文/玄魂
1.3.2 元數據
元數據是描述數據的數據。在CLR的上下文中，元數據表示由描述符組成的一套體系，這些操作符包括了在一個模塊中被聲明或引用的所有項。由於CLR模型是面向對象的，因此在元數據中描述的項是類和它們的成員，以及它們伴隨着的特性、屬性和關聯。本節簡單地介紹元數據，與原數據安全相關的內容會在后續章節中繼續講解，元數據的詳細內容不在本書的論述范圍之內。
元數據實際上是一塊二進制數據，包含了三種表：定義表、引用表和清單表。
元數據定義表主要是模塊定義、類型定義、方法定義、字段定義、事件定義、參數定義、屬性定義等一系列定義表的集合。當編譯器編譯代碼時，所有定義的內容都會生成對應的定義表。
元數據引用表用於記錄編譯器中源代碼引用的類型、方法、字段、事件。常用的引用表如：AssemblyRef（程序集引用表）、ModuleRef（模塊引用表）、TypeRef（類型引用表）等。
元數據清單表包含了組成程序集所需要的所有信息，同時包含了對其他程序集的引用信息。它明確地指出了哪些條目可以對外開放，哪些條目只可以在程序集內部進行訪問。
下面通過經典的HelloWorld程序簡要分析其中的元數據信息，如代碼清單1-7所示。
代碼清單1-7 HelloWorld程序代碼
using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; namespace HelloWorld { class Program { static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("Hello World!"); Console.Read(); } } }
下面使用反匯編工具ILDasm打開HelloWorld.exe，雙擊MANIFEST，圖1-7為查看清單信息的截圖。ILDasm的使用方法和參數說明請讀者參考MSDN文檔。
圖1-7 查看程序清單信息
詳細的清單信息如代碼清單1-8所示。
代碼清單1-8 HelloWorld.EXE的清單信息
// Metadata version: v4.0.21006 .assembly extern mscorlib { .publickeytoken = (B7 7A 5C 56 19 34 E0 89 ) // .z\V.4.. .ver 4:0:0:0 } .assembly HelloWorld { ...... } .hash algorithm 0x00008004 .ver 1:0:0:0 .module HelloWorld.exe // MVID: {B8EB35DD-5AD2-402C-B422-AA63B0AACCFA} .imagebase 0x00400000 .file alignment 0x00000200 .stackreserve 0x00100000 .subsystem 0x0003 // WINDOWS_CUI .corflags 0x00000003 // ILONLY 32BITREQUIRED // Image base: 0x05C40000
程序比較簡單，代碼中包含了版本、外部引用等簡單的信息。表1-2描述了示例中所使用的 HelloWord.exe 程序集的程序集清單中的各項指令。
表1-2 HelloWorld.exe指令說明
| 指令 |
說明 |
| .assembly extern < assembly name > |
指定包含當前模塊所引用項目的另一程序集（在此示例中為 mscorlib） |
| .publickeytoken < token > |
指定所引用程序集的實際密鑰的標記 |
| .ver < version number > |
指定引用程序集的版本號 |
| .assembly < assembly name > |
指定程序集名稱 |
| .hash algorithm < int32 value > |
指定使用的哈希算法 |
| .module < file name > |
指定組成程序集的模塊名稱，在此示例中，程序集只包含一個文件 |
| .subsystem < value > |
指定程序要求的應用程序環境。在此示例中，值 3 表示該可執行文件從控制台運行 |
| .corflags |
當前是元數據中的一個保留字段 |
根據程序集的內容，程序集清單可包含許多不同的指令。有關程序集清單中指令的完整列表請讀者參考相關文檔，本例旨在拋磚引玉。若要查看完整的元數據信息，可以使用快捷鍵“Ctlr+M”，如圖1-8所示。
圖1-8 查看元數據信息
1.3.3 IL常用指令
為方便起見，還是以HelloWorld.exe為例講解IL的相關內容。由於篇幅所限，關於IL的詳細內容還請各位讀者參考相關資料。圖1-9為Main方法的IL代碼。
圖1-9 HelloWorld.exe Main方法的IL代碼
在一個中間語言程序中，如果某一行以“.”開始，代表這是一個傳輸給匯編工具的指令；而沒有以“.”開始的行是中間語言的代碼。上圖中.method是方法定義指令，定義了Main方法，參數在“（）”中，IL代碼在“{}”中。.entrypoint是入口指令，表明該方法是入口方法。.maxstack指定了最大棧的深度為8。下面的IL_n是代碼標簽，后面是IL代碼。nop是空指令；ldstr指令向棧中壓入字符串“Hello World!”;call指令調用靜態方法Console.WriteLine(string)和Console.read()；pop彈出棧頂的值；ret指令表示方法體的結束。IL支持“//”和“/* */”的注釋方法。
提示 在中間語言中，如果需要調用一個方法，需要指定方法的全名，包括它的名稱域（namespace）、類名、返回值類型和參數的數據類型。
表1-3列舉了IL的其他一些常用指令，更多的指令可以查看IL指令表。
表1-3 IL常用指令
| 指令 |
描述 |
| .assembly <程序集名稱> {} |
設置程序集 |
| ldc.i4.n |
把一個 32位的常量（n從0到8）裝入堆棧 |
| stloc.n |
把一個從堆棧中返回的值存入第n（n取0~8）個局部變量 |
| add |
2個值相加。命令的參數必須在調用前裝入堆棧，該函數從堆棧中移除參數並把運算后的結果壓入堆棧 |
| sub |
2個值相減 |
| mul |
2個值相乘 |
| newarr type |
生成一個元素類型為type 的數組。數組的大小必須在調用該命令前裝入堆棧。該命令會把一個數組的引用裝入堆棧 |
| stelem.i4 |
給一個數組成員賦值。數組的引用、下標和值必須在調用該命令前裝入堆棧 |
| ldelema type |
把數組元素的地址裝入堆棧。數組的引用和下標必須在調用該命令前裝入堆棧。地址用來調用非靜態函數 |
| ldlen |
把數組的長度裝入堆棧。數組的引用必須在調用該命令前裝入堆棧 |
| ldloca.s variable |
把變量的地址裝入堆棧 |
| ldc.i4.s value |
把一個Int32的常量裝入堆棧（用於大於8位的數） |
| conv.i4 |
把堆棧中值轉換成Int32類型 |
| call instance function(arguments) |
調用類的非靜態函數 |
| bge.s label |
跳轉至label 如果value1≥value 2. Values 1和 2 必須在調用本命令前裝入堆棧 |
| br.s label |
跳轉至label |
| box value type |
把一個值類型轉成一個Object，並把該Object的引用裝入堆棧 |
| blt.s label |
跳轉至label 。如果value 1小於 value 2. Values 1 和 2 必須在調用本命令之前裝入堆棧 |
| ldelem.i4 |
把一個數組元素裝入堆棧。數組引用和下標必須在調用本命令之前裝入堆棧 |
| ldarga.s argument |
把函數參數的地址裝入堆棧 |
| dup |
在堆棧上復制一個值 |
| stind.i4 |
存儲值的地址。地址和值必須在調用本命令之前裝入堆棧 |
| .field |
定義類成員。和關鍵字public、private、static等一起使用 |
| stsfld static field |
用堆棧中的值替換靜態字段的值 |
| ldfld field |
把一個非靜態字段裝入堆棧。類實例的地址必須在調用本命令之前裝入堆棧 |
| ldarg.n |
把第n個參數裝入堆棧。在非靜態函數中，第0個參數是一個隱含的參數，代表this |
| newobj constructor |
用構造函數constructor生成一個類的實例。構造函數的參數必須在調用本函數之前先裝入堆棧。一個類的實例會被生成並裝入堆棧 |
| callvirt instance function |
調用一個對象的后期綁定方法 |
1.3.4 IL與代碼驗證
在將MSIL編譯為本機代碼的過程中，MSIL代碼必須通過驗證過程，除非管理員已經建立了允許代碼跳過驗證的安全策略。驗證過程檢查MSIL和元數據以確定代碼是否是類型安全的，這意味着它僅訪問已被授權訪問的內存位置。類型安全幫助將對象彼此隔離，因而可以保護它們免遭無意或惡意的破壞。它還提供了對代碼可以可靠地強制安全限制的保證。
運行庫使用下列條件來驗證代碼是否為類型安全：
q 對類型的引用與被引用的類型嚴格兼容。
q 在對象上只調用正確定義的操作。
q 標識與聲稱的要求一致。
驗證過程中檢查 MSIL 代碼，嘗試確認該代碼只能通過正確定義的類型訪問內存位置和調用方法。例如，代碼不允許以超出內存范圍的方式來訪問對象。另外，驗證過程檢查代碼以確定 MSIL 是否已正確生成，這是因為不正確的 MSIL 會導致違反類型安全規則。驗證過程通過正確定義的類型安全代碼集，並且它只通過類型安全的代碼。然而，由於驗證過程存在一些限制，某些類型安全代碼可能無法通過驗證，而某些語言在設計上並不產生可驗證的類型安全代碼。如果安全策略要求提供類型安全代碼，而該代碼不能通過驗證，則在運行該代碼時將引發異常。
-------------------------注：本文摘抄自《.NET 安全揭秘》1.3節