【小白学C#】浅谈.NET中的IL代码

一、前言

　　前几天群里有位水友提问：”C#中，当一个方法所传入的参数是一个静态字段的时候，程序是直接到静态字段拿数据还是从复制的函数栈中拿数据“。其实很明显，这和方法参数的传递方式有关，如果是引用传递的话，肯定是会去静态字段直接拿值的；如果方法是以传值的方式使用参数的话，一定是从复制的栈中拿值的。

　　但是这位水友就是不相信这个结论（后来发现，这货整一个杠精啊！天天在群里跟人抬杠~），这个时候我忽然想到了可以反向看一下C#的IL代码，来了解一下程序运行的过程。的确，当我们对运行结果有异议的时候，可以通过IL代码透过表面看本质。

二、IL简介

　　在我们分析查看IL之前首先要了解下什么是IL？IL的全称是Intermediate Language （IL）即将.NET代码转化为机器语言的一个中间语言的缩写。在一定程度上，我们可以将其理解为伪汇编语言。我们在使用.NET框架中的C#、VB.NET、F#等语言的时候，编译过程并不是像C/C++一样直接编译出原生代码，而是编译成IL中间语言。通过IL中间语言这种方式，可以实现跨平台、提高程序灵活性等多种优点。

　　下面我们以C#语言为例，大致了解了解一下我们的源代码是如何编译成IL语言，继而运行在电脑上面的。

　　^{图1：.NET语言编译过程示意图}

　　上图为C#语言的编译运行过程示意图。首先编译器将我们编写好的源代码编译成IL中间语言，这些IL中间语言的主要内容是一些元数据和中间语言指令。然后再由我们的JIT编译器加载这些IL中间语言，JIT编译器会根据系统环境将IL中间语言指令转换为机器码，继而运行在不同的目标平台上，实现跨平台功能。（JIT编译器将IL中间语言即时编译成原生语言的过程和解释性语言的读取一条执行一条又有些不同，JIT会对编译结果进行缓存以便下次调取的时候直接使用）这也是为什么有些ASP.NET网站第一次运行时会较慢，而后面的执行速度则会相对快很多的一个原因。

　　再总结一下上面所说的编译过程：

• • 首先，编译器要编历源代码，通过大量的计算生成IL中间代码，这些代码并不能直接地被CPU使用，还需要第二步操作；
  • 接下来，运行时将这些IL代码通过JIT编译器进一步编译成原生的CPU指令。

　　在上文中我们提到了一个JIT编译器，它的全名叫即时编译器。顾名思义，它是在运行时环境中发生的编译行为。读到这里，相信很多朋友可能都会像马三一样产生疑问了。相比传统的直接将源代码编译成原生代码，C#将源代码编译成了中间语言不会降低效率嘛？原来直接一步到位的过程，现在偏要拆成两个部分。这不仅要花费更多的时间、占用更多的内存，还有可能降低性能，那用JIT编译器的好处到底有什么呢？

　　其实，使用JIT编译器的好处多多。如果我们不用JIT即时编译将编译后的程序放在运行时中的话，那就只能生成在在某一种CPU平台上运行的原生代码，如果程序要运行在多种目标平台上的话，就要编译多种目标平台的原生代码，这样C#也就失去了跨平台能力。其次，JIT即时编译生成原生代码发生在运行时阶段，因此即时编译器会对生成的原生代码进行性能优化。经过优化的原生代码要比不优化的代码性能好。

　　在我们的Unity游戏开发中就存在着AOT编译和JIT编译两种编译方式，以后我们会单独开篇博客来详细探讨一下这两种编译方式的异同，这里就不再赘述了。

三、如何使用ILDasm工具查看IL代码

　　上面说了一大堆概念和理论，相信大家早已经技痒，别急，下面，马三就和大家一起使用ILDasm工具反编译并查看IL代码。ILDasm工具一般在我们安装Visual Studio的时候就已经默认安装好了，查看IL代码通常只需下面的几步操作：

　　1.首先，需要打开ILDasm工具，点击电脑桌面的开始，然后在程序中找到对应版本的Visual Studio的目录，接着在里面找到VS开发人员命令提示，英文版的名称是：Developer Command Prompt 。点击打开它，然后在命令行里面输入ILDasm并回车，就会打开ILDasm工具了。

　　^{图2：VS开发人员命令提示示意图}

 　　2.然后，在ILDasm工具的界面，点击文件-->打开，然后选择我们预先编译出来的.exe文件，ILDasm工具就会自动的帮我们分析出IL代码及其代码组织结构，如下图所示：

　　^{图3：解析出来的IL代码及相关代码组织结构}

　　 解析出来的IL代码，会以一些小图标区分标识出函数、接口等不同的部分，ILDasm中图标含义如下图所示：

　　^{图4：ILDasm中图标含义}

 　　通过上面的两步，我们就可以轻松的反编译出程序的IL代码，下面我们通过一个小案例，来解读一下IL代码的运行流程以及分析IL代码的方式。

四、浅析IL代码

　　好了，现在让我们回到博客最初抛出的那个问题上面来：“C#中，当一个方法所传入的参数是一个静态字段的时候，程序是直接到静态字段拿数据还是从复制的函数栈中拿数据？”下面我们就以这个问题为例子，通过反编译出IL代码，简单地验证一下。

　　首先贴出我们的C#代码，很简单，在两个方法中分别以传值和传递引用的方式传入同一个静态变量：

 1 using System;
 2 using System.Collections.Generic;
 3 using System.Linq;
 4 using System.Text;
 5 using System.Threading.Tasks;
 6 
 7 namespace ILDemo
 8 {
 9 
10     class Program
11     {
12         public static int n = 0;
13         static void Main(string[] args)
14         {
15             Func1(n);
16             Console.WriteLine(n);
17             Func2(ref n);
18             Console.WriteLine(n);
19         }
20 
21         public static void Func1(int n)
22         {
23             n += 5;
24         }
25 
26         public static void Func2(ref int n)
27         {
28             n += 5;
29         }
30     }
31 
32 }

　　然后我们对上面的代码进行编译，之后再按照第三节的操作，将其反编译成IL代码，以下是反编译出来的IL代码结构：

　　^{图5：反编译IL代码结构}

　　首先让我们观察一下Func1反编译出来的IL代码，如下图所示：

　^{图6：Func1反编译出来的IL代码}

　　马三简单地给大家分析一下上面的IL代码的意思：

　　nop:没有什么意义；

　　ldarg.0:将索引为 0 的参数加载到计算堆栈上，也就是把参数 n 放到堆栈上；

　　ldc.i4.5:将整数值 5 作为 int32 推送到计算堆栈上，因为我们在程序中执行了+5的操作(上面的C#代码)，所以需要先把5推送到堆栈上，以便下一步进行add操作；

　　add:将两个值相加并将结果推送到计算堆栈上，这里是将 n和5 相加，然后把结果推送到堆栈上；

　　Starg.S n：将位于计算堆栈顶部的值存储在参数槽中的指定索引处，即将n进行存储

　　ret:从当前方法返回，并将返回值（如果存在）从调用方的计算堆栈推送到被调用方的计算堆栈上。

　　接着，我们再来看看Func2反编译出来的IL代码：

^{图7：Func2反编译出来的IL代码}

　　可以看到，因为我们的C#代码中使用了ref参数，所以在IL代码中将其翻译成了int32& n的形式，和C++是不是很类似？

　　nop:没有什么意义；

　　ldarg.0:将索引为 0 的参数加载到计算堆栈上，也就是把参数 n的地址放到堆栈上；

　　ldind.i4:将 int32 类型的值作为 int32 间接加载到计算堆栈上

　　ldc.i4.5:将整数值 5 作为 int32 推送到计算堆栈上，因为我们在程序中执行了+5的操作(上面的C#代码)，所以需要先把5推送到堆栈上，以便下一步进行add操作；

　　add:将两个值相加并将结果推送到计算堆栈上，这里是将 n和5 相加，然后把结果推送到堆栈上；

　　stind.i4:在所提供的地址存储 int32 类型的值，即把我们计算出来的结果，再存储回静态变量n的地址里面；

　　ret:从当前方法返回，并将返回值（如果存在）从调用方的计算堆栈推送到被调用方的计算堆栈上。

　　通过比较，我们可以很明显地发现由于参数传递的方式不同，Func1和Func2调用的IL指令也不近相同，最后让我们再看一下Main函数的执行过程再做分析。

　　^{图8：Main函数反编译出来的IL代码}

　　反编译出来的Main函数IL指令执行流程如下：

　　nop:没有什么意义；

　　Ldsfld：将静态字段的值推送到计算堆栈上，这里就是把n的值推送到计算堆栈上；

　　call:调用由传递的方法说明符指示的方法，也就是调用了Func1函数；

　　nop:没有什么意义；

　　Ldsfld：将静态字段的值推送到计算堆栈上，这里就是把n的值推送到计算堆栈上；

　　call:调用由传递的方法说明符指示的方法，调用打印方法，将n的值输出到控制台

　　nop:没有什么意义；

　　Ldsflda:将静态字段的地址推送到计算堆栈上，就是把静态变量n在内存中的地址推送到计算堆栈上；

　　call:调用由传递的方法说明符指示的方法，也就是调用了Func2函数；

　　nop:没有什么意义；

　　Ldsfld：将静态字段的值推送到计算堆栈上，这里就是把n的值推送到计算堆栈上；

　　call:调用由传递的方法说明符指示的方法，调用打印方法，将n的值输出到控制台

　　经过上面的一系列漫长地分析，我们可以得出结论：C#中，当一个方法所传入的参数是一个静态字段的时候，如果是引用传递的话，肯定是会去静态字段直接拿值的；如果方法是以传值的方式使用参数的话，一定是从复制的栈中拿值的。“”

五、IL代码指令对照表

　　为了方便大家对照查看IL代码，理解IL指令的意义，马三在这里给大家提供了一个详细的IL指令对照表（Zery提供），原版的IL指令对照表大家可以到MSDN上面查看，附上链接。

引用资料：

http://www.cnblogs.com/zery/p/3368460.html
https://msdn.microsoft.com/en-us/library/812xyxy2

作者：马三小伙儿
出处：http://www.cnblogs.com/msxh/p/7819645.html
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