CLI里面的秘密……总体介绍，以及CIL (转载)

CLI里面的秘密……（一）总体介绍，以及CIL

不知道大家对于Common Language Infrastructure有什么认识呢？“噢！天啊！看到那么几个英文我就头痛了！”如果真是这样，那么你就没有办法继续看下去了，因为这里面的东西基本上只能够找到英文的资料。
实际上这个看似很深奥的东西并没有你想象的那么难，当然，也不是一个简单的东西。关于这方面的资料其实非常好找，虽然数量不多，但是却是非常之实用，就在你VS安装的目录里面。假如你安装的是VS2003，装在了E:/VS.NET 2003这个目录里面，那么相关的资料就在E:/VS.NET 2003/SDK/v1.1/Tool Developers Guide/里面。这个目录下面有两个子目录，一个是docs，全部都是文档，另外一个是Samples，全部都是例子，不过所有的东西都是英文的。
什么是CLI呢？中文应该翻译成“公共语言底层结构”。CLI应该包括CIL和CLR：CIL是Common Intermediate Language，中文是“公共中间语言”，也就是那个“IL汇编”；CLR是Common Language Runtime，中文是“公共语言运行库”。除了这些之外，任何一个.NET语言还收到CLS的约束，CLS——Common Language Specification，公共语言规格说明书，这个东西主要用于约束所有.NET语言，使得他们能够互相协作，不存在某种语言产生的代码不能够被另外一种语言所支持。
如果你真的有兴趣看看我说的那个目录里面的文档，那么你会发现几乎你所能够想得到的底层的东西都有了，包括CIL的语法和二进制代码，CLI可执行程序文件结构，怎么写一个调试器(Debugger)，分析器(Profiler)，编译器(Compiler)……什么？你不相信连编译器都有了？在 E:/VS.NET 2003/SDK/v1.1/Tool Developers Guide/Samples里面有三个编译器的文件！一个Lisp.NET，一个MyC，一个Simple Managed C。还有更多的例子呢，诸公自便。
今天首先讲讲CIL以及CIL的VM。关于CIL的文档，在Partition III CIL.doc中。如果不想看的话，我可以简单讲讲。CIL的VM是一个栈式机，和x86的依赖寄存器的机制很不一样，所谓的栈式机就是说指令所需要的数据都用堆栈保存。这种栈式机在真实的计算机当中并不多见，尤其在CISC的CPU里面是很难见到的，即使在RISC都很少见（也许我孤陋寡闻吧）。原因简单点讲就是栈式机的指令非常简单，为了进行一个计算需要多个指令来完成，甚至需要多次读出和写入数据。正是由于指令简单，所以由于虚拟机上面却非常的方便，虚拟机程序做起来可以容易许多。栈式机主要的指令有五大类：（数据）压栈、弹出、运算、转移、其他，其中前三个是栈式机的核心。以CIL为例：

int a = a + b + c + d + e + f + g + h + i;
80x86 ASM	CIL
0000004c 8B 54 24 10 mov edx,dword ptr [esp+10h] 00000050 03 54 24 14 add edx,dword ptr [esp+14h] 00000054 03 54 24 18 add edx,dword ptr [esp+18h] 00000058 03 54 24 1C add edx,dword ptr [esp+1Ch] 0000005c 03 54 24 20 add edx,dword ptr [esp+20h] 00000060 03 D5 add edx,ebp 00000062 03 D6 add edx,esi 00000064 03 D3 add edx,ebx 00000066 03 D7 add edx,edi 00000068 89 54 24 10 mov dword ptr [esp+10h],edx	IL_0000: 06 ldloc.0 // a IL_0001: 07 ldloc.1 // b IL_0002: 08 ldloc.2 // c IL_0003: 09 ldloc.3 // d IL_0004: 11 04 ldloc.s e IL_0006: 11 05 ldloc.s f IL_0008: 11 06 ldloc.s g IL_000A: 11 07 ldloc.s h IL_000C: 11 08 ldloc.s i IL_000E: 58 add // stack[top] = stack[top--] + stack[top--] = stack[top] = h + i; IL_000F: 58 add // stack[top] = g + h + i IL_0010: 58 add // = f + g + h + i IL_0011: 58 add // = e + f + g + h + i IL_0012: 58 add // = d + e + f + g + h + i IL_0013: 58 add // = c + d + e + f + g + h + i IL_0014: 58 add // = b + c + d + e + f + g + h + i IL_0015: 58 add // = a + b + c + d + e + f + g + h + i IL_0016: 0A stloc.0 // a = ...

表一 我们先看看右边的CIL，ldloc的意思是把局部变量压到堆栈里面，后面的.0表示第零个局部变量（也就是a了）；add则把栈顶的两个元素弹出来并且相加，结果压到堆栈顶上；stloc则把栈顶的内容弹出来，保存到局部变量当中。现在应该看出来了，ld就是load的缩写，st是store的缩写，loc是local。那么还有没有其他的呢？大家可以看一下下面的表：

主要操作

操作数范围/条件

操作数类型

操作数

缩写

全称

含义

缩写

全称

含义

缩写

全称

含义

缩写

全称

含义

ld

load

将操作数压到堆栈当中，相当于： push ax

arg

argument

参数

?

?

操作数中的数值

.0

?

第零个参数 *

.1

?

第一个参数

.2

?

第二个参数

.3

?

第三个参数

.s xx

(short)

参数xx

a

address

操作数的地址

只有 .s xx，参见ldarg.s

loc

local

局部变量

参见ldarg

fld

field

字段（类的全局变量）

参见ldarg

xx

?

xx字段，eg: ldfld xx

c

const

常量

.i4

int 4 bytes

C#里面的int，其他的类型例如short需要通过conv转换

.m1

minus 1

-1

.0

?

0

.1

?

1

……

.8

8

.s

(short)

后面跟一个字节以内的整型数值（有符号的）

?

?

后面跟四个字节的整型数值

.i8

int 8 bytes

C#里面的long

?

?

后面跟八个字节的整型数值

.r4

real 4 bytes

C#里面的float

?

?

后面跟四个字节的浮点数值

.r8

real 8 bytes

C#里面的double

?

?

后面跟八个字节的浮点数值

null

null

空值（也就是0）

?

?

?

?

?

?

st

store

将堆栈内容弹出到操作数中，相当于： pop ax

参见ld **

conv

convert

数值类型转换，仅仅用纯粹的数值类型间的转换，例如int/float等

?

?

?

.i1

int 1 bytes

C#里面的sbyte

?

?

?

.i2

int 2 bytes

C#里面的short

.i4

int 4 bytes

C#里面的int

.i8

int 8 bytes

C#里面的long

.r4

real 4 bytes

C#里面的float

.r8

real 8 bytes

C#里面的double

.u4

uint 4 bytes

C#里面的uint

.u8

uint 8 bytes

C#里面的ulong

b/br

branch

条件和无条件跳转，相当于： jmp/jxx label_jump

br

?

?

无条件跳转

?

?

?

?

?

后面跟四个字节的偏移量（有符号）

.s

(short)

后面跟一个字节的偏移量（有符号）

false

false

值为零的时候跳转

?

?

?

参见br

true

true

值不为零的时候跳转

?

?

?

b

eq

equal to

相等

?

?

?

ne

not equal to

不相等

un

unsigned or unordered

无氟好的（对于整数）或者无序的（对于浮点）

gt

greater than

大于

lt

less than

小于

ge

greater than or equal to

大于等于

le

less than or equal to

小于等于

call

call

调用

?

?

?

?

?

（非虚函数）

?

?

?

?

virt

virtual

虚函数

* 最左边的是参数0，然后是参数1、2、3……。如果不是在静态当中，参数0相当于C#的this（VB的Me），该参数不需要代码传递，此时最左边的参数是参数1，也就是从.1开始。
** starg只有.s形式，没有.0、.1等形式，除此之外和ldarg相同。
+ 从左到右依次合并，就可以得到一个指令，例如：ld + arg + a + .s xx? =>? ldarga.s xx，即，读出参数xx的地址并压栈。上面这些只是一些比较常用的、但是稍微难理解的指令，其他的可以看Partition III CIL.doc这个文档。现在我们再回到表一的例子，是不是觉得其实CIL非常好理解呢？所以虚拟机用栈式机的形式是比较容易实现的，比起x86里面一堆的寄存器、状态/标志位以及指令对状态/标志位的影响，可简单多了！不过我们也可以看到，用80x86汇编10条指令能够完成的操作，用CIL则需要18条指令，而且这已经是经过手动优化过的CIL了，如果你用C#写，然后编译出来的很可能还要多出一些代码。如果我们数一下包含的字节数，可以看到80x86有32bytes，而CIL只有20bytes，也许会让你觉得CIL似乎更为紧凑，其实是因为这个CIL是一个优化形式，实际的情况CIL并不会比x86汇编小多少，甚至完全可能更大！栈式机另外一个问题是，每一次的操作都必须访问至少两次内存，并且这两次访问的肯定不是同一个地方：一个是某一个内存块，另外一个是堆栈。因此不可能象x86CPU那样，直接访问CPU内部存储器，甚至连访问缓存效率都会打对折（需要访问两个完全无关的地方）。而我们知道CPU内部存储器式最快的，完全没有延时，缓存次之（一级缓存延时约1到2个周期，二级缓存延时3到5个周期），最慢的就是内存了（延时约十个周期左右，甚至更长）。所以一般说来，真实的CPU是很少做成栈式机形式的。
那么我们阅读cil有些什么技巧呢？我觉得需要注意这么几点：
牢记这是一个栈式机，所有指令都和栈有关。
注意当前函数是否为静态函数
就这么多了
注：原文出自http://dotnet.mblogger.cn/sumtec/posts/193.aspx