讀懂IL程式碼就這麼簡單 (一)

Zery發表於2013-10-15

一前言

　　感謝 @冰麟輕武 指出文章的錯誤之處，現已更正

　　對於IL程式碼沒了解之前總感覺很神奇，初一看完全不知所云，只聽高手們說，瞭解IL程式碼你能更加清楚的知道你的程式碼是如何執行相互呼叫的，此言一出不明覺厲。

然後開始接觸IL，瞭解了一段時後才發現原來讀懂IL程式碼並不難。進入正題

   1.1  什麼是IL

　　IL是.NET框架中中間語言（Intermediate Language）的縮寫。使用.NET框架提供的編譯器可以直接將源程式編譯為.exe或.dll檔案，但此時編譯出來的程式程式碼並不是CPU能直接執行的機器程式碼，而是一種中間語言IL（Intermediate Language）的程式碼(來源百度)

   1.2 為什麼要了解IL

　　  在很多時候不明白程式碼是如何操作時就可以通過IL指令來解釋，比如，裝箱，拆箱是否只是聽別人說或者書上講是怎麼怎麼實現的，自己是否證實過呢？瞭解IL指令你可清楚看到是每一步是如何處理的

   1.3  怎麼學IL

　  世上有個定律叫“二八定律” ，80%的功能，只要用20%的技術就可以完成，但要完成另外20%可能就需要80%技術了，對於IL程式碼也是如此，有200多個指令，我們只需要用到其20%的指令就可以解決我們80%的問題了，所以我不會寫太多，只是讓大家能看懂普通的程式程式碼編譯成IL程式碼後就行了，還有就是要多看，IL程式碼的每一條指令都是特定的意思，看得多了自然就懂了，當對自己程式碼有疑問時嘗試看看它對應的IL程式碼，也許你會了解得更多。

 IL指令大全  點這裡

 IL程式碼編譯器 ILDasm   點這裡

二 如何檢視IL程式碼

　　2.1 步驟

　  1 編寫程式碼並編譯通過

 　 2  找到原始檔的obj檔案下的 .exe檔案

     3　匯入到ILDasm中反編譯成IL程式碼

上圖

1 -2步                                                     3  匯入到ILDasm中　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

           

  ILDasm中圖示含義

 

 

 

三  如何讀IL(大致瞭解)

　　以上步驟完成後我們就可以看到程式碼被編譯後的IL程式碼，以下部份將會對每一條IL指令做詳細的解釋

C#程式碼 

1         static void Main(string[] args)
2         {
3             int i = 1;
4             int j = 2;
5             int k = 3;
6             Console.WriteLine(i+j+k);
7         }

 

IL程式碼

 // Call  Stack是一個棧，而Call Stack中的Record Frame則是一個區域性變數列表，用於儲存 .locals init (int32 V_0,int32 V_1,int32 V_2)初始化後的引數 V_0,V_1,V_2

因圖中沒有把Record Frame 標記出來，所以自己畫了一張圖

 

// Evaluation Stack 是一個棧 ldc.i4.2 這種指令都會先把值壓入棧中等待操作

在第四段時大家可以理解得更清楚一點

另外@Learning hard 指出IL指令中第 9 11 13行容易讓人誤解值是從Record Frame中載入的

現強調IL指令中 第 9 11 13行的ldc.i4.1，ldc.i4.2，ldc.i4.3 執行這幾條指令時 值是還沒有載入到Record Frame中的，但是MSDN也沒有指出從哪裡載入

所以只能根據個人的想法解釋，程式在編譯後值型別資料會存線上程棧中，所以我認為此時的9 11 13行的值是從執行緒棧中取的

 1  .method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
 2 {
 3   .entrypoint  //程式入口
 4   // Code size       19 (0x13)
 5   .maxstack  3  //定義函式程式碼所用堆疊的最大深度，也指Evaluation Stackk中最多能同時存在3個值

 6   //以下我們把它看做是完成程式碼中的初始化
 7   .locals init (int32 V_0,int32 V_1,int32 V_2) //定義 int 型別引數 V_0,V_1,V_2 （此時已經把V_0,V_1,V_2存入了Call Stack中的Record Frame中）
 8   IL_0000:  nop //即No Operation 沒有任何操作，我們也不用管它

 9   IL_0001:  ldc.i4.1    //載入第一個變數"i"的值　　　　　　（壓入Evaluation Stack中）  
10   IL_0002:  stloc.0     //從棧中把"i"的值彈出並賦值給Record Frame中第0個位置(V_0)　　　
11   IL_0003:  ldc.i4.2    //載入第二個變數"j"的值 　　　　　 （壓入Evaluation Stack中）　
12   IL_0004:  stloc.1     //從棧中把"j"的值彈出並賦值給Record Frame中第1個位置(V_1)
13   IL_0005:  ldc.i4.3    //載入第三個變數"k"的值　　　　　　　(壓入Evaluation Stack中)
14   IL_0006:  stloc.2     //從棧中把 "k"的值彈出並賦值給Record Frame中第2個位置(V_2)
15 
16    //上面程式碼初始化完成後要開始輸出了，所以要把資料從Record Frame中取出
17 
18   IL_0007:  ldloc.0     //取Record Frame中位置為0的元素(V_0)的值("i"的值)並壓入棧中　　(相當於Copy一份值Call Stack中V_0的值。V_0本身的值是不變的)
19   IL_0008:  ldloc.1     //取Record Frame中位置為1的元素(V_1)的值("j"的值)並壓入棧中　　　　 (同上)
20   IL_0009:  add         // 做加法操作
21   IL_000a:  ldloc.2     // 取出Record Frame中位置為2的元素(V_2)的值("k"的值)並壓入棧中
22   IL_000b:  add         // 做加法操作
23   IL_000c:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32) //呼叫輸出方法
24   IL_0011:  nop
25   IL_0012:  ret         //即為  return  標記 返回值
26 } // end of method Program::Main

 指令詳解

.maxstack:評估堆疊(Evaluation Stack)可容納資料項的最大個數

.locals init (int32 V_0,int32  V_1,int32 V_2)：定義變數並存入Call Stack中的Record Frame中

nop:即No Operation 沒有任何操作，我們也不用管它，

ldstr.:即Load String 把字串加壓入Evaluation Stack中 

stloc.：把Evaluation Stack中的值彈出賦值到Call Stack中的Record Frame中

ldloc.:把Call Stack中的Record Frame中指定位置的值取出(copy)存入 Evaluation Stack中   以上兩條指令為相互的操作stloc賦值，ldloc取值

call:  呼叫指定的方法

ret: 即return  標記返回

　　每一句IL程式碼都加了註釋後，是不是覺得IL程式碼其實並不難呢，因為它的每一條指令都是固定的，你只要記住了，看IL程式碼就比較輕鬆了。

 

四 如何讀IL(深入瞭解)

4.1 提出問題

　　有了上面的一點IL基礎後，現在我們來深入一點點，

　　有如下幾個問題：

　　1  當 ldc.i4.1 這一指定載入 “i” 這個變數後並沒有馬上賦值給Record Frame中的元素，而是要執行 stloc.0 後才賦值，那沒賦值前是存在哪裡的呢？

　　2 ldloc.0  把元素取出來後，存在哪裡的？

　　3 add操作完成後值存在哪裡？

4.2 概念引入

　　Managed Heap:：這是動態配置（Dynamic Allocation）的記憶體，由 Garbage Collector（GC）在執行時自動管理，整個 Process 共用一個

　　Managed Heap(我理解為託管堆，儲存引用型別的值)。

　　Evaluation Stack:這是由 .NET CLR 在執行時自動管理的記憶體，每個 Thread 都有自己專屬的 Evaluation Stack(我理解為類似一個臨時存放值型別資料的執行緒棧)

　　Call Stack:這是由 .NET CLR 在執行時自動管理的記憶體，每個 Thread 都有自己專屬的 Call Stack。每呼叫一次 method，就會使得 Call Stack 上多了一個 Record 　　　　Frame；呼叫完畢之後，此 Record Frame 會被丟棄(我理解為一個區域性變數表，用於存放.locals init(int32 V_0)指令的引數值如：V_0)

 

4.3  IL指令詳解

　對三個名詞做解釋後現在我們再來仔細看看執行IL指令時，對應的變數是如何存放的

IL_0001:  ldc.i4.1    //載入第一個變數i  
首先對 ldc.i4.1 做下細解：變數的值為1 時IL指令就是ldc.i4.1 ,變數值為2 時IL指令就是ldc.i4.2，依此類推一直到ldc.i4.8 
當為-1 時IL指令為ldc.i4.M1,當超過8時就是一個統一指令 ldc.i4.S

IL_0001:  ldc.i4.1    //載入第一個變數i

當執行這一條指令時會把變數i 的值壓入Evaluation Stack中做臨時儲存



IL_0002:  stloc.0     //把i 賦值給Call Stack中第0個位置
當執行這一條指信時會把Evaluation Stack 中的 i 彈出賦值給Record Frame中的第0個位置 



IL_0007:  ldloc.0     //取出Record Frame位置為0的元素 (i)
當執行這條指令時會將 Record Frame中的位置為0的元素的值取出(copy)壓入Evaluation Stack 等待做加法的指令 Add

　　IL_000b:  add         // 做加法操作
　　add這一操作完成後，會把結果存在Evaluation  Stack中等待下一步的指令操作
4.4 問題回答
　　以上內容看完開始的問題相應也解決了
　　1 ldc.i4.1 把值取出來後先存在 Evaluation Stack中 執行了stloc.0 後才會存入Record Frame中指定的元素中
　　2 ldloc.0 把取出來後也是先壓入 Evaluation Stack 等持指令
　　3 add  操作完成後值是暫存於 Evaluation Stack中的


以上把IL指令是如何操作記憶體中的值做了一點很基本的介紹，讓大家在瞭解IL指令時，知道是如何操作記憶體中的值的。我想對於理解IL指令或許更透徹一點。


五 總結



　　這一篇只寫了IL中最基本的幾個指令，然後講解了IL指令是如何操作記憶體中資料的。古人云：水得一口一口喝，路得一步一步走，步子邁得大了容易扯著蛋，慢慢來內容雖然少了點，但是還會有下篇的。下一篇還是會寫IL的一些基本指令，我會結合我自己的理解，儘量把文字寫得通俗一點，讓大家更容易理解。

另外本人水平有限，難免會有理解錯誤的地方，如有發現，請指出！我會馬上修改，以免誤導他人。

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成長在於積累

 

 參考資料：《你必須知道的.net》,MSDN

Record Frame

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