一步步教你读懂NET中IL（附详细图）

本文章以一个实际的例子，让你了解堆叠式 VM 的运作原理，并对 .NET IL（Intermediate Language）有最基本的领略。

下面是一个简单的 C# 原始码：

        int i=1;
        int j=2;
        int k=3;
        int answer = i+j+k;
        Console.WriteLine("i+j+k="+answer);

　　将此原始码编译之后，可以得到一个 EXE的程序。我们可以通过 IL反汇编程序来反编译 EXE 以观察IL。将 Main() 的 IL 反编译条列如下，这里共有十八道IL 指令(stloc和ldloc)

ldc.i4.1
stloc.0
ldc.i4.2
stloc.1
ldc.i4.3
stloc.2
ldloc.0
ldloc.1
add
ldloc.2
add
stloc.3
ldstr      "i+j+k="
ldloc.3
box        [mscorlib]System.Int32
call       string [mscorlib]System.String::Concat(object, object)
call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
ret

此程式执行时，关键的记忆体有三种，分別是：

　　1、Managed Heap：这是动态配置（Dynamic Allocation）的记忆体，由 Garbage Collector（GC）在执行时自动管理，整个Process 共用一个 Managed Heap。

　　2、Call Stack：这是由 .NET CLR 在执行时自动管理的记忆体，每个 Thread 都有自己专属的 Call Stack。每调用一次 method，就会使得Call Stack 上多了一个 Record Frame；调用完毕之后，此 Record Frame 会被丢弃。一般來说，Record Frame 內记录着 method 参数（Parameter）、返回位址（Return Address）、以及区域变数（Local Variable）。Java VM 和 .NET CLR 都是使用 0, 1, 2… 编号的方式來识別区别变数

 3、Evaluation Stack：这是由 .NET CLR 在执行时自动管理的记忆体，每个 Thread 都有自己专属的 Evaluation Stack。前面所谓的堆叠式虚拟机器，指的就是这个堆叠。

　　后面有一连串的示意图，用來解说在执行时此三种记忆体的变化。首先，在进入 Main() 之后，尚未执行任何指令之前，记忆体的状況如图1 所示

接着要执行第一道指令 ldc.i4.1。此指令的意思是：在 Evaluation Stack 置入一个 4 byte 的常数，其值为 1。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图2 所示：

　　ldc.i4.1：表示加载一个值为1到堆栈中，该条指令的语法结构是：

　　ldc.type value：ldc指令加载一个指定类型（type）值为value的到stack.（其中i4是int32，i8int64）

接着要执行第二道指令 stloc.0。此指令的意思是：从 Evaluation Stack 取出一个值，放到第 0 号变数（V0）中。这里的第 0 号变数其实就是原始码中的变量i。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图3 所示：

后面的第三道指令和第五道指令雷同于第一道指令，且第四道指令和第六道指令雷同于第二道指令。为了节省篇幅，我不在此一一赘述。提醒大家第 1 号变数（V1）其实就是原始码中的 变量j，且第 2 号变数（V2）其实就是源码中的 变量k。图4~7 分別是执行完第三~六道指令之后，记忆体的变化图

接着要执行第七道指令 ldloc.0 以及第八道指令 ldloc.1：分別将 V0（也就是 i）和 V1（也就是 j）的值放到 Evaluation Stack，这是相加前的准备动作。图8与图9 分別是执行完第七、第八道指令之后，记忆体的变化图：

接着要执行第九道指令 add。此指令的意思是：从 Evaluation Stack 取出兩个值（也就是 变量i 和 变量j），相加之后将结果放回 Evaluation Stack 中。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图10 所示

接着要执行第十道指令 ldloc.2。此指令的意思是：分別将 V2（也就是 变量k）的值放到 Evaluation Stack，这是相加前的准备动作。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图11 所示

接着要执行第十一道指令 add。从 Evaluation Stack 取出兩个值，相加之后将结果放回 Evaluation Stack 中，此为 i+j+k 的值。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图12 所示：

接着要执行第十二道指令 stloc.3。从 Evaluation Stack 取出一个值，放到第 3 号变数（V3）中。这里的第3号变数其实就是原始码中的 变量answer。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图13 所示：

接着要执行第十三道指令 ldstr "i+j+k="。此指令的意思是：将 "i+j+k=" 的 Reference 放进 Evaluation Stack。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图14 所示：

接着要执行第十四道指令 ldloc.3。将 V3 的值放进 Evaluation Stack。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图15 所示：

接着要执行第十五道指令 box [mscorlib]System.Int32，从此处可以看出：值类型与字符串进行+操作的时候（Console.WriteLine("i+j+k="+answer）)，由于调用的是内部的String.Concat方法，而这个方法是传递（object，object）这2个参数，所以会进行装箱操作（box），因此会有性能上的损失，可以在以后的代码编写中避免不必要的装箱操作。此指令的意思是：从 Evaluation Stack 中取出一个值，将此 Value Type 包裝（box）成为 Reference Type。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图16 所示：

接着要执行第十六道指令 call string [mscorlib] System.String::Concat(object, object)。此指令的意思是：从 Evaluation Stack 中取出兩个值，此二值皆为 Reference Type，下面的值当作第一个参数，上面的值当作第二个参数，调用 mscorlib.dll 所提供的 System.String.Concat() method 來将此二参数进行字串接合（String Concatenation），将接合出來的新字串放在 Managed Heap，将其 Reference 放进 Evaluation Stack。值得注意的是：由于 System.String.Concat() 是 static method，所以此处使用的指令是 call，而非 callvirt（调用虚拟）。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图17 所示

请注意：此时 Managed Heap 中的 Int32(6) 以及 String("i+j+k=") 已经不再被參考到，所以变成垃圾，等待 GC 的回收。

　　接着要执行第十七道指令 call void [mscorlib] System.Console::WriteLine(string)。此指令的意思是：从 Evaluation Stack 中取出一个值，此值为 Reference Type，将此值当作参数，调用 mscorlib.dll 所提供的 System.Console.WriteLine() method 來将此字串显示在 Console 視窗上。System.Console.WriteLine() 也是 static method。执行完此道指令之后，记忆体的变化如图18 所示：

接着要执行第十八道指令 ret。此指令的意思是：结束此次调用（也就是 Main 的调用）。此时会檢查 Evaluation Stack 內剩下的資料，由于 Main() 宣告不需要传出值（void），所以 Evaluation Stack 內必須是空的，本范例符合这样的情況，所以此时可以顺利结束此次调用。而 Main 的调用一结束，程式也随之结束。执行完此道指令之后（且在程式结束前），记忆体的变化如图19 所示：

内容引用自MSDN(http://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/dd229210.aspx)