msil入门说明.doc

介绍微软中间语言 (MSIL) 是一种语言，是许多编译器(C#,VB.NET等)的输出. ILDasm (中间语言反汇编器)程序和.Net Framework SDK(FrameworkSDKBinildasm.exe)打包在一起，让用户以人可阅读的格式查看MSIL代码。通过该工具，我们可以打开任何.net可执行文件(exe或dll)并查看其MSIL代码。ILAsm 程序(中间语言编译器)从MSIL语言生成可执行文件。我们可以在WINNT Microsoft.NET Framework vn.nn.nn目录中找到这个程序。许多Visual C+程序员开始.net开发是因为他们对.NET框架的底层发生了一些什么感兴趣。学习MSIL给了用户理解某些对C#程序员或VB.NET程序员来说是透明的东西的机会。通晓MSIL给.NET程序员更多的能力。我们从不需要直接用MSIL编写程序，但是在某些情况下是非常有用的，我们可以用ILDasm打开程序的MSIL代码，查看它到底做了一些什么。一个Doc格式的MSIL参考对.NET开发人员来说比较有用，它也许可以在Framework SDK目录下找到：FrameworkSDKTool Developers GuidedocsPartition II Metadata.doc (元数据定义和术语). 在这个文件中,我发现了所有MSIL指令的说明，例如.entrypoint, .locals等. FrameworkSDKTool Developers GuidedocsPartition III CIL.doc (CIL命令集)包含了一个MSIL命令的完整列表。 在工作中，我也用到了一个MSDN的ILDAsm教程，一篇2001年5月由John Robbins发表在MSDN杂志的优秀的文章: ILDASM is Your New Best Friend。我想学习一门语言最好的途径就是用它写一些程序，所以我决定写一些小的MSIL程序。实际上，我们有写这些代码是C#编译器生成的，我只是做一了一些小的更改，并加了许多注释以描述MSIL是如何工作的。通过阅读附在本文的例子可以帮助.NET程序员理解中间语言，帮助其在需要的时候更易读懂MSIL代码。一般信息在MSIL中，所有的操作都在栈上完成。当调用一个函数的时候，其参数和局部变量都被分配到栈上。函数的代码从该栈开始，把一些值压入栈，对这些值进行一些操作，从栈上取出值。执行MSIL名利和函数由3个步骤完成：1. 把命令操作数和函数参数压入栈。 2. 执行命令或者调用函数。命令或函数从栈中取出他们的操作数（参数）并把他们压入结果栈 （返回值）。 3. 从栈中读取结果值。步骤13是可选的，例如，void函数不会压入一个结果值到栈。栈包含值类型对象和引用类型对象的引用。引用类型对象本身保存在堆中。用来把一个值压入栈中的MSIL命令是ld. （装载），用来从栈中取出值的命令是st. （存储）,因为值都存在变量中。我们可以把入栈操作叫做装载，出栈操作叫做存储。示例项目本文附上的代码中包含了许多用MSIL写的控制台程序. 如果需要编译他们，请确定ILAsm程序可以通过PATH访问。每个项目都是一个Visual Studio解决方案，IL源文件可以用VS的文本编辑器打开，Build命令运行ILAsm 程序在项目所在目录生成exe文件，run命令执行该文件。在每个程序的末尾，我加了几行代码，他们可以用C#来写： Console.WriteLine(Press Enter to continue);Console.Read();这样，当从Windows Explorer运行的时候，就可以看到程序的输出。下面是所含项目的列表：1. 打印字符串打印字符传到控制台。 2. 赋值给一个int变量赋值并把它打印到控制台。 3. 运算从控制台读取2个数字，惊醒+，-和乘的操作，并显示结果。 4. 数组 分配一个int类型的数组，给他的元素赋值，打印其元素和数组的长度。 5. 比较 输入2个数字并打印出最小的那个。 6. 数组2 用循环填充数组元素并打印某些元素。 7. 不安全代码 使用unsafe指针访问数组元素。 8. PInvoke 调用Win32 API。 9. 类 和类一起工作。 10. 异常 异常处理。我假设你以在这所说的顺序阅读这些项目。在下面的项目描述中，我用程序来解释每一条MSIL命令，并给出一些代码片段。打印字符串PrintString 就是MSIL版的 Hello, World 在代码中用到的MSIL指令如下：.entrypoint 定义程序的入口点（该函数在程序启动的时候由.NET 运行库调用）.maxstack 定义函数代码所用堆栈的最大深度。C#编译器可以对每个函数设置准确的值， 在例子中，我把他设为8。 用到的MSIL命令如下：ldstr string把一个字符串常量装入堆栈。 call function(parameters)调用静态函数。函数的参数必须在函数调用前装入堆栈。 pop 取出栈顶的值。当我们不需要把值存入变量时使用。 ret 从一个函数中返回。 调用静态函数很简单。我们把函数的参数压入堆栈，调用函数，然后从堆栈中读取函数的返回值（如果是非void函数）。Console.WriteLine 就是一个这样的函数。下面是代码：.assembly PrintString /*Console.WriteLine(Hello, World)*/.method static public void main() il managed.entrypoint / 该函数是程序的入口.maxstack 8/ */ Console.WriteLine(Hello, World);/ *ldstr Hello, World / 把字符串压入堆栈/ 调用静态的System.Console.Writeline函数/ (函数移除栈顶的字符串)call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(class System.String)/ *ldstr Press Enter to continuecall void mscorlibSystem.Console:WriteLine(class System.String)/ 调用 System.Console.Read 函数call int32 mscorlibSystem.Console:Read()/ pop 指令移除栈顶元素/ (移除由Read()函数返回的数字pop/ *ret赋值该程序给一个变量赋与int值并把它打印到控制台窗口。命令：ldc.i4.n把一个 32位的常量（n从0到8）装入堆栈 stloc.n 把一个从堆栈中返回的值存入第n（n从0到8）个局部变量 代码：.assembly XequalN / int x;/ x = 7;/ Console.WriteLine(x);.method static public void main() il managed.entrypoint.maxstack 8.locals init (0 int32 x) / 分配一个局部变量/ */ x = 7;/ *ldc.i4.7 / 把常量装入堆栈stloc.0 / 把堆栈中的值存入第0个变量/ */ Console.WriteLine(x);/ *ldloc.0 / 把第0个变量转入堆栈call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(int32)ret数据运算本程序从控制台读取2个数字，对它们进行简单的运算，然后显示结果。命令：add2个值相加。命令的参数必须在调用前装入堆栈，该函数从堆栈中移除参数并把运算后的结果压入堆栈。 sub 2个值相减。 mul 2个值相乘。代码片段：.assembly Operations /*/ 程序的C#代码：int x, y, z;string s;Console.WriteLine(Enter x:);s = Console.ReadLine();x = Int32.Parse(s);Console.WriteLine(Enter y:);s = Console.ReadLine();y = Int32.Parse(s);z = x + y;Console.Write(x + y = );Console.Write(z);Console.WriteLine();z = x - y;Console.Write(x - y = );Console.Write(z);Console.WriteLine();z = x * y;Console.Write(x * y = );Console.Write(z);Console.WriteLine();*/.method static public void main() il managed.entrypoint.maxstack 8.locals init (0 int32 x,1 int32 y,2 int32 z,3 string s)/ */ Console.WriteLine(Enter x:);/ *ldstr Enter x: / 把字符装入堆栈call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)/ */ s = Console.ReadLine();/ *call string mscorlibSystem.Console:ReadLine()stloc.3 / 把值存入第3个变量/ */ x = Int32.Parse(s);/ *ldloc.3 / 把第3个变量装入堆栈/ 调用 System.Int32:Parse(string)函数/ 把字符串从堆栈中移除并把解析的结果int值压入堆栈call int32 mscorlibSystem.Int32:Parse(string)stloc.0 / 把值存入第0个变量/ */ 和变量y的一些运算/ *ldstr Enter y:/ 装入字符串call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)/ 调用call string mscorlibSystem.Console:ReadLine()/ 调用stloc.3/把值存入第3个变量ldloc.3/把第3个变量装入堆栈call int32 mscorlibSystem.Int32:Parse(string)/ 调用stloc.1/把值存入第1个变量/ */ z = x + y;/ *ldloc.0 /把第0个变量装入堆栈ldloc.1 /把第1个变量装入堆栈/ 把这2个值从堆栈中移除，把结果压入堆栈addstloc.2 /把值存入第2个变量/ */ Console.Write(x + y = );/ *ldstr x + y = / load string onto stackcall void mscorlibSystem.Console:Write(string)/ */ Console.Write(z);/ *ldloc.2 /把第2个变量装入堆栈call void mscorlibSystem.Console:Write(int32)/ */ Console.WriteLine();/ *ldstr /装入字符串call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)/相减和相乘运算过程与上面相同ret数组本程序分配一个int型的数组并给他的元素赋值，然后打印出元素和数组的长度。命令：newarr type 生成一个元素类型为type 的数组。数组的大小必须在调用该命令前装入堆栈。该命令会把一个数组的引用装入堆栈。stelem.i4 给一个数组成员赋值。数组的引用、下标和值必须在调用该命令前装入堆栈。 ldelema type 把数组元素的地址装入堆栈。数组的引用和下标必须在调用该命令前装入堆栈。地址用来调用非静态函数（参见后面）。 ldlen把数组的长度装入堆栈。数组的引用必须在调用该命令前装入堆栈。 ldloca.s variable 把变量的地址装入堆栈。 ldc.i4.s value 把一个Int32的常量装入堆栈（用于大于8位的数）。 conv.i4 把堆栈中值转换成Int32类型。 call instance function(arguments) 调用类的非静态函数。在调用一个非静态函数之前，我们必须把某个类的实例的地址和函数的参数装入堆栈。在本例中，地址通过ldelema和ldloca 命令装入。 在本例的某些代码片段中，我写了一些注释，以说明堆栈在最后一个变量后的状态。在本例中，我们看到变量由编译器生成，该变量用来调用类的非静态函数。 代码：.assembly Array1 /*/ This program works as C# code:int x = new int5;x0 = 10;x1 = 20;Console.WriteLine(x0 = + x0.ToString();Console.WriteLine(x1 = + x1.ToString();Console.WriteLine(Array length = + x.Length.ToString();*/.method static public void main() il managed.entrypoint.maxstack 8.locals init (0 int32 x,1 int32 tmp) / 由编译器生成/ */ x = new int5;/ *ldc.i4.5 / 把常量装入堆栈。/ 生成数组，并把他的引用压入堆栈newarr mscorlibSystem.Int32/ 把数组从堆栈中取出，存入第0个局部变量中stloc.0/ */ x0 = 10;/ *ldloc.0 / 把第0个局部变量装入堆栈（数组）ldc.i4.0 / 把常量0装入堆栈（下标）ldc.i4.s 10 / 把常量10装入堆栈（值）stelem.i4 / arrayindex = value/ 对数组的其余元素进行同样的操作/ */ Console.WriteLine(x0 = + x0.ToString();/ *ldstr x0 = / 堆栈：x0 = (堆栈由局部变量表示)ldloc.0 / 把第0个变量装入堆栈ldc.i4.0 / 把第1个变量装入堆栈/ 堆栈: x0 = - x - 0/ 把元素的地址装入堆栈ldelema mscorlibSystem.Int32/ 堆栈: x0 = - 指向一个Int32的指针/ 10/ 调用实例函数System.Int32:ToString().call instance string mscorlibSystem.Int32:ToString()/ 堆栈: x0 = - 10/ 调用静态函数System.String:Concat(string, string)call string mscorlibSystem.String:Concat(string, string)/ 堆栈: x0 = 10/ 调用静态函数 System.Console:WriteLine(string)call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)/ 堆栈: 空/对数组的其余元素进行同样的操作/ */ Console.WriteLine(Array length = + x.Length.ToString();/ *ldstr Array length = / 堆栈: Array length = ldloc.0 / 把第0个变量装入堆栈/ 堆栈: Array length = - xLdlen / 把数组的长度装入堆栈/ 堆栈: Array length = - 5conv.i4 / 把栈顶的值转换为Int32，并把他装入堆栈/ 堆栈: Array length = - 5stloc.1 / 把刚才的值存入第1个局部变量(tmp)/ 堆栈: Array length = ldloca.s tmp /把变量tmp的地址装入堆栈/ 堆栈: Array length = - &tmpcall instance string mscorlibSystem.Int32:ToString()/ 堆栈: Array length = - 5call string mscorlibSystem.String:Concat(string, string)/ 堆栈: Array length = 5call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)/ 堆栈: 空ret比较本程序读取2个数字并打印其最小值。命令：bge.s label跳转至label 如果value1value 2. Values 1和 2 必须在调用本命令前装入堆栈。 br.s label跳转至label。 box value type 把一个值类型转成一个Object，并把该Object的引用装入堆栈。 本程序的装箱由如下C#程序引起： Console.WriteLine(0:d, z);用这种形式就不会引起装箱： Console.WriteLine(z.ToString();.代码：.assembly Compare /*int x, y, z;string s;Console.WriteLine(Enter x:);s = Console.ReadLine();x = Int32.Parse(s);Console.WriteLine(Enter y:);s = Console.ReadLine();y = Int32.Parse(s);if ( x y )z = x;elsez = y;Console.WriteLine(0:d, z);*/.method static public void main() il managed.entrypoint.maxstack 8.locals init (0 int32 x,1 int32 y,2 int32 z,3 string s)/ */ Console.WriteLine(Enter x:);/ *ldstr Enter x: / 把字符串装入堆栈call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)/ */ s = Console.ReadLine();/ *call string mscorlibSystem.Console:ReadLine()stloc.3 / 保存到第3个变量/ */ x = Int32.Parse(s);/ *ldloc.3 / 把第3个变量装入堆栈call int32 mscorlibSystem.Int32:Parse(string)stloc.0 / 保存到第0个变量/ 对y进行相同的操作/ */ 分支/ if ( x = y ) goto L_GR;/ *ldloc.0 / 把x装入堆栈(value 1)ldloc.1 / 把y装入堆栈(value 2)bge.s L_GR / 跳转到 L_GR 如果value1value2/ */ z = x/ *ldloc.0 / 把第0个变量装入堆栈stloc.2 / 保存到第2个变量br.s L_CONTINUE / 跳转至 L_CONTINUEL_GR:/ */ z = y/ *ldloc.1 / 把第1个变量装入堆栈stloc.2 / 保存到第2个变量L_CONTINUE:/ */ Console.WriteLine(0:d, z);/ 注意：这一行引起装箱操作/ *ldstr 0:d / 把字符串装入堆栈ldloc.2 / 把第2个变量装入堆栈 (z)box mscorlibSystem.Int32 / 把Int32变为Objectcall void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string, object)ret数组2(循环)本程序用循环填充一个数组并打印其元素。这一次，我们增加一个静态函数ShowNumber(int), 它在main函数中调用。命令：blt.s label跳转到label 如果value 1小于 value 2. Values 1 和 2 必须在调用本命令之前装入堆栈。 ldelem.i4 把一个数组元素装入堆栈。数组引用和下标必须在调用本命令之前装入堆栈。 ldarga.s argument 把函数参数的地址装入堆栈。 我们可以看到，在本程序中，for 循环在MSIL中用标签来实现。代码：.assembly Array2 /*int px = new int100;int i;for ( i = 1; i 100; i+ )pxi = i + 1;ShowNumber(px5);ShowNumber(px10);static void ShowNumber(int n)Console.WriteLine(n.ToString();*/.method static public void main() il managed.entrypoint.maxstack 8.locals init (0 int32 px,1 int32 i)/ */ x = new int100/ *ldc.i4.s 100 / 把常量装入堆栈newarr mscorlibSystem.Int32 / 分配一个Int32型的数组stloc.0 / 把它存入第0个变量/ */ i = 1/ *ldc.i4.1 /把常量装入堆栈stloc.1 /把它存入第1个变量br.s CHECK_COUNTER / 跳转到 CHECK_COUNTERSTART_LOOP:/ */ pxi = i + 1;/ *ldloc.0 / 把第0个变量装入堆栈/ 堆栈: pxldloc.1 / 把第1个变量装入堆栈/堆栈; px - ildloc.1 /把第1个变量装入堆栈/堆栈: px - i - ildc.i4.1 /把常量装入堆栈/堆栈: px - i - i - 1.add / 2个值相加/堆栈: px - i - i+1/ (array,index,value)stelem.i4 / 把值存入数组元素/堆栈index = value/堆栈: 空/ */ i = i + 1/ *ldloc.1 /把第1个变量装入堆栈ldc.i4.1 /把常量装入堆栈add / 相加stloc.1 / 把值存入把第1个变量CHECK_COUNTER:/ */ 如果 i 100 跳转到循环开始的地方/ *ldloc.1 / 把第1个变量装入堆栈ldc.i4.s 100 / 把常量装入堆栈blt.s START_LOOP / 如果value1value2调转至START_LOOP/ */ ShowNumber(px5/ *ldloc.0 / 把第0个变量装入堆栈/ (array)ldc.i4.5 / 把常量装入堆栈/ (index)ldelem.i4 / 把数组元素装入堆栈call void ShowNumber(int32) / 调用 ShowNumber/ */ ShowNumber(px10/ *ldloc.0ldc.i4.s 10ldelem.i4call void ShowNumber(int32)ret.method static public void ShowNumber(int32 n) il managed.maxstack 1ldarga.s n / 把第n个参数的地址装入堆栈call instance string mscorlibSystem.Int32:ToString()call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string)ret不安全代码本程序通过unsafe指针填充和打印一个int型数组。在本程序中，我们将看到新的类型：int32* 和 int32&。使用关键字pinned 可以阻止GC移动由局部指针变量指向的对象。命令：dup在堆栈上复制一个值。 stind.i4存储值的地址。地址和值必须在调用本命令之前装入堆栈。 Code:.assembly Unsafe /*int nArray = new int5;int i;int* pCurrent;fixed ( int* pArray = nArray )pCurrent = pArray;for ( i = 0; i 5; i+ )*pCurrent+ = i + 1;for ( i = 0; i 5; i+ )Console.WriteLine(nArrayi.ToString();*/.method static public void main() il managed.entrypoint.maxstack 8.locals (0 int32 nArray,1 int32 i,2 int32* pCurrent,3 int32& pinned pArray) / GC不会移动该指针指向的对象/ */ nArray = new int5;/ *ldc.i4.5 / 把常量5装入堆栈 newarr mscorlibSystem.Int32 / 生成数组 Int325stloc.0 / 存入第0个变量/ */ pArray = nArray (pArray = &nArray0)/ *ldloc.0/把第0个变量装入堆栈(array)ldc.i4.0/把常量0装入堆栈(index)ldelema mscorlibSystem.Int32/ 把arrayindex装入堆栈stloc.3/存入第3个局部变量/ */ pCurrent = pArray;/ *ldloc.3 /把第3个变量装入堆栈conv.i / 转变为intstloc.2 /存入第2个变量/ */ i = 0/ *ldc.i4.0 /把常量0装入堆栈stloc.1 /存入第1个变量/ */ 跳转到 CHECK_COUNTER/ *br.s CHECK_COUNTERSTART_LOOP:/ */ *pCurrent+ = i + 1 / */ 1) 保存pCurrent到堆栈，然后累加pCurrentldloc.2/把第2个变量装入堆栈 pCurrentdup/ 复制栈顶的值/ pCurrent pCurrentldc.i4.4/ 把常量4装入堆栈 pCurrent pCurrent 4add/ 相加 pCurrent pCurrent + 4stloc.2/ 存入第2个变量 pCurrent/ 译注：因为int型指针是4位的，所以加pCurrent+4=*pCurrent+/ 2) 把 (i+1) 保存到pCurrentldloc.1/ 把第1个变量装入堆栈 pCurrent ildc.i4.1/把常量1装入堆栈 pCurrent i 1add / 相加 pCurrent i+1/ 地址 值stind.i4/ 把i+1的值的地址存入pCurrent empty/ */ i = i + 1/ *ldloc.1 / 把第1个变量装入堆栈ldc.i4.1 / 把常量1装入堆栈add / 相加stloc.1 / 存入第1个变量CHECK_COUNTER:/ */ 如果i 5 跳转至 START_LOOP;/ *ldloc.1 / 把第1个变量装入堆栈ldc.i4.5 / 把常量5装入堆栈blt.s START_LOOP / 如果i5跳转至START_LOOP/ */ pArray = 0 fixed 块结束/ *ldc.i4.0 / 把常量0装入堆栈conv.u / 转变为unsigned int，并压入堆栈stloc.3 / 存入第3个变量/ 打印数组元素retPInvoke 本程序使用Win32 API GetComputerName 和 MessageBox 显示计算机的名字。API的MSIL声明形式如下： .method public hidebysig static pinvokeimpl(kernel32.dllautochar winapi)int32 GetComputerName(class mscorlibSystem.Text.StringBui