编译输出的PE文件的执行过程

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选自 C#锐利体验

.........我们对"HelloWorld.cs"文件用csc.exe命令编译后发生了什么。是的，我们得到了HelloWorld.exe文件。但那仅仅是事情的表象，实际上那个HelloWorld.exe根本不是一个可执行文件！那它是什么？又为什么能够执行？

好的，下面正是回答这些问题的地方。首先，编译输出的HelloWorld.exe是一个由中间语言（IL），元数据(Metadata)和一个额外的被编译器添加的目标平台的标准可执行文件头（比如Win32平台就是加了一个标准Win32可执行文件头）组成的PE（portable executable，可移植执行体）文件，而不是传统的二进制可执行文件--虽然他们有着相同的扩展名。中间语言是一组独立于CPU的指令集，它可以被即时编译器Jitter翻译成目标平台的本地代码。中间语言代码使得所有Microsoft.NET平台的高级语言C#,VB.NET，VC.NET等得以平台独立，以及语言之间实现互操作。元数据是一个内嵌于PE文件的表的集合。元数据描述了代码中的数据类型等一些通用语言运行时(Common Language Runtime)需要在代码执行时知道的信息。元数据使得.NET应用程序代码具备自描述特性，提供了类型安全保障，这在以前需要额外的类型库或接口定义语言（Interface Definition Language,简称IDL）。

这样的解释可能还是有点让人困惑，那么我们来实际的解剖一下这个PE文件。我们采用的工具是.NET SDK Beta2自带的ildasm.exe，它可以帮助我们提取PE文件中的有关数据。我们键入命令"ildasm /output:HelloWorld.il HelloWorld.exe"，一般可以得到两个输出文件：helloworld.il和helloworld.res。其中后者是提取的资源文件，我们暂且不管，我们来看helloworld.il文件。我们用"记事本"程序打开可以看到元数据和中间语言（IL）代码，由于篇幅关系，我们只将其中的中间语言代码提取出来列于下面，有关元数据的表项我们暂且不谈：

class private auto ansi beforefieldinit HelloWorld extends [mscorlib]System.Object { .method public hidebysig static void Main() cil managed { .entrypoint // Code size 11 (0xb) .maxstack 8 IL_0000: ldstr "Hello World !" IL_0005: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string) IL_000a: ret } // end of method HelloWorld::Main .method public hidebysig specialname rtspecialname instance void .ctor() cil managed { // Code size 7 (0x7) .maxstack 8 IL_0000: ldarg.0 IL_0001: call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor() IL_0006: ret } // end of method HelloWorld::.ctor } // end of class HelloWorld 

我们粗略的感受是它很类似于早先的汇编语言，但它具有了对象定义和操作的功能。我们可以看到它定义并实现了一个继承自System.Object 的HelloWorld类及两个函数：Main()和.ctor()。其中.ctor()是HelloWorld类的构造函数，可在"HelloWorld.cs"源代码中我们并没有定义构造函数呀--是的，我们没有定义构造函数，但C#的编译器为我们添加了它。你还可以看到C#编译器也强制HelloWorld类继承System.Object类，虽然这个我们也没有指定。关于这些高级话题我们将在以后的讲座中予以剖析。

那么PE文件是怎么执行的呢？下面是一个典型的C#/.NET应用程序的执行过程：

1. 用户执行编译器输出的应用程序(PE文件)，操作系统载入PE文件，以及其他的DLL(.NET动态连接库)。
2. 操作系统装载器根据前面PE文件中的可执行文件头跳转到程序的入口点。显然，操作系统并不能执行中间语言，该入口点也被设计为跳转到mscoree.dll（.NET平台的核心支持DLL）的_ CorExeMain()函数入口。
3. CorExeMain()函数开始执行PE文件中的中间语言代码。这里的执行的意思是通用语言运行时按照调用的对象方法为单位，用即时编译器将中间语言编译成本地机二进制代码，执行并根据需要存于机器缓存。
4. 程序的执行过程中，垃圾收集器负责内存的分配，释放等管理功能。
5. 程序执行完毕，操作系统卸载应用程序。

清楚的知晓编译输出的PE文件的执行过程是深度掌握C#语言编程的关键，这种过程的本身就诠释着C#语言的高级内核机制以及其背后Microsoft.NET平台种种诡秘的性质。