[你必须知道的.NET]第二十四回：认识元数据和IL（上）
| 說在，開篇之前 |
| 很早就有說說Metadata（元數據）和IL（中間語言）的想法了，一直在這篇開始才算腳踏實地的對這兩個階級兄弟投去些細關懷，雖然來得沒有《第一回：恩怨情仇：is和as》那么迅速，但是Metadata和IL卻是絕對重量級的內容，值得我們在任何時間關注，本文就是開始。? ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????www.anytao.com |
1 引言
你可曾想到，我們的C#代碼，編譯之后究竟為何物？你可曾認知，我們的可執行程序，運行之時的軌跡究竟為哪般？那么，本文通過對Metadata（元數據）和IL（Intermediate Language, 中間語言）的認識開始，來逐步給出答案。在這個探索軌跡上，元數據、IL、程序集、程序域、JIT、虛分派、方法表和托管堆這些形形色色的神秘嘉賓將在某個時刻不期而遇，作為你必須知道的.NET?系列2.0版本的一部分，本文首先從認識元數據和IL這兩位重量級選手開始，而其他的嘉賓也將很快登場。
2 初次接觸
在事實上，編譯之后的cs代碼被組織為兩種基本的元素：元數據（Metadata）和IL。我們可以以最簡單的方式來了解程序集（*.dll）或可執行文件（*.exe）中包含的Metadata和IL的秘密，這種方式就是我們常說的反編譯，打開ILDasm并加載實現準備的程序集，我們可以看到托管PE文件的相關內容：
詳細的結構信息和IL代碼分析，可以參見[你必須知道的.NET]第3章 “一切從IL開始”的介紹，在此就不做太多的分析。另外，我們可以通過執行“View/MetaInfo/Show!”或者Ctrl+M快捷鍵來獲取該程序集所使用的MetaData信息列表：
?
其中該程序集使用的元數據主要有：Module、TypeRef、TypeDef、Method、Param、MemberRef、CostomAttribute、Assembly、AssemblyRef等，同時還包括#Strings、#GUID、#Blob、#US堆等。
當然，關于ILDasm工具，還有很多好玩的使用方式來滿足我們探索IL代碼的好奇心，例如：
? ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe /output:my.il，將反編譯結果導出為il代碼格式，生成一個my.il包含了所有的IL代碼和一個my.res包含了所有的資源文件。
? ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe /text，將反編譯結果以Console形式輸出。
當然我們還是推薦以GUI形式來查看IL細節，組織結構良好的Class View：
? ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe
下面首先給出參與編譯的相關代碼文件，然后再展開我們對Metadata和IL的討論：
//?Release?:?code01,?2009/02/12????????????????????
//?Author??:?Anytao,?http://www.anytao.com
//?List????:?One.cs
public?class?One
{
????public?int?ID?{?get;?set;?}
}//?Release?:?code02,?2009/02/12????????????????????
//?Author??:?Anytao,?http://www.anytao.com
//?List????:?Two.cs
public?class?Two
{
????public?string?SayHello()
????{
????????return?"Hello,?world.";
????}
}//?Release?:?code03,?2009/02/12????????????????????
//?Author??:?Anytao,?http://www.anytao.com?
//?List????:?Program.cs
class?Program
{
????static?void?Main(string[]?args)
????{
????????int?id?=?1;
????????One?one?=?new?One();
????????one.ID?=?id;
????????Two?two?=?new?Two();
????????Console.WriteLine(two.SayHello());
????}
}
接著，我們對上述程序的編譯執行過程進行一點探索，以命令行編譯器來演化其大致的編譯過程，以此進一步了解托管模塊，程序集和可執行文件之間的關系：
?
?
-
打開Visual Studio 2008 Command Prompt，并定位到cs代碼所在文件夾，編譯One.cs為托管模塊，執行命令：?
? csc /t:module One.cs
執行之后，將生成名為One.netmodule文件；
-
繼續執行，將多個模塊打包為程序集
?csc /t:library /addmodule:One.netmodule Two.cs
執行之后，將生成名為Two.dll文件；
-
最后，編譯Main函數和Two.dll為可執行文件
?csc /out:Anytao.Insidenet.MetatdataIL.exe /t:exe /r:Two.dll /r:mscorlib.dll Program.cs
最終將得到本文開始時所加載的用于反編譯的程序集文件Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe，在該執行命令中對幾個指示符開關做點說明：
- /out:Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe，表示輸出的可執行文件，及其名稱
- /t:exe，表示輸出的文件類型為CUI（控制臺界面程序）程序；而/t:winexe，表示輸出為GUI（圖形界面程序）程序
- /r:Two.dll，表示引用剛剛生產的Two.dll程序集
- /r:mscorlib.dll，表示因為外部程序集mscorlib.dll，因為我們的程序中使用了Console靜態方法，而該方法則被定義在mscorlib.dll中。mscorlib.dll是如此的重要，我們將在本文之后的某些時候再次與mscorlib.dll握手，那時在對其進行一個詳細的分析，敬請期待。
在cmd中的執行過程可以參考：
通過分步執行的方式我們對csc編譯器的執行過程有個基本的了解，也同時從側面認識了每次在Visual Studio中執行“Build“或者“ReBuild”的縮影。綜上分析，我們可以簡單的看到：
?
Note：在Visual Studio中，編譯是分模塊進行的，編譯結果保存在obj目錄中，最后再合并為可執行文件于bin目錄，同時默認情況下，編譯過程是增量式的，僅編譯發生修改的模塊，我將在后文給出較為詳細的過程。
同時，我們還可以收獲以下幾個基本的結論：
-
cs代碼編譯之后將生成元數據和IL，并組成托管模塊（Module）的基本單元。
-
多個托管模塊組成程序集，其實還包括一定的資源文件，只是沒有在此體現。
-
程序集或者可執行文件是邏輯組織的基本單元，符合基本的Windows PE文件格式，可以被x86或者x64Windows直接加載執行。
3 繼續深入
一個或者多個模塊，再加上資源文件就形成了程序集（Assembly），作為邏輯組織的基本單元，
事實上，此圖僅僅從粗粒度對程序集的基本組成有個大致的了解，實際上程序集中包含了復雜的結構和要素，例如PE Signature、Managed Resources、Strong Name Signature Hash，而其中最核心的要素則體現在上圖。
- 程序集清單（MANIFEST）包含了程序集的自描述信息，主要包含AssemblyDef、FileDef、ManifestResourceDef和ExportedTypeDef，在反編譯選項中MANIFEST包含了詳細的內容。在《你必須知道的.NET》3.1節 “從Hello，world開始認識IL”對其有過詳細的描述，此不贅述。
- PE文件頭，標準Windows PE頭文件（PE32或PE32+），PE文件的基本信息，例如文件類型，創建時間，本地CPU信息等。
- CLR頭，包含CLR版本、模塊元數據、資源等信息。
- 資源文件。
執行View/Statisctics菜單，可以打開相關的統計信息：
?File?size????????????:?5632
?PE?header?size???????:?512?(496?used)????(?9.09%)
?PE?additional?info???:?1691??????????????(30.02%)
?Num.of?PE?sections???:?3
?CLR?header?size?????:?72?????????????????(?1.28%)
?CLR?meta-data?size??:?2212???????????????(39.28%)
?CLR?additional?info?:?0??????????????????(?0.00%)
?CLR?method?headers??:?52?????????????????(?0.92%)
?Managed?code?????????:?287???????????????(?5.10%)
?Data?????????????????:?2048??????????????(36.36%)
?Unaccounted??????????:?-1242?????????????(-22.05%)
?Num.of?PE?sections???:?3
???.text????-?3072
???.rsrc????-?1536
???.reloc???-?512
?CLR?meta-data?size??:?2212
???Module????????-????1?(10?bytes)
???TypeDef???????-????4?(56?bytes)??????0?interfaces,?0?explicit?layout
???TypeRef???????-???25?(150?bytes)
???MethodDef?????-????8?(112?bytes)?????0?abstract,?0?native,?8?bodies
???FieldDef??????-????1?(6?bytes)???????0?constant
???MemberRef?????-???29?(174?bytes)
???ParamDef??????-????2?(12?bytes)
???CustomAttribute-???16?(96?bytes)
???StandAloneSig?-????4?(8?bytes)
???PropertyMap???-????1?(4?bytes)
???Property??????-????1?(6?bytes)
???MethodSemantic-????2?(12?bytes)
???Assembly??????-????1?(22?bytes)
???AssemblyRef???-????1?(20?bytes)
???Strings???????-???920?bytes
???Blobs?????????-???328?bytes
???UserStrings???-????68?bytes
???Guids?????????-????16?bytes
???Uncategorized?-???192?bytes
?CLR?method?headers?:?52
???Num.of?method?bodies??-?8
???Num.of?fat?headers????-?4
???Num.of?tiny?headers???-?4
?Managed?code?:?287
???Ave?method?size?-?35
?我們將在后篇《深入程序集和模塊》中對PE頭，CLR頭和資源文件進行詳細論述。
- IL代碼被組織為
????.class?public?auto?ansi?beforefieldinit?Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two
???????extends?[mscorlib]System.Object
????{
??????.method?public?hidebysig?instance?string?
??????????????SayHello()?cil?managed
??????{
????????//?Code?size???????11?(0xb)
????????.maxstack??1
????????.locals?init?([0]?string?CS$1$0000)
????????IL_0000:??nop
????????IL_0001:??ldstr??????"Hello,?world."
????????IL_0006:??stloc.0
????????IL_0007:??br.s???????IL_0009
????????IL_0009:??ldloc.0
????????IL_000a:??ret
??????}?//?end?of?method?Two::SayHello
??????.method?public?hidebysig?specialname?rtspecialname?
??????????????instance?void??.ctor()?cil?managed
??????{
????????//?Code?size???????7?(0x7)
????????.maxstack??8
????????IL_0000:??ldarg.0
????????IL_0001:??call???????instance?void?[mscorlib]System.Object::.ctor()
????????IL_0006:??ret
??????}?//?end?of?method?Two::.ctor
????}?//?end?of?class?Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two
包裝在類似于匯編模樣的外衣下，我看依稀可見class, System.Object, method, public, string這些面向對象高級語言中的熟悉面孔，不同的只是多了很多benforefieldinit（參考：[你必須知道的.NET]第二十三回：品味細節，深入.NET的類型構造器）, ret, maxstack, ldstr, stloc這些陌生的指令。然而IL并非一個怪胎，而正是基于其本身面向對象的匯編式風格，才造就了IL代碼成為名副其實的“中間語言”的重任。通過IL代碼，CLR就可在編譯時由JIT編譯轉換為Native Code，我們將在下節繼續分析這個過程的來龍去脈。
| 欲知后事如何，且聽下文繼續:-) |
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的[你必须知道的.NET]第二十四回：认识元数据和IL（上）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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