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想查看IL指令,请看中英文对照表:
CN-;
ES-.
.NET CLR 和 Java VM 都是堆疊式虛擬機器(Stack-Based VM),也就是說,它們的指令集(Instruction Set)都是採用堆疊運算的方式:執行時的資料都是先放在堆疊中,再進行運算。Java VM 有約 200 個指令(Instruction),每個指令都是 1 byte 的 opcode(操作碼),後面接不等數目的參數;.NET CLR 有超過 220 個指令,但是有些指令使用相同的 opcode,所以 opcode 的數目比指令數略少。特別注意,.NET 的 opcode 長度並不固定,大部分的 opcode 長度是 1 byte,少部分是 2 byte。
本文章以一個實際的例子,讓你瞭解堆疊式 VM 的運作原理,並對 .NET IL(Intermediate Language)有最基本的領略。
下面是一個簡單的 C# 原始碼:
using System;public class Test { public static void Main(String[] args) { int i=1; int j=2; int k=3; int answer = i+j+k; Console.WriteLine("i+j+k="+answer); }}
ldc.i4.1stloc.0ldc.i4.2stloc.1ldc.i4.3stloc.2ldloc.0ldloc.1addldloc.2addstloc.3ldstr "i+j+k="ldloc.3box [mscorlib]System.Int32call string [mscorlib]System.String::Concat(object, object)call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)ret
此程式執行時,關鍵的記憶體有三種,分別是:
- 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。
- 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。一般來說,Record Frame 內紀錄著 method 參數(Parameter)、返回位址(Return Address)、以及區域變數(Local Variable)。Java VM 和 .NET CLR 都是使用 0, 1, 2… 編號的方式來識別區域變數。
- 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。前面所謂的堆疊式虛擬機器,指的就是這個堆疊。
後面有一連串的示意圖,用來解說在執行時此三種記憶體的變化。首先,在進入 Main() 之後,尚未執行任何指令之前,記憶體的狀況如圖 1 所示:
圖 1接著要執行第一道指令 ldc.i4.1。此指令的意思是:在 Evaluation Stack 置入一個 4 byte 的常數,其值為 1。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 2 所示:
圖 2接著要執行第二道指令 stloc.0。此指令的意思是:從 Evaluation Stack 取出一個值,放到第 0 號變數(V0)中。這裡的第 0 號變數其實就是原始碼中的 i。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 3 所示:
圖 3後面的第三道指令和第五道指令雷同於第一道指令,且第四道指令和第六道指令雷同於第二道指令。為了節省篇幅,我不在此一一贅述。提醒大家第 1 號變數(V1)其實就是原始碼中的 j,且第 2 號變數(V2)其實就是源碼中的 k。圖 4~7 分別是執行完第三~六道指令之後,記憶體的變化圖:
圖 4 圖 5 圖 6 圖 7接著要執行第七道指令 ldloc.0 以及第八道指令 ldloc.1:分別將 V0(也就是 i)和 V1(也就是 j)的值放到 Evaluation Stack,這是相加前的準備動作。圖 8 與圖 9 分別是執行完第七、第八道指令之後,記憶體的變化圖:
圖 8 圖 9接著要執行第九道指令 add。此指令的意思是:從 Evaluation Stack 取出兩個值(也就是 i 和 j),相加之後將結果放回 Evaluation Stack 中。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 10 所示:
圖 10接著要執行第十道指令 ldloc.2。此指令的意思是:分別將 V2(也就是 k)的值放到 Evaluation Stack,這是相加前的準備動作。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 11 所示:
圖 11接著要執行第十一道指令 add。從 Evaluation Stack 取出兩個值,相加之後將結果放回 Evaluation Stack 中,此為 i+j+k 的值。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 12 所示:
圖 12接著要執行第十二道指令 stloc.3。從 Evaluation Stack 取出一個值,放到第 3 號變數(V3)中。這裡的第3號變數其實就是原始碼中的 answer。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 13 所示:
圖 13接著要執行第十三道指令 ldstr "i+j+k="。此指令的意思是:將 "i+j+k=" 的 Reference 放進 Evaluation Stack。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 14 所示:
圖 14接著要執行第十四道指令 ldloc.3。將 V3 的值放進 Evaluation Stack。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 15 所示:
圖 15接著要執行第十五道指令 box [mscorlib]System.Int32。此指令的意思是:從 Evaluation Stack 中取出一個值,將此 Value Type 包裝(box)成為 Reference Type。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 16 所示:
圖 16接著要執行第十六道指令 call string [mscorlib] System.String::Concat(object, object)。此指令的意思是:從 Evaluation Stack 中取出兩個值,此二值皆為 Reference Type,下面的值當作第一個參數,上面的值當作第二個參數,呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.String.Concat() method 來將此二參數進行字串接合(String Concatenation),將接合出來的新字串放在 Managed Heap,將其 Reference 放進 Evaluation Stack。值得注意的是:由於 System.String.Concat() 是 static method,所以此處使用的指令是 call,而非 callvirt(呼叫虛擬)。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 17 所示:
圖 17請注意:此時 Managed Heap 中的 Int32(6) 以及 String("i+j+k=") 已經不再被參考到,所以變成垃圾,等待 GC 的回收。
接著要執行第十七道指令 call void [mscorlib] System.Console::WriteLine(string)。此指令的意思是:從 Evaluation Stack 中取出一個值,此值為 Reference Type,將此值當作參數,呼叫 mscorlib.dll 所提供的 System.Console.WriteLine() method 來將此字串顯示在 Console 視窗上。System.Console.WriteLine() 也是 static method。執行完此道指令之後,記憶體的變化如圖 18 所示:
圖 18接著要執行第十八道指令 ret。此指令的意思是:結束此次呼叫(也就是 Main 的呼叫)。此時會檢查 Evaluation Stack 內剩下的資料,由於 Main() 宣告不需要傳出值(void),所以 Evaluation Stack 內必須是空的,本範例符合這樣的情況,所以此時可以順利結束此次呼叫。而 Main 的呼叫一結束,程式也隨之結束。執行完此道指令之後(且在程式結束前),記憶體的變化如圖 19 所示:
圖 19透過此範例,讀者應該可以對於 IL 有最基本的認識。對 IL 感興趣的讀者應該自行閱讀 Serge Lidin 所著的《Inside Microsoft .NET IL Assembler》(Microsoft Press 出版)。我認為:熟知 IL 每道指令的作用,是 .NET 程式員必備的知識。.NET 程式員可以不會用 IL Assembly 寫程式,但是至少要看得懂 ILDASM 反組譯出來的 IL 組合碼。
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