣：
//只包含元資料的資訊 mono --aot=metadata-only Test.exe
檢視完整大圖：
可見程式碼沒有被包括進來。
那麼簡單總結一下AOT的過程：
- 收集要被編譯的方法
- 使用JIT進行編譯
- 發射（Emitting）經JIT編譯過的程式碼和其他資訊
- 直接生成檔案或者呼叫本地彙編器或聯結器進行處理之後生成檔案。（例如上圖中使用了小匹夫本地的gcc）
Full AOT
當然上文也說了，IOS平臺是禁止使用JIT的，可看樣子Mono的AOT模式仍然會保留一部分程式碼會在程式執行時動態編譯。所以為了破解這個問題，Mono提供了一個被稱為Full AOT的模式。即預先對程式集中的所有CIL程式碼進行AOT編譯生成一個原生代碼映像，然後在執行時直接載入這個映像而不再使用JIT引擎。目前由於技術或實現上的原因在使用Full AOT時有一些限制，不過這裡不再多說了。以後也還會更細的分析下AOT。
總結
好啦，寫到現在也已經到了凌晨3：04分了。感覺寫的內容也差不多了。那麼對本文的主題U3D為何能跨平臺以及CIL做個最終的總結陳詞：
- CIL是CLI標準定義的一種可讀性較低的語言。
- 以.NET或mono等實現CLI標準的執行環境為目標的語言要先編譯成CIL，之後CIL會被編譯，並且以位元碼的形式存在（原始碼--->中間語言的過程）。
- 這種位元碼執行在虛擬機器中(.net mono的執行時）。
- 這種位元碼可以被進一步編譯成不同平臺的原生程式碼（中間語言--->原生程式碼的過程）。
- 面向物件
- 基於堆疊
感謝郭蕾對本文的審校。