《C# to IL》第三章 选择和循环
-3-
在IL中，标号（label）是一个末尾带有冒号（即：）的名称。它使我们能够从代码的一部分无条件地跳转到另一部分。我们经常在由反编译器生成的IL代码中看到这个标号。例如：
IL_0000: ldstr "hi"
IL_0005: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(class System.String)
IL_000a: call void zzz::abc()
IL_000f: ret
在冒号前面的词就是标号。在下面给出的程序中，我们在函数abc中创建一个名为a2的标号。指令br用于随时跳转到程序中的任何标号。
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
.locals (int32 V_0,class zzz V_1)
newobj instance void zzz::.ctor()
stloc.1
call int32 zzz::abc()
stloc.0
ldloc.0
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
ret
}
.method private hidebysig static int32 abc() il managed
{
.locals (int32 V_0)
ldc.i4.s 20
br.s a2
ldc.i4.s 30
a2: ret
}
}
Output
20
函数abc示范了这个概念。在这个函数中，代码绕过了指令ldc.i4.s 30。因此，返回值显示为20而不是30。从而，IL使用br指令来无条件地跳跃到代码的任何部分。（程序集指令br获取4字节，而在.sr之前的br，即br.s获取1字节，对于每个标记为.s的指令，解释都是相同的。）
br指令是IL得以运转的关键组件之一。
a.cs
class zzz
{
static bool i = true;
public static void Main()
{
if (i)
System.Console.WriteLine("hi");
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld bool zzz::i
brfalse.s IL_0011
ldstr "hi"
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(class System.String)
IL_0011: ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.1
stsfld bool zzz::i
ret
}
}
Output
hi
在我们的C#程序中，我们将静态变量初始化为true值。
l 静态变量，如果它们是字段，就会在静态构造函数.cctor中被初始化。这会在上面的程序中显示。
l 另一方面，局部变量在它们所在的函数中被初始化。
这里，让人吃惊的是，使用ldc指令将值1放置在栈上的静态构造函数中。即使同时在C#和IL中定义了字段i，还是没有true或false这样的符号。
接下来，使用stsfld将静态变量i初始化为值1，尽管变量是布尔类型的。这就证实了IL支持bool数据类型，它不会识别出单词true或false。因此，在IL中，布尔值分别只是数字1或0的别名。
布尔运算符TRUE或FALSE是由C#引进的关键字，用来使程序员的工作更加轻松。由于IL不直接支持这些关键字，所以它会替代地使用数字1或0。
指令ldsfld把静态变量的值加载到栈上。指令brfalse对栈进行扫描。如果它找到了数字1，它就会将其解释为TRUE，而如果它找到了数字0，它就会将其解释为FALSE。
在这个例子中，它在栈上找到的值是1或TRUE，所以它不会跳转到标号IL_0011。在从C#到IL的转换中，ildasm使用以IL_开始的名称来代替标号。
指令brfalse表示“如果FALSE就跳转到标号”。这不同于br，后者总是会导致一个跳转。从而，brfalse是一个有条件的跳转指令。
在IL中没有提供if语句功能的指令。C#中的if语句会被转换为IL中的转移（branch）指令。我们所处的任何汇编器，都没有像if结构体这样的高级概念。
可以看到，我们刚刚学到的那些知识，对于我们掌握IL是非常重要的。这将帮助我们获得——区别关于哪个概念是IL的一部分而哪些是由编程语言的设计者引进——的能力
尤其需要注意的是，如果IL不支持某个特性，它就不能用任何.NET编程语言实现。从而，熟悉IL所支持的各种概念的重要性——怎么强调都不过分。
a.cs
class zzz
{
static bool i = true;
public static void Main()
{
if (i)
System.Console.WriteLine("hi");
else
System.Console.WriteLine("false");
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld bool zzz::i
brfalse.s IL_0013
ldstr "hi"
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(class System.String)
br.s IL_001d
IL_0013: ldstr "false"
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(class System.String)
IL_001d: ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.1
stsfld bool zzz::i
ret
}
}
Output
hi
在编程语言中，if-else语句是极其容易理解的，但是在IL中它却是相当令人困惑的。IL检查栈上的值是1还是0。
l 如果栈上的值是1，正如这个例子中的那样，它调用带有参数hi的WriteLine函数，并随后使用无条件跳转指令br，跳转到标号IL_001d。
l 如果栈上的值是0，代码跳转到IL_0013，并且WriteLine函数会打印出false。
从而，为了在IL中实现if-else结构，需要一个有条件跳转和一个无条件跳转。如果我们使用多个if-else语句，那么IL代码的复杂度就会动态增加。
现在，可以看出编译器的编写者的智商了。
a.cs
class zzz
{
public static void Main()
{
}
void abc( bool a)
{
if (a)
{
int i = 0;
}
if ( a)
{
int i = 3;
}
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class public auto ansi zzz extends [mscorlib]System.Object
{
.field private int32 x
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ret
}
.method private hidebysig instance void abc(bool a) il managed
{
.locals (int32 V_0,int32 V_1)
ldarg.1
brfalse.s IL_0005
ldc.i4.0
stloc.0
IL_0005: ldarg.1
brfalse.s IL_000a
ldc.i4.3
stloc.1
IL_000a: ret
}
}
C#编程语言就更复杂了。在内部的一组括号中，我们不能创建之前已经在外部创建的变量。上面的C#程序在语法上是正确的，因为括号都是在同一级别上。
在IL中，会稍微简单一些。这两个i会变成两个单独的变量V_0和V_1。因此，IL不会暴露施加在变量上的任何约束。
a.cs
class zzz
{
static bool i = true;
public static void Main()
{
while (i)
{
System.Console.WriteLine("hi");
}
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
br.s IL_000c
IL_0002: ldstr "hi"
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(class System.String)
IL_000c: ldsfld bool zzz::i
brtrue.s IL_0002
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.1
stsfld bool zzz::i
ret
}
}
当看到反汇编的代码时，你将理解为什么程序员不以编写IL代码来谋生。即使一个简单的while循环，在转换为IL后都会变得惊人的复杂。
对于一个while结构，会创建一个到标号IL_000c的无条件跳转，它位于函数的结尾。这里，它加载静态变量i的值到栈上。
下一个指令brtrue，做的事情和指令brfalse所做的正好相反。实现如下：
l 如果栈顶的值——例如，字段i的值——是1，那么它会跳转到标号IL_0002。然后值hi被放到栈上并且WriteLine函数会被调用。
l 如果栈顶的值是0，那么程序将跳转到ret指令。
上面的程序，正如你所看到的那样，并不打算停止。它会继续流动，就像一个起源于一个巨大冰川的水流。
a.cs
class zzz
{
static int i = 2;
public static void Main()
{
i = i + 3;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static int32 i
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld int32 zzz::i
ldc.i4.3
add
stsfld int32 zzz::i
ldsfld int32 zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.2
stsfld bool zzz::i
ret
}
}
Output
5
IL没有操作符用来做两个数字的加法，而是使用add指令。
add指令需要用来做加法的两个数字，也就是栈上开始的2个有效的元素。因此，ldsfld指令把静态变量i的值和常量值3放到栈上。随后，add指令把它们相加并把结果放到栈上。它还会从栈上移除用来做加法的2个数字。
一旦指令被执行了，IL中的大多数指令就会摆脱栈上的参数，也就是该指令要操作的参数。
使用指令stsfld将静态变量i初始化为加法的结果总和。剩下的代码直接显示了变量i的值。
在IL中没有++操作符的等价物。它会被转换为指令ldc.i4.1。同样，两个数字相乘，需要使用mul指令；相减，就使用sub指令，等等。它们在IL中都有等价物。之后的代码保持不变。
a.cs
class zzz
{
static bool i;
static int j = 19;
public static void Main()
{
i = j > 16;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.field private static int32 j
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld int32 zzz::j
ldc.i4.s 16
cgt
stsfld bool zzz::i
ldsfld bool zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(bool)
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.s 19
stsfld int32 zzz::j
ret
}
}
Output
True
现在我们将研究IL如何处理条件操作符。让我们考虑C#中的语句j>i16。IL首先把值j放到栈上，也就是常量值16的前面。随后它会调用cgt操作，这是它首次在我们的源代码中出现。这个指令检查栈上的第1个值是否大于第2个。如果是，那么它会把值1（TRUE）放到栈上，否则它会把值0（FALSE）放到栈上。这个值随后被存储到变量i中。使用WritleLine函数，就会生成布尔值的输出，从而我们看到显示True。
同样，操作符<被转换为clt指令，它会检查栈上的第1个值是否小于第2个。从而我们看到IL具有它自己的一套逻辑操作符，对基本的逻辑运算进行内部处理。
a.cs
class zzz
{
static bool i;
static int j = 19;
public static void Main()
{
i = j == 16;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.field private static int32 j
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld int32 zzz::j
ldc.i4.s 16
ceq
stsfld bool zzz::i
ldsfld bool zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(bool)
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.s 19
stsfld int32 zzz::j
ret
}
}
Output
False
操作符==就是EQUALITY操作符。它也需要栈上的2个操作数（operand）来检查相等性。此后它使用ceq指令来检查相等性。如果相等，它会把值1（TRUE）放到栈上，如果不相等，它会把值0（FALSE）放到栈上。指令ceq是IL的逻辑指令集的不可缺少的一部分。
a.cs
class zzz
{
static bool i;
static int j = 19;
public static void Main()
{
i = j >= 16;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.field private static int32 j
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld int32 zzz::j
ldc.i4.s 16
cgt
ldc.i4.0
ceq
stsfld bool zzz::i
ldsfld bool zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(bool)
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.s 19
stsfld int32 zzz::j
ret
}
}
Output
False
“小于等于”（<=）和“大于等于”（>=）的实现有一点复杂。实际上它们都具有2个融合在一起的条件。
在>=的情况中，IL首先使用cgt指令来检查第1个数字是否大于第2个数字。如果是，它将返回值1，否则就返回值0。如果第1个条件是FALSE，那么ceq指令将会检查这2个数字是否相等。如果相等，它就返回TRUE，否则就返回FALSE。
让我们从一个稍微不同的角度来分析上面的IL代码。我们对这两个值19和16进行比较。在这个例子中，因为19大于16，所以指令cgt将会把值1放到栈上。
让我们在静态构造函数中将字段j的值修改为1。现在，由于数字1不大于16，所以cgt指令将把值FALSE或0放到栈上。此后，使用ldc指令把另一个0放到栈上。现在当ceq指令比较两个值时，因为它们都是0，所以它会返回TRUE。
现在，如果我们将j修改为16，cgt指令将返回FALSE，因为16不大于16。此后，由于使用ldc指令把值0放到栈上，这两个传递到ceq的值将都是0。由于0与0是相等的，所以返回值是1或TRUE。
如果你不能理解上面的解释，那么就从源代码中移除ldc.i4.0和ceq这两行，并观察输出。
a.cs
class zzz
{
static bool i;
static int j = 19;
public static void Main()
{
i = j != 16;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static bool i
.field private static int32 j
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldsfld int32 zzz::j
ldc.i4.s 16
ceq
ldc.i4.0
ceq
stsfld bool zzz::i
ldsfld bool zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(bool)
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.s 19
stsfld int32 zzz::j
ret
}
}
Output
True
“不等于”操作符，也就是!=，是==的相反操作。它使用了两个ceq指令。第1个ceq指令用来检查栈上的值是否相等。如果它们是相等的，它就会返回TRUE；否则就返回FALSE。
第2个ceq将前面的ceq结果和FLASE进行比较。如果第1个ceq的结果是TRUE，那么最后的答案就是FALSE，反之亦然。
这确实是一种独创的方式来对一个值求否。
a.cs
class zzz
{
static int i = 1;
public static void Main()
{
while ( i <= 2)
{
System.Console.WriteLine(i);
i++;
}
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static int32 i
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
br.s IL_0018
IL_0002: ldsfld int32 zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
ldsfld int32 zzz::i
ldc.i4.1
add
stsfld int32 zzz::i
IL_0018: ldsfld int32 zzz::i
ldc.i4.2
ble.s IL_0002
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.s 1
stsfld int32 zzz::i
ret
}
}
Output
1
2
在介绍完条件语句之后，我们现在将关注于while循环。这种转换是必须的，因为我们在诸如while这样的循环中使用条件语句。包括条件的while循环稍微有点复杂。
让我们直接到标号IL_0018上，它位于IL代码中zzz函数的结尾。这里存在着一个条件。i的值（即1）被存储到栈上。接下来，常量2被放到栈上。
如果你再次访问C#代码，那么while语句中的条件就是i <= 2。指令ble.s是基于两个构造函数的：cgt和brfalse。这个指令检查了第1个值（即变量i）是否小于等于第2个值。如果是，它就会指示程序跳转到标号IL_0002。如果不是，程序就移动到下一个指令。
因此，像ble这样的指令使我们的工作更加容易，因为我们不必再次使用cgt和brfalse指令。
在C#中，while结构的条件出现在顶部，但是条件的代码出现在底部。在转换为IL时，在while结构体之间被执行的代码，会被放置在条件代码之上。
a.cs
class zzz
{
static int i = 1;
public static void Main()
{
for ( i = 1; i <= 2 ; i++)
{
System.Console.WriteLine(i);
}
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends System.Object
{
.field private static int32 i
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
ldc.i4.1
stsfld int32 zzz::i
br.s IL_001e
IL_0008: ldsfld int32 zzz::i
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
ldsfld int32 zzz::i
ldc.i4.1
add
stsfld int32 zzz::i
IL_001e: ldsfld int32 zzz::i
ldc.i4.2
ble.s IL_0008
ret
}
.method public hidebysig specialname rtspecialname static void .cctor() il managed
{
ldc.i4.s 1
stsfld int32 zzz::i
ret
}
}
Output
1
2
老生常谈，while和for结构提供了相同的功能，可以互相转换。
在for循环中，第1个分号之前的代码只能被执行一次。因此，将要被初始化的变量i，位于循环的外面。然后，我们无条件跳转到标号IL_001e，以检查i的值是否小于2。如果结果为TRUE，那么代码跳转到标号IL_0008，它是for语句这段代码的开始点。
使用WriteLine函数打印出i的值。此后，变量i的值每次增长1，而条件会被一次又一次的检查。
a.cs
public class zzz
{
public static void Main()
{
int i;
i = 1;
while ( i <= 2)
{
System.Console.Write(i);
i++;
}
i = 1;
do
{
System.Console.Write(i);
i++;
} while ( i <= 2);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends [mscorlib]System.Object
{
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
.locals (int32 V_0)
ldc.i4.1
stloc.0
br.s IL_000e
IL_0004: ldloc.0
call void [mscorlib]System.Console::Write(int32)
ldloc.0
ldc.i4.1
add
stloc.0
IL_000e: ldloc.0
ldc.i4.2
ble.s IL_0004
ldc.i4.1
stloc.0
IL_0014: ldloc.0
call void [mscorlib]System.Console::Write(int32)
ldloc.0
ldc.i4.1
add
stloc.0
ldloc.0
ldc.i4.2
ble.s IL_0014
ret
}
}
Output
1212
在C#中，do循环和while循环之间的区别是——条件在什么位置被检查。
l 在do-while循环中，条件会在循环的结尾被检查。这意味着循环中的代码至少会被调用一次。
l 在while循环中，条件会在循环的开始被检查。因此，代码可能从来都不会被执行。
不管是哪种情况，我们都把值1放到栈上，并初始化变量i或V_1。
l 在while循环中，我们首先跳转到标号IL_000e，也就是检查条件——变量是否小于等于2——的地方。如果返回TRUE，我们就跳转到标号IL_0004。
l 在do-while循环中，首先Write函数会被执行，随后包括在花括号{}中的剩余代码将会被执行。当到达花括号{}中代码的最后一行时，条件才会被检查。
因此，在IL中写一个do-while循环要比写一个while循环简单得多，因为条件会直接在循环的末尾被检查。
a.cs
public class zzz
{
public static void Main()
{
int i ;
for ( i = 1; i<= 10 ; i++)
{
if ( i == 2)
break;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends [mscorlib]System.Object
{
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
.locals (int32 V_0)
ldc.i4.1
stloc.0
br.s IL_0014
IL_0004: ldloc.0
ldc.i4.2
bne.un.s IL_000a
br.s IL_0019
IL_000a: ldloc.0
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
ldloc.0
ldc.i4.1
add
stloc.0
IL_0014: ldloc.0
ldc.i4.s 10
ble.s IL_0004
IL_0019: ret
}
}
Output
1
break语句强迫退出for循环、while循环或do-while循环。和往常一样，我们跳转到标号IL_0014，也就是变量V_0或i的值被放置到栈上的地方。然后，我们把条件值10放到栈上，并使用ble.s指令检查i是小于还是大于10。
-
如果小于，我们就进入到循环中的标号 IL_0004 。我们再次把变量 i的值放到栈上，并把if语句的值2放到栈上。然后，我们使用 bne 指令——它是 ceq 指令和 brfalse 指令的组合。
-
如果变量 V_0 为 TRUE ， break 语句就能确保——使用 br.s 指令跳转到标号 IL_0019 处的 ret 语句从而退出 loop 循环。
a.cs
public class zzz
{
public static void Main()
{
int i ;
for ( i = 1; i<= 10 ; i++)
{
if ( i == 2)
continue;
System.Console.WriteLine(i);
}
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends [mscorlib]System.Object
{
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
.locals (int32 V_0)
ldc.i4.1
stloc.0
br.s IL_0014
IL_0004: ldloc.0
ldc.i4.2
bne.un.s IL_000a
br.s IL_0010
IL_000a: ldloc.0
call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
IL_0010: ldloc.0
ldc.i4.1
add
stloc.0
IL_0014: ldloc.0
ldc.i4.s 10
ble.s IL_0004
ret
}
}
continue语句控制for循环到达结束位置。当if语句结果为TRUE时，程序将绕过WriteLine函数而跳转到循环的结束。然后，代码将在标号IL_0010继续执行，这里，变量V_0的值会增加1。
在break和continue语句之间的主要区别如下所示：
l 在break语句中，程序会跳出循环。
l 在continue语句中，程序绕过剩下的语句，跳转到循环的结尾。
goto语句也能到达相同的功能。从而，break语句、continue语句或goto语句，在转换为IL时，都会被转换为相同的br指令。
下面的程序示范了C#中的goto语句会被直接转换为IL中的br语句。
a.cs
public class zzz
{
public static void Main()
{
goto aa;
aa: ;
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends [mscorlib]System.Object
{
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
br.s IL_0002
IL_0002: ret
}
}
C#中一个简单的goto语句，会被转换为IL中的br指令。在C#这样的语言中使用goto被认为是不恰当的，但是，它在IL中的等价物——br指令，对于实现诸如if语句、循环等各种结构而言，却是极其有用的。因此，在编程语言中的禁忌，在IL中却是极其有用的。
a.cs
public class zzz
{
public static void Main()
{
int j;
for ( int i = 1; i <= 2 ; i++)
System.Console.Write(i);
}
}
a.il
.assembly mukhi {}
.class private auto ansi zzz extends [mscorlib]System.Object
{
.method public hidebysig static void vijay() il managed
{
.entrypoint
.locals (int32 V_0,int32 V_1)
ldc.i4.1
stloc.1
br.s IL_000e
IL_0004: ldloc.1
call void [mscorlib]System.Console::Write(int32)
ldloc.1
ldc.i4.1
add
stloc.1
IL_000e: ldloc.1
ldc.i4.2
ble.s IL_0004
ret
}
}
Output
12
这个例子解释了for循环。我们在Main函数中创建了一个变量j，在for语句中创建了一个变量i。在C#中，这个变量i只在for循环中是可见的。因此，这个变量的作用域是受限制的。
但是，转换到IL时，所有的变量都具有相同的作用域。这是因为，变量作用域的概念对IL而言有所不同。因此，取决于C#编译器所执行的变量作用域规则。因此，我们能判断出——所有的变量在IL中具有相同的作用域和可见性。