MSIL学习------从HelloWorld开始

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1.有没有必要学习IL

  前段时间突然想搞搞IL语言,于是在博客园中找到了包建强前辈关于IL的文章学习,并且在包前辈博客里看到了09年他与赵劼前辈关于是否有必要学习IL语言的争论,作为一个刚入此行业的新人,没有站在那个高度不敢去评论什么,并且我的引路教员在知道我学IL时就跟我说学习IL还不如学习汇编,IL语言就是一堆指令,谁背的多谁就越精通,我那个教员说的也不错,IL语言就是一堆指令,或许就是站的角度不同,我教员他不止局限于.NET,对C++和汇编都有一定研究,但是现在我还是只局限于.NET体系,学好.NET我感觉对于CIL和CLR一定得有一定的了解。所以我个人的观点是在.NET平台干活的人还是有必要学习学习IL的。现在IL我只是局限于刚学习阶段,所以想写下博客来记录我的学习记录

2.反编译解析HelloWorld

  学习IL,首先需要知道其各种指定的含义,所以需要先创建c#语言进行反编译来解析,在这里只需创建一个.CS类并使用命令进行编译与反编译即可,没必要启动宇宙第一IDE(VS)

using System;
namespace HelloWorld
{
    class HelloWorld
    {
        public static void Main(String[] args)
        {
            System.Console.WriteLine("HelloWorld");
        }
    }
}

  然后需要将.CS文件编译成.EXE文件,在这里需要什么VS的开发者工具(当然应该还有其它方式),

  使用SCS语句进行编译

csc HelloWorld.cs

  接下来使用ILDASM命令进行反编译为IL文件

ildasm HelloWorld.exe /output=HelloWorld.il

  然后就会生成一个.IL文件,这个文件进行HelloWorld.exe反编译后的代码

.assembly extern mscorlib
{
  .publickeytoken = (B7 7A 5C 56 19 34 E0 89 )                
  .ver 4:0:0:0
}
.assembly HelloWorld
{
  .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.CompilationRelaxationsAttribute::.ctor(int32) = ( 01 00 08 00 00 00 00 00 ) 
  .custom instance void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.RuntimeCompatibilityAttribute::.ctor() = ( 01 00 01 00 54 02 16 57 72 61 70 4E 6F 6E 45 78  
                                                                                                             63 65 70 74 69 6F 6E 54 68 72 6F 77 73 01 )      
  .hash algorithm 0x00008004
  .ver 0:0:0:0
}
.module HelloWorld.exe
.imagebase 0x00400000
.file alignment 0x00000200
.stackreserve 0x00100000
.subsystem 0x0003       
.corflags 0x00000001    
.class private auto ansi beforefieldinit HelloWorld.HelloWorld
       extends [mscorlib]System.Object
{
  .method public hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
  {
    .entrypoint
    .maxstack  8
    IL_0000:  nop
    IL_0001:  ldstr      "HelloWorld"
    IL_0006:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
    IL_000b:  nop
    IL_000c:  ret
  } 
  .method public hidebysig specialname rtspecialname 
          instance void  .ctor() cil managed
  {
    .maxstack  8
    IL_0000:  ldarg.0
    IL_0001:  call       instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
    IL_0006:  nop
    IL_0007:  ret
  } 
}

   下面来简单学习下这个IL代码

  •  可以看到IL中有需要 .assembly .module .class 这样规则的代码,它们是定义信息的伪指令,IL语言不像C#声明类似class时先写修饰符之类,而是首先定义声明的伪指令,先来看看每个伪指令的含义
  1. .assembly extern  [assemblyRefName] {}  [可选]  定义一个AssemblyRef(程序集引用)的元数据项,标记了这个程序使用的外部托管应用程序,类似using语句  mscorlib.dll:.NET程序集类库的主程序集。
  2. .assembly  [assemblyName] {}    定义一个程序集的元数据项,如果一个不定义此项,这个文件就不完全是一个应用程序,无法独立指定
  3. .module [moduleName] 定义一个模块元数据项,标识了当前的模块.
  4. .class  定义一个TypeDef(类声明)的元数据项
  5. .method  定义一个MethodDef(方法声明)的元数据项
  • 代码中像assembly和module只需要定义好就行,主要需要关注的还是class和method,当然还有field。下面再来介绍下修饰与class和method中的关键字

1.class

  1. private  访问修饰符,没什么好说的,IL支持6种访问修饰符,C#7.2版本才加入第六种(private protected)
  2. auto  [可选]  定义类的布局风格,auto是自动布局(默认值),只加载程序时可以使用它认为合适的方式进行布局   其它布局风格有sequential(加载程序时保留实例字段的顺序)和explicit(显示指定类型布局)
  3. ansi  [可选]  定义类中字符串与其它非托管代码进行操作时的转换模式,  ansi指定了会与”标准“C风格的字节字符串进行转换(默认值),其它有unicode(与UTF-16字符进行转换)和autochar(有底层平台定义的默认字符串转换)
  4. beforefieldinit  [可选]  指静态成员在第一次访问之前被初始化
  5. extends   继承    也没什么好说的

     另外可以看到C#中写的命名空间在IL中直接变成了一个完整类名。这是IL2.0时引入的,

2.method

  1. public   访问修饰符
  2. hidebysig  用于隐藏父类的同名方法,类似于C#的new关键字
  3. specialname  提示编译器和工具这个函数时特殊的,  只存在与构造函数(.ctor)和静态构造函数(.cctor)中
  4. rtspecialname  告诉运行时这个函数时特殊的  只存在与构造函数(.ctor)和静态构造函数(.cctor)中
  5. static/instance  static 声明这个函数时静态函数     instance:声明这个函数时实例函数
  6. cil managed  声明这个函数时CIL代码

  了解了IL代码整体结构后接下来来看下方法,方法体中通常包含三项:指令,标注了指令的标号和伪指令(在方法体外只有伪指令),在方法中像.entrypoint.maxstack这类是伪指令,nop,ldstr这属于指定,而IL_0000属于指令标号,指令标号作用是跳转时使用,所以自己写代码时没必要每行都加,只有在需要时加入即可,另外标号不会对伪指令进行标注

  在上面C#代码中只定义了一个Main方法,但是在IL文件中却存在两个方法,其中一个方法就是定义的Main方法,而另一个则是C#编辑器加上的默认构造函数(.ctor),从这里可以看出C#的一个知识点(未添加构造函数C#会自动添加一个默认构造函数)

       构造函数在此不介绍,只说一下Main方法中的内容,

       .entrypoint和.maxstack是两个伪指令,它们的作用分别是.

      .entrypoint:将定义此伪指令的方法标识为应用程序入口方法,也就是说在IL中程序入口并不是方法名称为Main的,

      .maxstack:栈中存在的最大数量数据,比如Main方法maxstack=8则说明stack中最多容纳8个数据。(IL栈元素不是字节或字,而是槽,当谈论IL栈深度时,指的是放在栈中的项,而不考虑项的大小)

    nop  指令代表如果修补操作码,则填充空间,但时是并不执行任何有意义的操作

         ldstr  代表加载一个字符串到栈顶

    call   方法调用指令,还有另一个方法调用指令为callvirl,在IL中调用方法使用是“::” 而不是C#中的“.”,并且调用前要先声明其返回值类型和参数并不是C#的那种实参变量而是参数的类型,因为IL是一种严格基于栈的语言,方法时会按照参数列表去栈顶进行获取数据,调用完成后如果有返回值也会将返回值放入栈顶

    ret  从当前方法返回,并将返回值(如果存在)放入调用方的计算栈中

3.编写一个IL语言的HelloWorld

  通过上面的解析可以看出手写一个简单的IL语言的HelloWorld其实挺简单,只需要依葫芦画瓢就可以

.assembly extern mscorlib{ auto}
.assembly HelloWorld_IL{}
.module HelloWorld.HelloWorld_IL.exe 
.class private auto ansi HelloWorld.Program extends [mscorlib]System.Object
{
    .method public hidebysig rtspecialname specialname instance void .ctor()cil managed
    {
        ldarg.0
        call instance void [mscorlib]System.Object::.ctor()
        ret 
    }
    .method public hidebysig static void MyMain()cil managed
    {
        .entrypoint
        .maxstack 1
        ldstr "HelloWorld"
        call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
        ret 
    }
}

  在上面代码中程序集引用中使用的是auto,这是IL2.0版本加入,会自动搜索指定名称程序集

  然后在开发者工具使用命令进行编辑

ilasm HelloWorld_IL.il /output=HelloWorld_IL.exe

  然后指定就可以看出HelloWorld输出

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