读懂IL代码就这么简单 (一)

2023-03-09 07:50:30

一前言

　　感谢 @冰麟轻武 指出文章的错误之处，现已更正

　　对于IL代码没了解之前总感觉很神奇，初一看完全不知所云，只听高手们说，了解IL代码你能更加清楚的知道你的代码是如何运行相互调用的，此言一出不明觉厉。

然后开始接触IL，了解了一段时后才发现原来读懂IL代码并不难。进入正题

 1.1  什么是IL

　　IL是.NET框架中中间语言（Intermediate Language）的缩写。使用.NET框架提供的编译器可以直接将源程序编译为.exe或.dll文件，但此时编译出来的程序代码并不是CPU能直接执行的机器代码，而是一种中间语言IL（Intermediate Language）的代码(来源百度)

   1.2 为什么要了解IL

　　  在很多时候不明白代码是如何操作时就可以通过IL指令来解释，比如，装箱，拆箱是否只是听别人说或者书上讲是怎么怎么实现的，自己是否证实过呢？了解IL指令你可清楚看到是每一步是如何处理的

 1.3  怎么学IL

　  世上有个定律叫“二八定律” ，80%的功能，只要用20%的技术就可以完成，但要完成另外20%可能就需要80%技术了，对于IL代码也是如此，有200多个指令，我们只需要用到其20%的指令就可以解决我们80%的问题了，所以我不会写太多，只是让大家能看懂普通的程序代码编译成IL代码后就行了，还有就是要多看，IL代码的每一条指令都是特定的意思，看得多了自然就懂了，当对自己代码有疑问时尝试看看它对应的IL代码，也许你会了解得更多。

IL指令大全  点这里

IL代码编译器 ILDasm   点这里

二 如何查看IL代码

　　2.1 步骤

　  1 编写代码并编译通过

　 2  找到源文件的obj文件下的 .exe文件

3　导入到ILDasm中反编译成IL代码

上图

1 -2步                                                     3  导入到ILDasm中　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

读懂IL代码就这么简单 (一)      读懂IL代码就这么简单 (一)

ILDasm中图标含义

读懂IL代码就这么简单 (一)

三  如何读IL(大致了解)

　　以上步骤完成后我们就可以看到代码被编译后的IL代码，以下部份将会对每一条IL指令做详细的解释

C#代码

         static void Main(string[] args)

         {

             int i = ;

             int j = ;

             int k = ;

             Console.WriteLine(i+j+k);

         }

IL代码

// Call  Stack是一个栈，而Call Stack中的Record Frame则是一个局部变量列表，用于存储 .locals init (int32 V_0,int32 V_1,int32 V_2)初始化后的参数 V_0,V_1,V_2

因图中没有把Record Frame 标记出来，所以自己画了一张图

读懂IL代码就这么简单 (一)

// Evaluation Stack 是一个栈 ldc.i4.2 这种指令都会先把值压入栈中等待操作

在第四段时大家可以理解得更清楚一点

另外@Learning hard 指出IL指令中第 9 11 13行容易让人误解值是从Record Frame中加载的

现强调IL指令中 第 9 11 13行的ldc.i4.1，ldc.i4.2，ldc.i4.3 执行这几条指令时 值是还没有加载到Record Frame中的，但是MSDN也没有指出从哪里加载

所以只能根据个人的想法解释，程序在编译后值类型数据会存在线程栈中，所以我认为此时的9 11 13行的值是从线程栈中取的

  .method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed

 {

   .entrypoint  //程序入口

   // Code size       19 (0x13)

   .maxstack    //定义函数代码所用堆栈的最大深度，也指Evaluation Stackk中最多能同时存在3个值

   //以下我们把它看做是完成代码中的初始化

   .locals init (int32 V_0,int32 V_1,int32 V_2) //定义 int 类型参数 V_0,V_1,V_2 （此时已经把V_0,V_1,V_2存入了Call Stack中的Record Frame中）

   IL_0000:  nop //即No Operation 没有任何操作，我们也不用管它

   IL_0001:  ldc.i4.    //加载第一个变量"i"的值　　　　　　（压入Evaluation Stack中）

   IL_0002:  stloc.     //从栈中把"i"的值弹出并赋值给Record Frame中第0个位置(V_0)　　　
   IL_0003:  ldc.i4.    //加载第二个变量"j"的值 　　　　　 （压入Evaluation Stack中）　

   IL_0004:  stloc.     //从栈中把"j"的值弹出并赋值给Record Frame中第1个位置(V_1)
   IL_0005:  ldc.i4.    //加载第三个变量"k"的值　　　　　　　(压入Evaluation Stack中)

   IL_0006:  stloc.     //从栈中把 "k"的值弹出并赋值给Record Frame中第2个位置(V_2)
    //上面代码初始化完成后要开始输出了，所以要把数据从Record Frame中取出

   IL_0007:  ldloc.     //取Record Frame中位置为0的元素(V_0)的值("i"的值)并压入栈中　　(相当于Copy一份值Call Stack中V_0的值。V_0本身的值是不变的)

   IL_0008:  ldloc.     //取Record Frame中位置为1的元素(V_1)的值("j"的值)并压入栈中　　　　 (同上)

   IL_0009:  add         // 做加法操作

   IL_000a:  ldloc.     // 取出Record Frame中位置为2的元素(V_2)的值("k"的值)并压入栈中

   IL_000b:  add         // 做加法操作

   IL_000c:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32) //调用输出方法

   IL_0011:  nop

   IL_0012:  ret         //即为  return  标记 返回值

 } // end of method Program::Main

指令详解

.maxstack:评估堆栈(Evaluation Stack)可容纳数据项的最大个数

.locals init (int32 V_0,int32  V_1,int32 V_2)：定义变量并存入Call Stack中的Record Frame中

nop:即No Operation 没有任何操作，我们也不用管它，

ldstr.:即Load String 把字符串加压入Evaluation Stack中

stloc.：把Evaluation Stack中的值弹出赋值到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   以上两条指令为相互的操作stloc赋值，ldloc取值

call:  调用指定的方法

ret: 即return  标记返回

　　每一句IL代码都加了注释后，是不是觉得IL代码其实并不难呢，因为它的每一条指令都是固定的，你只要记住了，看IL代码就比较轻松了。

四 如何读IL(深入了解)

4.1 提出问题

　　有了上面的一点IL基础后，现在我们来深入一点点，

　　有如下几个问题：

　　1  当 ldc.i4.1 这一指定加载 “i” 这个变量后并没有马上赋值给Record Frame中的元素，而是要执行 stloc.0 后才赋值，那没赋值前是存在哪里的呢？

　　2 ldloc.0  把元素取出来后，存在哪里的？

　　3 add操作完成后值存在哪里？

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(我理解为托管堆，存储引用类型的值)。

　　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(我理解为类似一个临时存放值类型数据的线程栈)

　　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(我理解为一个局部变量表，用于存放.locals init(int32 V_0)指令的参数值如：V_0)

4.3  IL指令详解

　对三个名词做解释后现在我们再来仔细看看执行IL指令时，对应的变量是如何存放的

IL_0001:  ldc.i4.1    //加载第一个变量i  
首先对 ldc.i4.1 做下细解：变量的值为1 时IL指令就是ldc.i4.1 ,变量值为2 时IL指令就是ldc.i4.2，依此类推一直到ldc.i4.8 
当为-1 时IL指令为ldc.i4.M1,当超过8时就是一个统一指令 ldc.i4.S

IL_0001:  ldc.i4.1    //加载第一个变量i

当执行这一条指令时会把变量i 的值压入Evaluation Stack中做临时存储

读懂IL代码就这么简单 (一)



IL_0002:  stloc.0     //把i 赋值给Call Stack中第0个位置
当执行这一条指信时会把Evaluation Stack 中的 i 弹出赋值给Record Frame中的第0个位置 



读懂IL代码就这么简单 (一)




IL_0007:  ldloc.0     //取出Record Frame位置为0的元素 (i)
当执行这条指令时会将 Record Frame中的位置为0的元素的值取出(copy)压入Evaluation Stack 等待做加法的指令 Add


读懂IL代码就这么简单 (一)


　　IL_000b:  add         // 做加法操作
　　add这一操作完成后，会把结果存在Evaluation  Stack中等待下一步的指令操作
4.4 问题回答
　　以上内容看完开始的问题相应也解决了
　　1 ldc.i4.1 把值取出来后先存在 Evaluation Stack中 执行了stloc.0 后才会存入Record Frame中指定的元素中
　　2 ldloc.0 把取出来后也是先压入 Evaluation Stack 等持指令
　　3 add  操作完成后值是暂存于 Evaluation Stack中的

以上把IL指令是如何操作内存中的值做了一点很基本的介绍，让大家在了解IL指令时，知道是如何操作内存中的值的。我想对于理解IL指令或许更透彻一点。




五 总结



　　这一篇只写了IL中最基本的几个指令，然后讲解了IL指令是如何操作内存中数据的。古人云：水得一口一口喝，路得一步一步走，步子迈得大了容易扯着蛋，慢慢来内容虽然少了点，但是还会有下篇的。下一篇还是会写IL的一些基本指令，我会结合我自己的理解，尽量把文字写得通俗一点，让大家更容易理解。

另外本人水平有限，难免会有理解错误的地方，如有发现，请指出！我会马上修改，以免误导他人。

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成长在于积累


参考资料：《你必须知道的.net》,MSDN


Record Frame
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