《Expert .NET 2.0 IL Assembler》 第一章 简单示例 1.1 CLR的基本概念

返回目录

 

     这一章提供了对ILAsm——MSIL编译语言的基本概述。（MSIL表示Microsoft中间语言，稍后将在本章讨论。）本章回顾了一个用ILAsm写的相对简单的程序，随后我建议作一些改动来举例说明：如何用ILAsm表示Microsoft .NET程序中的概念和元素。

这一章并没有教你如何用ILAsm写程序。但是这将帮助你理解ILAsm和ILDASM做了什么，以及如何通过你的这些理解并借助这些无处不在的工具来分析基于.NET程序的内部结构。你也将会认识到一些有趣的事情，在CLR中发生在场景背后的神秘事件，相当的有趣，我希望这将促使你读完本书的剩余部分。

     注意：方便起见，我在本书中将IL汇编语言简写为ILAsm。不要将其与ILASM混淆，后者是IL编译器在.NET文档中的简写形式。

     CLR的基本概念

     .NET CLR不仅是.NET诸多方面中的一种，更是.NET的核心。（注意到，因为语义多样性的缘故，，我有时会将CLR称为运行时。）我将重点放在.NET中真正发生行为的部分，而不是关于.NET平台的全部描述。

     注意：获取关于.NET以及它的组件的一半结构的精彩讨论，参见David S.Platt所著《Introducing Micorsoft .NET》第三版（Microsoft Press, 2003），以及Tom Archer和Andrew Whitechapel合著的《Inside C#》第二版（Microsoft Press, 2002）。

     简而言之，CLR是.NET应用程序运行时所在的一个运行环境。它提供了介于.NET应用程序和底层操作系统中间的一个可操作的层。从概念上说，CLR类似于解释型语言（如GBasic）。但是这种相似性只是概念上的：CLR不是一种解释器。

     由面向.NET的编译器（如Microsoft Visual C#，Microsoft Visual Basic.NET，ILAsm以及很多其它编译器）生成的.NET应用程序，表现为一种抽象的中间形式，而不依赖于原始的编程语言、目标机器以及它的操作系统。因为它们可以表现为这种抽象的形式，用各种语言写成的.NET应用程序能够紧密地互操作，不仅是可以互相调用方法这一级别，还有类的继承性这一级别。

     当然，既然给出这些程序语言的不同之处，那么就有必要为应用程序建立一套使这些语言配合融洽的规则。例如，如果你用C#写一个应用程序，命名3个条目：MYITEM、MyItem、myitem；而Basic.NET对大小写不敏感的，在分辨它们的时候就很困难。同样地，如果你用ILAsm写一个程序，定义了一个全局方法，C#将不能调用这个方法，因为C#中是没有 “全局”这个概念的。
     这套规则保证了.NET应用程序的互操作能力，被称为公共语言规范（CLS），它的轮廓会在CLI这一ECMA国际和ISO标准的第一部分描述。CLS限制了命名转换、数据类型、函数类型以及其他特定的元素，为不同的语言形成一个共同点。然而，要牢记的很重要的一点，CLS只是一种建议而并没有在CLR上生成什么功能，但是你不能保证它可以在所有级别与其它应用程序互操作。
     作为专为CLR环境设计的.NET应用程序，这种抽象的中间表示，包括了两个主要部分：元数据和托管代码。元数据是应用程序的所有结构化元素的描述符组成的体系，包括类，以及它们的成员和特性、全局项等等；元数据也包括这些项之间的关系。本章提供了元数据的一些例子，后面的章节将会描述所有的元数据结构。
托管代码代表了应用程序的方法的功能性，它们编码在一个抽象的二进制格式中，后者被称为微软中间语言（MSIL）或公共中间语言（CIL）。简而言之，我将这种编码简称为中间语言（IL）。当然，世界上还存在着其它中间语言，但是我们现在所关心的是，我们都认为IL就是MSIL，除非特别指出。
     CLR“管理着”IL代码。CLR管理包括（但并不局限于此）：类型控制，结构化异常处理，以及垃圾收集。类型控制包括了在执行期间对的元素类型的验证和转换。托管的异常处理从机能上类似于“非托管”的结构化异常处理，但它是由CLR执行的而不是操作系统。垃圾收集包括了自动识别和处理不再使用的对象。
     一个作为专为CLR环境设计的.NET应用程序，由一个或多个托管可执行体组成，其中每一个都携带元数据和（可选的）托管代码。托管代码是可选的，这是因为，创建一个不含任何方法的托管可执行体是可能的。（显然，这样一个可执行体只能用来作为一个应用程序的附属部分。）托管的.NET应用程序称为“程序集”。（这样的陈述有点简单；为了获取更多关于程序集和应用程序的信息，参见第6章。）托管的可执行体涉及到模块（module）。你可以创建单模块的程序集和多模块的程序集。正如图1-1所示，每一个程序集包括了一个主模块，这个模块在它的元数据中携带了程序集的验证信息。

图1-1 一个多模块的.NET程序集

图1-1还展示了托管可执行体的两个主要部分：元数据和IL代码。两个主要的CLR子系统：加载器和JIT（just-in-time）编译器，各自相应地处理了每个部分。
简单地讲，加载器读取元数据并在内存中创建类及其成员的内部表示和布局。它是按需执行的，这意味着一个类只有在被引用的时候才会被加载和表示。没有引用到的类不会被加载。当加载一个类的时候，加载器对相关元数据运行一系列的一致性检查。
JIT编译器，依赖于加载器活动的结果，将IL编码的方法编译到底层平台的本地代码中。因为CLR并不是一个解释器，它不执行任何IL代码。替代地，IL代码在内存中被编译到本地代码中，这些本地代码会被执行。JIT编译器也是按需执行的，这意味着一个方法只有在被调用的时候才会被编译。编译器方法在内存中留有一个缓存。如果内存是有限的，毕竟，存在小型计算设备这样的例子，如一个PDA处理器或一个智能电话。如果这些方法没有被使用到，就会被销毁。如果一个方法在被销毁后被再次调用，那么该方法会被重新编译
图1-2展示了创建和执行一个托管的.NET应用程序的顺序。顶部的带有空心圆的箭头指出了数据传输；带有黑色实心圆的箭头代表了请求和控制信息。

图1-2创建和执行一个托管的.NET应用程序

你可以使用NGEN工具，预编译一个托管的可执行体，从IL到本地代码。你可以这么做，当可执行体重复运行在本地硬盘的时候，从而节省了JIT编译器上花费的时间。这是一个标准的过程，例如，对于.NET框架的托管部分，将会在安装过程中进行预编译。（Tom Archer称之为“安装期代码生成”）。在这种情况下，预编译代码保存到硬盘或其他存储介质，每次可执行体被调用的时候，将使用预编译的本地代码版本，而不是原始的IL版本。而原始的文件也必须存在，这是因为预编译版本在被允许执行之前，必须通过原始文件进行鉴别。
随着元数据和IL代码的角色的确定，我将向你介绍使用ILAsm来描述它们的方式。