一步步教你读懂NET中IL(附详细图)

本文章以一个实际的例子,让你了解堆叠式 VM 的运作原理,并对 .NET IL(Intermediate Language)有最基本的领略。

下面是一个简单的 C# 原始码:

 

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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);
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}

  将此原始码编译之后,可以得到一个 EXE的程序。我们可以通过 IL反汇编程序来反编译 EXE 以观察IL。将 Main() 的 IL 反编译条列如下,这里共有十八道IL 指令(stloc和ldloc)

 

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

此程式执行时,关键的记忆体有三种,分別是:

  1、Managed Heap:这是动态配置(Dynamic Allocation)的记忆体,由 Garbage Collector(GC)在执行时自动管理,整个Process 共用一个 Managed Heap。

  2、Call Stack:这是由 .NET CLR 在执行时自动管理的记忆体,每个 Thread 都有自己专属的 Call Stack。每调用一次 method,就会使得Call Stack 上多了一个 Record Frame;调用完毕之后,此 Record Frame 会被丢弃。一般來说,Record Frame 內记录着 method 参数(Parameter)、返回位址(Return Address)、以及区域变数(Local Variable)。Java VM 和 .NET CLR 都是使用 0, 1, 2… 编号的方式來识別区别变数

 3、Evaluation Stack:这是由 .NET CLR 在执行时自动管理的记忆体,每个 Thread 都有自己专属的 Evaluation Stack。前面所谓的堆叠式虚拟机器,指的就是这个堆叠。

  后面有一连串的示意图,用來解说在执行时此三种记忆体的变化。首先,在进入 Main() 之后,尚未执行任何指令之前,记忆体的状況如图1 所示

  

接着要执行第一道指令 ldc.i4.1。此指令的意思是:在 Evaluation Stack 置入一个 4 byte 的常数,其值为 1。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图2 所示:

  ldc.i4.1:表示加载一个值为1到堆栈中,该条指令的语法结构是:

  ldc.type value:ldc指令加载一个指定类型(type)值为value的到stack.(其中i4是int32,i8int64)

接着要执行第二道指令 stloc.0。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 取出一个值,放到第 0 号变数(V0)中。这里的第 0 号变数其实就是原始码中的变量i。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图3 所示:

后面的第三道指令和第五道指令雷同于第一道指令,且第四道指令和第六道指令雷同于第二道指令。为了节省篇幅,我不在此一一赘述。提醒大家第 1 号变数(V1)其实就是原始码中的 变量j,且第 2 号变数(V2)其实就是源码中的 变量k。图4~7 分別是执行完第三~六道指令之后,记忆体的变化图

接着要执行第七道指令 ldloc.0 以及第八道指令 ldloc.1:分別将 V0(也就是 i)和 V1(也就是 j)的值放到 Evaluation Stack,这是相加前的准备动作。图8与图9 分別是执行完第七、第八道指令之后,记忆体的变化图:

接着要执行第九道指令 add。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 取出兩个值(也就是 变量i 和 变量j),相加之后将结果放回 Evaluation Stack 中。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图10 所示

接着要执行第十道指令 ldloc.2。此指令的意思是:分別将 V2(也就是 变量k)的值放到 Evaluation Stack,这是相加前的准备动作。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图11 所示

接着要执行第十一道指令 add。从 Evaluation Stack 取出兩个值,相加之后将结果放回 Evaluation Stack 中,此为 i+j+k 的值。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图12 所示:

接着要执行第十二道指令 stloc.3。从 Evaluation Stack 取出一个值,放到第 3 号变数(V3)中。这里的第3号变数其实就是原始码中的 变量answer。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图13 所示:

接着要执行第十三道指令 ldstr "i+j+k="。此指令的意思是:将 "i+j+k=" 的 Reference 放进 Evaluation Stack。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图14 所示:

接着要执行第十四道指令 ldloc.3。将 V3 的值放进 Evaluation Stack。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图15 所示:

接着要执行第十五道指令 box [mscorlib]System.Int32,从此处可以看出:值类型与字符串进行+操作的时候(Console.WriteLine("i+j+k="+answer)),由于调用的是内部的String.Concat方法,而这个方法是传递(object,object)这2个参数,所以会进行装箱操作(box),因此会有性能上的损失,可以在以后的代码编写中避免不必要的装箱操作。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 中取出一个值,将此 Value Type 包裝(box)成为 Reference Type。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图16 所示:

接着要执行第十六道指令 call string [mscorlib] System.String::Concat(object, object)。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 中取出兩个值,此二值皆为 Reference Type,下面的值当作第一个参数,上面的值当作第二个参数,调用 mscorlib.dll 所提供的 System.String.Concat() method 來将此二参数进行字串接合(String Concatenation),将接合出來的新字串放在 Managed Heap,将其 Reference 放进 Evaluation Stack。值得注意的是:由于 System.String.Concat() 是 static method,所以此处使用的指令是 call,而非 callvirt(调用虚拟)。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图17 所示

请注意:此时 Managed Heap 中的 Int32(6) 以及 String("i+j+k=") 已经不再被參考到,所以变成垃圾,等待 GC 的回收。

  接着要执行第十七道指令 call void [mscorlib] System.Console::WriteLine(string)。此指令的意思是:从 Evaluation Stack 中取出一个值,此值为 Reference Type,将此值当作参数,调用 mscorlib.dll 所提供的 System.Console.WriteLine() method 來将此字串显示在 Console 視窗上。System.Console.WriteLine() 也是 static method。执行完此道指令之后,记忆体的变化如图18 所示:

接着要执行第十八道指令 ret。此指令的意思是:结束此次调用(也就是 Main 的调用)。此时会檢查 Evaluation Stack 內剩下的資料,由于 Main() 宣告不需要传出值(void),所以 Evaluation Stack 內必須是空的,本范例符合这样的情況,所以此时可以顺利结束此次调用。而 Main 的调用一结束,程式也随之结束。执行完此道指令之后(且在程式结束前),记忆体的变化如图19 所示:

内容引用自MSDN(http://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/dd229210.aspx)

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