[你必须知道的.NET]第二十四回：认识元数据和IL（上）
发布日期：2009.02.24 作者：Anytao
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 说在，开篇之前 |
| 很早就有说说Metadata（元数据）和IL（中间语言）的想法了，一直在这篇开始才算脚踏实地的对这两个阶级兄弟投去些细关怀，虽然来得没有《第一回：恩怨情仇：is和as》那么迅速，但是Metadata和IL却是绝对重量级的内容，值得我们在任何时间关注，本文就是开始。 www.anytao.com |
你可曾想到，我们的C#代码，编译之后究竟为何物？你可曾认知，我们的可执行程序，运行之时的轨迹究竟为哪般？那么，本文通过对Metadata（元数据）和IL（Intermediate Language, 中间语言）的认识开始，来逐步给出答案。在这个探索轨迹上，元数据、IL、程序集、程序域、JIT、虚分派、方法表和托管堆这些形形色色的神秘嘉宾将在某个时刻不期而遇，作为你必须知道的.NET 系列2.0版本的一部分，本文首先从认识元数据和IL这两位重量级选手开始，而其他的嘉宾也将很快登场。
2 初次接触
在事实上，编译之后的cs代码被组织为两种基本的元素：元数据（Metadata）和IL。我们可以以最简单的方式来了解程序集（*.dll）或可执行文件（*.exe）中包含的Metadata和IL的秘密，这种方式就是我们常说的反编译，打开ILDasm并加载实现准备的程序集，我们可以看到托管PE文件的相关内容：
详细的结构信息和IL代码分析，可以参见[你必须知道的.NET]第3章 “一切从IL开始”的介绍，在此就不做太多的分析。另外，我们可以通过执行“View/MetaInfo/Show!”或者Ctrl+M快捷键来获取该程序集所使用的MetaData信息列表：
其中该程序集使用的元数据主要有：Module、TypeRef、TypeDef、Method、Param、MemberRef、CostomAttribute、Assembly、AssemblyRef等，同时还包括#Strings、#GUID、#Blob、#US堆等。
当然，关于ILDasm工具，还有很多好玩的使用方式来满足我们探索IL代码的好奇心，例如：
ildasm Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe /output:my.il，将反编译结果导出为il代码格式，生成一个my.il包含了所有的IL代码和一个my.res包含了所有的资源文件。
当然我们还是推荐以GUI形式来查看IL细节，组织结构良好的Class View：
下面首先给出参与编译的相关代码文件，然后再展开我们对Metadata和IL的讨论：
// 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());
}
}
接着，我们对上述程序的编译执行过程进行一点探索，以命令行编译器来演化其大致的编译过程，以此进一步了解托管模块，程序集和可执行文件之间的关系：
-
打开Visual Studio 2008 Command Prompt，并定位到cs代码所在文件夹，编译One.cs为托管模块，执行命令：
csc /t:module One.cs
执行之后，将生成名为One.netmodule文件；
-
继续执行，将多个模块打包为程序集
csc /t:library /addmodule:One.netmodule Two.cs
执行之后，将生成名为Two.dll文件；
-
最后，编译Main函数和Two.dll为可执行文件
csc /out:Anytao.Insidenet.MetatdataIL.exe /t:exe /r:Two.dll /r:mscorlib.dll Program.cs
最终将得到本文开始时所加载的用于反编译的程序集文件Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe，在该执行命令中对几个指示符开关做点说明：
- /out:Anytao.Insidenet.MetadataIL.exe，表示输出的可执行文件，及其名称
- /t:exe，表示输出的文件类型为CUI（控制台界面程序）程序；而/t:winexe，表示输出为GUI（图形界面程序）程序
- /r:Two.dll，表示引用刚刚生产的Two.dll程序集
- /r:mscorlib.dll，表示因为外部程序集mscorlib.dll，因为我们的程序中使用了Console静态方法，而该方法则被定义在mscorlib.dll中。mscorlib.dll是如此的重要，我们将在本文之后的某些时候再次与mscorlib.dll握手，那时在对其进行一个详细的分析，敬请期待。
在cmd中的执行过程可以参考：
通过分步执行的方式我们对csc编译器的执行过程有个基本的了解，也同时从侧面认识了每次在Visual Studio中执行“Build“或者“ReBuild”的缩影。综上分析，我们可以简单的看到：
Note：在Visual Studio中，编译是分模块进行的，编译结果保存在obj目录中，最后再合并为可执行文件于bin目录，同时默认情况下，编译过程是增量式的，仅编译发生修改的模块，我将在后文给出较为详细的过程。
同时，我们还可以收获以下几个基本的结论：
-
cs代码编译之后将生成元数据和IL，并组成托管模块（Module）的基本单元。
-
多个托管模块组成程序集，其实还包括一定的资源文件，只是没有在此体现。
-
程序集或者可执行文件是逻辑组织的基本单元，符合基本的Windows PE文件格式，可以被x86或者x64Windows直接加载执行。
3 继续深入
一个或者多个模块，再加上资源文件就形成了程序集（Assembly），作为逻辑组织的基本单元，
事实上，此图仅仅从粗粒度对程序集的基本组成有个大致的了解，实际上程序集中包含了复杂的结构和要素，例如PE Signature、Managed Resources、Strong Name Signature Hash，而其中最核心的要素则体现在上图。
- 程序集清单（MANIFEST）包含了程序集的自描述信息，主要包含AssemblyDef、FileDef、ManifestResourceDef和ExportedTypeDef，在反编译选项中MANIFEST包含了详细的内容。在《你必须知道的.NET》3.1节 “从Hello，world开始认识IL”对其有过详细的描述，此不赘述。
- PE文件头，标准Windows PE头文件（PE32或PE32+），PE文件的基本信息，例如文件类型，创建时间，本地CPU信息等。
- CLR头，包含CLR版本、模块元数据、资源等信息。
- 资源文件。
执行View/Statisctics菜单，可以打开相关的统计信息：
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
我们将在后篇《深入程序集和模块》中对PE头，CLR头和资源文件进行详细论述。
- IL代码被组织为
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
包装在类似于汇编模样的外衣下，我看依稀可见class, System.Object, method, public, string这些面向对象高级语言中的熟悉面孔，不同的只是多了很多benforefieldinit（参考：[你必须知道的.NET]第二十三回：品味细节，深入.NET的类型构造器）, ret, maxstack, ldstr, stloc这些陌生的指令。然而IL并非一个怪胎，而正是基于其本身面向对象的汇编式风格，才造就了IL代码成为名副其实的“中间语言”的重任。通过IL代码，CLR就可在编译时由JIT编译转换为Native Code，我们将在下节继续分析这个过程的来龙去脉。
| 欲知后事如何，且听下文继续:-) |
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2009/02/24 | http://anytao.cnblogs.com/ |http://www.cnblogs.com/anytao/archive/2009/02/24/must_net_24.html
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参考文献
