IL Discovery 系列 一《 Linq查询“延迟执行”的IL实现》
2011-06-08 11:07
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quark标签:C#IL
这是本系列的第一篇文章，这个系列主要是想和大家分享自己在学习.NET的过程中关于IL语言的一些心得体会。
C#语言在3.0以后，在语言创新上已经上升到了一个新的台阶，扩展方法、匿名函数、Lambda表达式、Linq等等。我们知道，.netframework3.0/3.5都是基于CLR2.0基础之上的，CLR在功能上并没有任何的提升。上面提到的新的语法特性，在IL语言级别，都会被脱掉“华丽的外衣”，露出其真实的面目——类、类的数据成员、类的成员函数。其他神马都是浮云。
.net程序员是否需要学习IL语言，已经有很多大牛已经讨论过了，这当然取决于个人需求和兴趣，但是个人比较倾向于金旭亮老师的观点：对于一般.net程序员，也有必要了解IL语言。因为阅读IL语言能帮助我们认清楚.net程序在编译时编译器暗地里搞了什么鬼，也能帮助我们认清楚C#，VB.NET语言多态机制的实现原理等等，这有助于我们写出更好的代码。
总之、通过分析IL语言，我们可以让C#这些新语法特性，变得不再那么神秘。
Linq查询有一个很重要的特性就是“延迟执行”，即在代码第一次试图遍历该查询结果的时候才执行。
为了搞清楚.net如何实现该机制，我做了如下实验。
下面是一个很简单的静态函数：
staticvoidMyMethod()
{
int[]arr={1,3,4,};
varquery=arr.Where(num=>num>1);
foreach(varnuminquery)
{
Console.WriteLine(num);
}
}
这个函数创建了一个数组对象，建立一个Linq查询，并且遍历查询结果。
下面我们来看看这个函数所对应的IL语言。
我们看到，对应于上面的MyMethod函数，C#编译器新做了如下工作：
MyMethod成员函数。
增加了一个静态的Func<Int32,bool>类型的成员CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1；
增加了一个静态成员函数<MyMethod>b__0，该函数接受一个Int32类型参数，返回bool类型；
我们注意到CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1的签名同函数<MyMethod>b__0吻合，可以推断两者一定会有关联。
<MyMethod>b__0
该函数的IL代码如下：
.methodprivatehidebysigstaticbool'<MyMethod>b__0'(int32num)cilmanaged
{
.custominstancevoid[mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.CompilerGeneratedAttribute::.ctor()=(01000000)
//Codesize5(0x5)
.maxstack8
IL_0000:ldarg.0//将0位置参数压入栈
IL_0001:ldc.i4.1//将常整数1压入栈
IL_0002:cgt//比较栈中两数大小，并将结果压入栈
IL_0004:ret
}//endofmethodProgram::'<MyMethod>b__0'
通过Reflector工具得到的C#代码如下：
[CompilerGenerated]
privatestaticbool<MyMethod>b__0(intnum)
{
return(num>1);
}
这个函数逻辑很简单——如果参数大于1，返回true，否则返回false；
MyMethod
该函数IL代码相对复杂，为了简便，只列出关键IL代码：
.methodprivatehidebysigstaticvoidMyMethod()cilmanaged
{
//Codesize97(0x61)
.maxstack4
.localsinit([0]int32[]arr,
[1]class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<int32>query,
[2]int32num,
[3]class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<int32>CS$5$0000)
...//初始化数组arr
IL_0013:ldsfldclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>ILDiscovery.Program::'CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1'//将CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1的值压入计算堆栈
IL_0018:brtrue.sIL_002b//如果CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1非空，则跳转到语句IL_002b上
IL_001a:ldnull//将空指针压入栈
IL_001b:ldftnboolILDiscovery.Program::'<MyMethod>b__0'(int32)//将指向<MyMethod>b__0方法的函数指针压入栈
IL_0021:newobjinstancevoidclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>::.ctor(object,
nativeint)//创建一个新的类型Func<Int32,bool>的对象
IL_0026:stsfldclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>ILDiscovery.Program::'CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1'//将上面创建的对象赋值给CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1
IL_002b:ldsfldclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>ILDiscovery.Program::'CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1'//将CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1的值压入堆栈
IL_0030:callclass[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<!!0>[System.Core]System.Linq.Enumerable::Where<int32>(class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<!!0>,
class[mscorlib]System.Func`2<!!0,bool>)//调用System.Linq.Enumerable下的静态方法Where(...)
IL_0035:stloc.1//将上面调用Where函数的结果赋值给位置1的局部变量query
IL_0036:ldloc.1//将位置为1的局部变量query压入栈
IL_0037:callvirtinstanceclass[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<!0>class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<int32>::GetEnumerator()//调用IEnumerator的接口方法GetEnumerator()
IL_003c:stloc.3//将结果赋值给位置3的CS$5$0000
/*通过枚举器遍历元素并调用Console.WriteLine()函数输出结果*/
.try
{
IL_003d:br.sIL_004c
IL_003f:ldloc.3
IL_0040:callvirtinstance!0class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<int32>::get_Current()
IL_0045:stloc.2
IL_0046:ldloc.2
IL_0047:callvoid[mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
IL_004c:ldloc.3
IL_004d:callvirtinstancebool[mscorlib]System.Collections.IEnumerator::MoveNext()
IL_0052:brtrue.sIL_003f
IL_0054:leave.sIL_0060
}//end.try
finally
{
IL_0056:ldloc.3
IL_0057:brfalse.sIL_005f
IL_0059:ldloc.3
IL_005a:callvirtinstancevoid[mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
IL_005f:endfinally
}//endhandler
IL_0060:ret
}//endofmethodProgram::MyMethod
通过这段IL指令，我们证实了上面的推断：CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1变量用来存储<MyMethod>b__0函数本地代码的地址。
另外我们还能得出如下结论：
所谓扩展方法，实际上并没有修改“被扩展的类型”，而是编译器在发现对扩展方法的调用时，自动的将其编译为调用“定义该扩展方法的类型所对应的静态方法”；
所谓Lambda表达式，就像是匿名函数的简化版本，编译器在编译为IL语言时，会生成一个对应的成员函数。
但是，现在通过以上的内容，我们没有看到任何能够说明Linq查询“延迟执行”的东西，因为在第IL_0030句指令返回了一个IEnumerable<>类型的对象后，在接下的指令中，通过获取该对象的枚举器（IL_0037），然后都是正常遍历一个集合对象的代码。
“延迟执行”究竟是如何实现的？？
通过Reflector（不得不说，这玩意儿太好用了）
publicoverrideboolMoveNext()
{
if(base.state==1)
{
while(this.index<this.source.Length)
{
TSourcearg=this.source[this.index];
this.index++;
if(this.predicate(arg))
{
base.current=arg;
returntrue;
}
}
this.Dispose();
}
returnfalse;
}
这段代码就是以上MoveNext函数的具体实现，程序实际上是在每次执行MoveNext的时候，才调用this.predicate(arg)函数，而我们之前已经将条件判定函数<MyMethod>b__0指针同过Where方法传给了返回的IEnumerable<int>对象。
这就是Linq“延迟执行的奥秘”——在实际遍历的时候才执行条件判定函数！
这是本系列的第一篇文章，这个系列主要是想和大家分享自己在学习.NET的过程中关于IL语言的一些心得体会。
C#语言在3.0以后，在语言创新上已经上升到了一个新的台阶，扩展方法、匿名函数、Lambda表达式、Linq等等。我们知道，.netframework3.0/3.5都是基于CLR2.0基础之上的，CLR在功能上并没有任何的提升。上面提到的新的语法特性，在IL语言级别，都会被脱掉“华丽的外衣”，露出其真实的面目——类、类的数据成员、类的成员函数。其他神马都是浮云。
.net程序员是否需要学习IL语言，已经有很多大牛已经讨论过了，这当然取决于个人需求和兴趣，但是个人比较倾向于
总之、通过分析IL语言，我们可以让C#这些新语法特性，变得不再那么神秘。
Linq查询有一个很重要的特性就是“延迟执行”，即在代码第一次试图遍历该查询结果的时候才执行。
为了搞清楚.net如何实现该机制，我做了如下实验。
下面是一个很简单的静态函数：
这个函数创建了一个数组对象，建立一个Linq查询，并且遍历查询结果。
下面我们来看看这个函数所对应的IL语言。
我们看到，对应于上面的MyMethod函数，C#编译器新做了如下工作：
MyMethod成员函数。
增加了一个静态的Func<Int32,bool>类型的成员CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1；
增加了一个静态成员函数<MyMethod>b__0，该函数接受一个Int32类型参数，返回bool类型；
我们注意到CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1的签名同函数<MyMethod>b__0吻合，可以推断两者一定会有关联。
<MyMethod>b__0
该函数的IL代码如下：
{
.custominstancevoid[mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.CompilerGeneratedAttribute::.ctor()=(01000000)
//Codesize5(0x5)
.maxstack8
IL_0000:ldarg.0//将0位置参数压入栈
IL_0001:ldc.i4.1//将常整数1压入栈
IL_0002:cgt//比较栈中两数大小，并将结果压入栈
IL_0004:ret
}//endofmethodProgram::'<MyMethod>b__0'
通过Reflector工具得到的C#代码如下：
这个函数逻辑很简单——如果参数大于1，返回true，否则返回false；
MyMethod
该函数IL代码相对复杂，为了简便，只列出关键IL代码：
{
//Codesize97(0x61)
.maxstack4
.localsinit([0]int32[]arr,
[1]class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<int32>query,
[2]int32num,
[3]class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<int32>CS$5$0000)
...//初始化数组arr
IL_0013:ldsfldclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>ILDiscovery.Program::'CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1'//将CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1的值压入计算堆栈
IL_0018:brtrue.sIL_002b//如果CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1非空，则跳转到语句IL_002b上
IL_001a:ldnull//将空指针压入栈
IL_001b:ldftnboolILDiscovery.Program::'<MyMethod>b__0'(int32)//将指向<MyMethod>b__0方法的函数指针压入栈
IL_0021:newobjinstancevoidclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>::.ctor(object,
nativeint)//创建一个新的类型Func<Int32,bool>的对象
IL_0026:stsfldclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>ILDiscovery.Program::'CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1'//将上面创建的对象赋值给CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1
IL_002b:ldsfldclass[mscorlib]System.Func`2<int32,bool>ILDiscovery.Program::'CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1'//将CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1的值压入堆栈
IL_0030:callclass[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<!!0>[System.Core]System.Linq.Enumerable::Where<int32>(class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<!!0>,
class[mscorlib]System.Func`2<!!0,bool>)//调用System.Linq.Enumerable下的静态方法Where(...)
IL_0035:stloc.1//将上面调用Where函数的结果赋值给位置1的局部变量query
IL_0036:ldloc.1//将位置为1的局部变量query压入栈
IL_0037:callvirtinstanceclass[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<!0>class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerable`1<int32>::GetEnumerator()//调用IEnumerator的接口方法GetEnumerator()
IL_003c:stloc.3//将结果赋值给位置3的CS$5$0000
/*通过枚举器遍历元素并调用Console.WriteLine()函数输出结果*/
.try
{
IL_003d:br.sIL_004c
IL_003f:ldloc.3
IL_0040:callvirtinstance!0class[mscorlib]System.Collections.Generic.IEnumerator`1<int32>::get_Current()
IL_0045:stloc.2
IL_0046:ldloc.2
IL_0047:callvoid[mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
IL_004c:ldloc.3
IL_004d:callvirtinstancebool[mscorlib]System.Collections.IEnumerator::MoveNext()
IL_0052:brtrue.sIL_003f
IL_0054:leave.sIL_0060
}//end.try
finally
{
IL_0056:ldloc.3
IL_0057:brfalse.sIL_005f
IL_0059:ldloc.3
IL_005a:callvirtinstancevoid[mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
IL_005f:endfinally
}//endhandler
IL_0060:ret
}//endofmethodProgram::MyMethod
通过这段IL指令，我们证实了上面的推断：CS$<>9__CachedAnonymousMethodDelegate1变量用来存储<MyMethod>b__0函数本地代码的地址。
另外我们还能得出如下结论：
所谓扩展方法，实际上并没有修改“被扩展的类型”，而是编译器在发现对扩展方法的调用时，自动的将其编译为调用“定义该扩展方法的类型所对应的静态方法”；
所谓Lambda表达式，就像是匿名函数的简化版本，编译器在编译为IL语言时，会生成一个对应的成员函数。
但是，现在通过以上的内容，我们没有看到任何能够说明Linq查询“延迟执行”的东西，因为在第IL_0030句指令返回了一个IEnumerable<>类型的对象后，在接下的指令中，通过获取该对象的枚举器（IL_0037），然后都是正常遍历一个集合对象的代码。
“延迟执行”究竟是如何实现的？？
通过Reflector（不得不说，这玩意儿太好用了）
{
if(base.state==1)
{
while(this.index<this.source.Length)
{
TSourcearg=this.source[this.index];
this.index++;
if(this.predicate(arg))
{
base.current=arg;
returntrue;
}
}
this.Dispose();
}
returnfalse;
}
这段代码就是以上MoveNext函数的具体实现，程序实际上是在每次执行MoveNext的时候，才调用this.
这就是Linq“延迟执行的奥秘”——在实际遍历的时候才执行条件判定函数！
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