深度理解C# 的執行原理

騰訊雲加社群發表於2018-10-19
C#

歡迎大家前往騰訊雲+社群，獲取更多騰訊海量技術實踐乾貨哦~

本文由鵝廠優文發表於雲+社群專欄

  • [從編譯原理說起](javascript:;)
  • [虛擬機器是什麼](javascript:;)
  • [C# 是什麼，IL 又是什麼](javascript:;)
  • [.Net Framework vs Mono](javascript:;)
  • [Unity3D 中的 C#](javascript:;)
  • [小結](javascript:;)

作者：易立 | 騰訊IEG高階工程師

為什麼 Unity3D 可以執行 C#，C# 和 Mono 是什麼關係，Mono 和 .Net Framework 又是什麼關係？我們深入的來聊一聊這個話題！

從編譯原理說起

一句話介紹編譯器：編譯器是將用某種程式語言寫成的原始碼（源語言），轉換成另一種程式語言（目標語言）等價形式的程式。通常我們是將某種高階語言（如C、C++、C# 、Java）轉換成低階語言（組合語言、機器語言）。

編譯器以流水線的形式進行工作，分為幾個階段：原始碼 → 詞法分析 → 語法分析 → 語義分析 → 目的碼 → 連結 → 可執行檔案。現代編譯器還會更復雜，中間會增加更多的處理過程，比如前處理器，中間程式碼生成，程式碼優化等。

img

虛擬機器是什麼

虛擬機器（VM），簡單理解，就是可以執行特定指令的一種程式。為了執行指令，還需要一些配套的設施，如暫存器、棧等。虛擬機器可以很複雜，複雜到模擬真正的計算機硬體，也可以很簡單，簡單到只能做加減乘除。

在編譯器領域，虛擬機器通常執行一種叫中間程式碼的語言，中間程式碼由高階語言轉換而成，以 Java 為例，Java 編譯後產生的並不是一個可執行的檔案，而是一個 ByteCode （位元組碼）檔案，裡面包含了從 Java 原始碼轉換成等價的位元組碼形式的程式碼。Java 虛擬機器（JVM）負責執行這個檔案。

虛擬機器執行中間程式碼的方式分為 2 種：解釋執行和 JIT（即時編譯）。解釋執行即逐條執行每條指令，JIT 則是先將中間程式碼在開始執行的時候編譯成機器碼，然後執行機器碼。由於執行的是中間程式碼，所以，在不同的平臺實現不同的虛擬機器，都可以執行同樣的中間程式碼，也就實現了跨平臺。

int run(context* ctx, code* c) {
	for (cmd in c->cmds) {
		switch (cmd.type) {
			case ADD:
			// todo add
			break;
			case SUB:
			// todo subtract
			break;
			// ...
		}
	}
	return 0;
}
複製程式碼

總結一下，虛擬機器本身並不跨平臺，而是語言是跨平臺的，對於開發人員來說，只需要關心開發語言即可，不需要關心虛擬機器是怎麼實現的，這也是 Java 可以跨平臺的原因，C# 也是同樣的。推而廣之，理論上任何語言都可以跨平臺，只要在相應平臺實現了編譯器或者虛擬機器等配套設施。

C# 是什麼，IL 又是什麼

C# 是微軟推出的一種基於 .NET 框架的、物件導向的高階程式語言。微軟在 2000 年釋出了這種語言，希望藉助這種語言來取代Java，更多詳細的介紹可以參看 C# Wiki。

C# 是一個語言，微軟給它定製了一份語言規範，提供了從開發、編譯、部署、執行的完整的一條龍的服務，每隔一段時間會發布一份最新的規範，新增一些新的語言特性。從語法層面來說，C# 是一個很完善，寫起來非常舒服的語言。

C# 和 Java 類似，C# 會編譯成一箇中間語言（CIL，Common Intermediate Language，也叫 MSIL），CIL 也是一個高階語言，而執行 CIL 的虛擬機器叫 CLR（Common Language Runtime）。通常我們把 C#、CIL、CLR，再加上微軟提供的一套基礎類庫稱為 .Net Framework。

img

C# 天生就是為征服宇宙設計的，不過非常遺憾，由於微軟的封閉，這個目標並沒有實現。當然 C# 現在還過得很好，因為遊戲而煥發了新的活力，因為 Unity3D，因為 Mono。

.Net Framework vs Mono

Mono 是跨平臺的 .Net Framework 的實現。Mono 做了一件很了不起的事情，將 CLR 在所有支援的平臺上重新實現了一遍，將 .Net Framework 提供的基礎類庫也重新實現了一遍。

img

以上，Compile Time 的工作實際上可以直接用微軟已有的成果，只要將 Runtime 的 CLR 在其他平臺實現，這個工作量不僅大，而且需要保證相容，非常浩大的一個工程，Mono 做到了，致敬！

Unity3D 中的 C#

Unity3D 內嵌了一個 Mono 虛擬機器，從上文可以知道，當實現了某個平臺的虛擬機器，那語言就可以在該平臺執行，所以，嚴格的講，Unity3D 是通過 Mono 虛擬機器，執行 C# 通過編譯器編譯後生成的 IL 程式碼。

Unity3D 預設使用 C# 作為開發語言，除此之外，還支援 JS 和 BOO，因為 Unity3D 開發了相應的編譯器，將 JS 和 BOO 編譯成了 IL。

小結

C# 在 Windows 下，是通過微軟的 C# 編譯器，生成了 IL 程式碼，執行在 CLR 中。

C# 在除 Windows 外的平臺下，是通過 Mono 的編譯器，生成了 IL 程式碼，執行在 Mono 虛擬機器中，也可以直接執行將已經編譯好的 IL 程式碼（通過任意平臺編譯）。

理論上，你創造了一門語言，並且實現了某一平臺下的編譯器，然後實現了所有平臺下符合語言規範的虛擬機器，你的語言就可以執行在任意平臺啦。

問答

C＃刪除屬性XML？

相關閱讀

深入淺出Lua虛擬機器

開發效率太低?您可能沒看這篇文章

【DataMagic】如何在萬億級別規模的資料量上使用Spark

【每日課程推薦】機器學習實戰！快速入門線上廣告業務及CTR相應知識

此文已由作者授權騰訊雲+社群釋出，更多原文請點選

搜尋關注公眾號「雲加社群」，第一時間獲取技術乾貨，關注後回覆1024 送你一份技術課程大禮包！

海量技術實踐經驗，盡在雲加社群！

相關文章