IL代码底层运行机制

IL代码底层运行机制

IL代码底层运行机制

刘强

Cambest@sohu.com
2003年5月8日

大家都知道，和Java一样，C#也是基于堆栈的语言。也许对一般人来说，底层的运行细节并不是很重要；但了解这些，对我们理解、运用C#是很有帮助的。下面，我就通过一个很简单的例子来说明IL代码的底层运行机制，也许对你会有一些帮助。

我给出的例子表面上看是一个实现整数相减功能的函数；实际上，我也不知道究竟能够干什么。在实际当中，我们的程序当中会有很多种数据类型、引用类型，为了简便起见，我所给出的示例代码只用了一种数据类型，如下所示：

public int Sub(int i,int j)
{

int s;

int t = 0;

int r = 4;

s=i;

r =i – j;

r + =s + t;

return r;
}
这段代码很简单，任何学过C#的人都能看懂。首先，传入两个整型变量i和j，然后经过内部运算，返回一个整型值。函数体内定义了三个局部变量s，t，
r，分别用于保存自定义值以及结果。我们可以将它包装进一个类中，然后将它编译成.dll装配件。运用VS.NET自带的ildasm反汇编工具进行反汇编，我们得到如下IL代码：
.method
public hidebysig instance int32 Sub(int32 i,

int32 j) cil managed
{
// Code
size 22 (0x16)
.maxstack
3
.locals
init (int32 V_0, int32 V_1, int32 V_2, int32 V_3)

ldc.i4.0
stloc.1

ldc.i4.4
stloc.2
ldarg.1
stloc.0
ldarg.1
ldarg.2
sub
stloc.2
ldloc.2
ldloc.0
ldloc.1
add
add
stloc.2
ldloc.2
stloc.3
br.s
IL_0014
ldloc.3
ret
}
IL代码也可以由VS.NET自带的IL编译工具ilasm编译为.dll装配件或.exe可执行文件。
这里，我要对IL中出现的符号作一下简单解释。以点号’.’开头的标号为伪指示代码，只起指示作用，最终不会被JIT编译为本地可执行代码，如“.method”，“.locals”等。而不带点号’.’的标号为IL汇编代码，它们在运行时将会被JIT编译为本地可执行代码，如“ldarg.1”等。

每条语句究竟代表了什么样的操作，我们下面在详细讲解。注意：局部变量的下标从0开始，因此要注意我下面所说的“第零个局部变量”等的含义。
首先，让我们看一看函数体内的第一条语句：.maxstack
3。从其本身我们也可以猜出该语句说明堆栈的大小。暂且不表，且看下文。
第二句：.locals
init (int32 V_0, int32 V_1, int32 V_2, int32 V_3)
。V_0、V_1、V_2和我们在CS源程序中定义的局部变量s，t，r一一对应，我们大概也能猜到这一句是完成局部变量初始化工作的，但为什么在这里是四个呢？我们明明只定义了三个变量的。那么这由C#编译器自动维护的第四个变量有何作用？也暂且不表，先看下文。

ldc.i4.0
这条语句作用是在堆栈中载入常数，i4表示该常数为双字长的32位整型数，初始值为0。“ldc”可以理解为“load
constant”，加载常数。如图a，它完成的操作如同(top)<=0，top=top+1。
stloc.1
这条语句作用是将当前栈顶元素存入第一个局部变量。’1’表示操作对象为第一个局部变量。“stloc”可以理解为“store
to local”，保存局部变量。如图b，它完成的操作如同top=top-1，s<=(top)。
ldc.i4.4
这条语句完成的操作如同(top)<=4，top=top+1，如图c。
stloc.2
这条语句完成的操作如同top=top-1，t<=(top)，如图d。
ldarg.1
ldarg.2
这两条语句作用是在堆栈中载入第一个参数（i）、第二个参数（j）（和局部变量不同，参数的指示下标从1开始）。它完成的操作如同
(top)<=i，top=top+1，（top）<=j，top=top+1，如图e。其中，“ldarg”可以理解为“load
argument”，加载参数。

sub

这条语句作用是将当前栈顶元素求反，再下加到第二个栈单元中，如图f。它完成的操作如同top=top-1，temp=
-（top），top=top-1，（top）=（top）+
temp，top=top+1。

top

0

top

top

4

top

top

j

i

top

i-j

(a)
(b)
(c)
(d)

(e)
(f)


stloc.2
这条语句作用是将当前栈顶元素存入第二个局部变量(r)。它完成的操作如同top=top-1，r<=(top)，即r=i-j，如图
ldloc.2
ldloc.0
ldloc.1

这三条语句作用是分别将第二、第零个、第一个局部变量加载到堆栈上，如图h。“ldloc”可以理解为“load
local variable”，加载局部变量。
add
add
add的用发和sub一样，只不过不将当前栈顶元素求反，再下加到第二个栈单元中，连续操作两次。如图i、j。
stloc.2
将当前栈顶元素存入第二个局部变量。如图k。
ldloc.2
在堆栈中载入第二个局部变量（r），如图l。

top

top

r

top

top

r+s+t

top

s+t

r

top

t

s

r

　

(g) (h)
(i) (j)
(k) (l)

stloc.3
将当前栈顶元素存入第三个局部变量，亦即保存返回值，如图m所示。
br.s IL_0014
跳转到下一句（ldloc.3）。如图n所示。
ldloc.3
ret

将第三个局部变量（也即由编译器自动维护的变量）加载到堆栈上，然后返回，如图o。从这里我们也可以看出，1、第三个变量和返回值类型相同；2、扫尾后、返回前将第三个局部变量加载至堆栈。这可以让我们确定：第三个变量用于存储返回值。我们还要弄清楚为什么要专门分配一个局部变量来存储返回值，这一点在后面会有说明。

top

top

top

V_3

　

(m)
(n)

(o)

综观图a~o，我们回发现，整个函数过程所用到的最大栈数目就是3，这也就不难理解第一条语句
.maxstack 3 了。

现在，还有一点让人迷惑的是为什么要引入变量V_3？如上例中，倒数第二条指令ldloc.3
也可以由ldloc.2
代替，因为我们所要的结果就是存储在第二个变量r中的，这不是浪费空间嘛。要注意了，并不所有的返回值都保存在局部变量中的。
有可能我们将参数直接返回，或者将类成员变量返回，如：
public int Laxi(int x)
{
return x;
//直接将参数返回
}
或者是
int age;...
public int GetAge()
{
return age; //返回在类中定义的字段
}
或者是直接返回一个表达式：
public int GetInteger()
{
return age+4*6/2;
}
则必须进行这一步转换，以return
r为例：ldloc.x ->
stloc.y ->ldloc.y ->ret .
因为在以上三种情况当中，返回值都不存储在局部变量当中。