簡單介紹托管執行和 CLI


處理器不能直接解釋程序集。程序集用的是另一種語言,即公共中間語言(Common Intermediate Language,CIL),或稱為中間語言(IL)[1]

C# 編譯器將 C# 源代碼文件轉換成中間語言。為了將 CIL 代碼轉換成處理器能理解的機器碼,還要完成一個額外的步驟(通常在運行時進行)。該步驟涉及 C# 程序執行的一個重要元素:VES(Virtual Execution System,虛擬執行系統)。VES 也稱為運行時(runtime)。

它根據需要編譯 CIL 代碼,這個過程稱為即時編譯或 JIT 編譯(just-in-time compilation)。如代碼在像“運行時”這樣的一個“代理” 的上下文中執行,就稱為托管代碼(managed code),在“運行時”的控制下執行的過程則稱為托管執行(managed execution)。

之所以 稱為“托管”,是因為“運行時”管理着諸如內存分配、安全性和 JIT 編譯等方面,從而控制了主要的程序行為。執行時不需要“運行時”的代碼稱為本機代碼(native code)或非托管代碼(unmanaged code)。

說明:“運行時”既可能指“程序執行的時候”,也可能指“虛擬執行系統”。為明確起見,用“執行時”表示“程序執行的時候”,用“運行時”表示負責管理 C# 程序執行的代理。[2]

“運行時”規范包含在一個包容面更廣的規范中,即 CLI(Common Language Infrastructure,公共語言基礎結構)規范。作為國際標准,CLI 包含了以下幾方面的規范:

  • VES 或“運行時”。

  • CIL。

  • 支持語言互操作性的類型系統,稱為 CTS(Common Type System,公共類型系統)。

  • 如何編寫通過 CLI 兼容語言訪問的庫的指導原則,這部分內容具體放在公共語言規范(Common Language Specification,CLS)中。

  • 使各種服務能被 CLI 識別的元數據(包括程序集的布局或文件格式規范)。

  • 在“運行時”執行引擎的上下文中運行,程序員不需要直接寫代碼就能使用幾種服務和功能,包括:

    • 語言互操作性:不同源語言間的互操作性。語言編譯器將每種源語言轉換成相同中間語言(CIL)來實現這種互操作性。
    • 類型安全:檢查類型間轉換,確保兼容的類型才能相互轉換。這有助於防范緩沖區溢出(這是產生安全隱患的主要原因)。
    • 代碼訪問安全性:程序集開發者的代碼有權在計算機上執行的證明。
    • 垃圾回收:一種內存管理機制,自動釋放“運行時”為數據分配的空間。
    • 平台可移植性:同一程序集可在多種操作系統上運行。要實現這一點,一個顯而易見的限制就是不能使用平台特有的庫。所以平台依賴問題需單獨解決。
    • BCL(基類庫):提供開發者能(在所有 .NET 框架中)依賴的大型代碼庫,使其不必親自寫這些代碼。

注意: 本篇只是簡單介紹了 CLI,目的是讓讀者熟悉 C# 程序的執行環境。此外,本篇還提及了本系列博文后面才會用到的一些術語。在時機合適的時候,我會專門總結 CLI 及其與 C# 的關系。

CIL 和 ILDASM

前面說過,C# 編譯器將 C# 代碼轉換成 CIL 代碼而不是機器碼。處理器只理解機器碼,所以 CIL 代碼必須先轉換成機器碼才能由處理器執行。可用 CIL 反匯編程序將程序集解構為 CIL。通常使用 Microsoft 特有的文件名 ILDASM 來稱呼這種 CIL 反匯編程序(ILDASM 是 IL Disassembler 的簡稱),它能對程序集執行反匯編,提取 C# 編譯器生成的CIL。

反匯編 .NET 程序集的結果比機器碼更易理解。許多開發人員害怕即使別人沒有拿到源代碼,程序也容易被反匯編並曝光其算法。其實無論是否基於 CLI,任何程序防止反編譯唯一安全的方法就是禁止訪問編譯好的程序(例如只在網站上存放程序,不把它分發到用戶機器)。

但假如目的只是減小別人獲得源代碼的可能性,可考慮使用一些混淆器(obfuscator)產品。這種產品會打開 IL 代碼,轉換成一種功能不變但更難理解的形式。這可以防止普通開發者訪問代碼,使程序集難以被反編譯成容易理解的代碼。除非程序需要對算法進行高級安全防護,否則混淆器足矣。

查看 myApp.dll 的 CIL 輸出

myApp.dll 程序請參考這篇文章:https://www.vinanysoft.com/c-sharp-basics/introducing/start-with-hello-world/

安裝了 Visual Studio 之后 ILDASM 會默認被安裝,位置是:C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs\Windows\v10.0A(隨便一個目錄)\bin\NETFX 4.8 Tools(隨便一個目錄)\x64

雙擊運行 ildasm.exe,把 myApp.dll 拖進去,如下圖:

雙擊即可查看到 IL 代碼,下面是 MANIFEST 的 IL 代碼

// Metadata version: v4.0.30319
.assembly extern System.Runtime
{
  .publickeytoken = (B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )                         // .?_....:
  .ver 4:2:1:0
}
.assembly extern System.Console
{
  .publickeytoken = (B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )                         // .?_....:
  .ver 4:1:1:0
}
.assembly myApp
{
  .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.CompilationRelaxationsAttribute::.ctor(int32) = ( 01 00 08 00 00 00 00 00 ) 
  .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.CompilerServices.RuntimeCompatibilityAttribute::.ctor() = ( 01 00 01 00 54 02 16 57 72 61 70 4E 6F 6E 45 78   // ....T..WrapNonEx
                                                                                                                   63 65 70 74 69 6F 6E 54 68 72 6F 77 73 01 )       // ceptionThrows.

  // --- 下列自定義特性會自動添加,不要取消注釋 -------
  //  .custom instance void [System.Runtime]System.Diagnostics.DebuggableAttribute::.ctor(valuetype [System.Runtime]System.Diagnostics.DebuggableAttribute/DebuggingModes) = ( 01 00 07 01 00 00 00 00 ) 

  .custom instance void [System.Runtime]System.Runtime.Versioning.TargetFrameworkAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 18 2E 4E 45 54 43 6F 72 65 41 70 70 2C 56   // ....NETCoreApp,V
                                                                                                              65 72 73 69 6F 6E 3D 76 33 2E 30 01 00 54 0E 14   // ersion=v3.0..T..
                                                                                                              46 72 61 6D 65 77 6F 72 6B 44 69 73 70 6C 61 79   // FrameworkDisplay
                                                                                                              4E 61 6D 65 00 )                                  // Name.
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyCompanyAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 6D 79 41 70 70 00 00 )                   // ...myApp..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyConfigurationAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 44 65 62 75 67 00 00 )                   // ...Debug..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyFileVersionAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 07 31 2E 30 2E 30 2E 30 00 00 )             // ...1.0.0.0..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyInformationalVersionAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 31 2E 30 2E 30 00 00 )                   // ...1.0.0..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyProductAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 6D 79 41 70 70 00 00 )                   // ...myApp..
  .custom instance void [System.Runtime]System.Reflection.AssemblyTitleAttribute::.ctor(string) = ( 01 00 05 6D 79 41 70 70 00 00 )                   // ...myApp..
  .hash algorithm 0x00008004
  .ver 1:0:0:0
}
.module myApp.dll
// MVID: {29FC93A2-9A52-445C-A581-09AA5BCC11C7}
.imagebase 0x00400000
.file alignment 0x00000200
.stackreserve 0x00100000
.subsystem 0x0003       // WINDOWS_CUI
.corflags 0x00000001    //  ILONLY
// Image base: 0x000002015D090000

.class private auto ansi beforefieldint

.class private auto ansi beforefieldinit myApp.Program
       extends [System.Runtime]System.Object
{
} // end of class myApp.Program

.ctor:void()

.method public hidebysig specialname rtspecialname 
        instance void  .ctor() cil managed
{
  // 代碼大小       8 (0x8)
  .maxstack  8
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  call       instance void [System.Runtime]System.Object::.ctor()
  IL_0006:  nop
  IL_0007:  ret
} // end of method Program::.ctor

Main:void(string[])

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // 代碼大小       42 (0x2a)
  .maxstack  2
  .locals init (valuetype [System.Runtime]System.DateTime V_0)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldstr      "Hello World!"
  IL_0006:  call       void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)
  IL_000b:  nop
  IL_000c:  ldstr      "The current time is "
  IL_0011:  call       valuetype [System.Runtime]System.DateTime [System.Runtime]System.DateTime::get_Now()
  IL_0016:  stloc.0
  IL_0017:  ldloca.s   V_0
  IL_0019:  call       instance string [System.Runtime]System.DateTime::ToString()
  IL_001e:  call       string [System.Runtime]System.String::Concat(string,
                                                                    string)
  IL_0023:  call       void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)
  IL_0028:  nop
  IL_0029:  ret
} // end of method Program::Main

最開頭是清單(manifest)信息。其中不僅包括被反編譯的模塊的全名(myApp),還包括它依賴的所有模塊和程序集及其版本信息。

基於這樣的一個 CIL 代碼清單,最有趣的可能就是能相對比較容易地理解程序所做的事情,這比閱讀並理解機器碼(匯編程序)容易多了。

上述代碼出現了對 System.Console.WriteLine() 的顯式引用。 CIL 代碼清單包含許多外圍信息,但如果開發者想要理解 C# 模塊(或任何基於 CLI 的程序)的內部工作原理,但又拿不到源代碼,只要作者沒有使用混淆器,理解這樣的 CIL 代碼清單還是比較容易的。

事實上,一些免費工具(比如 Red Gate Reflector,ILSpy,JustDecompile,dotPeek 和 CodeReflect)都能將 CIL 自動反編譯成 C#。

使用 ILSpy 查看 myApp.dll 反編譯后的代碼

ILSpy 的地址:https://github.com/icsharpcode/ILSpy

雙擊運行 ILSpy.exe,把 myApp.dll 拖進去,如下圖:

注意: 反匯編(disassemble)和反編譯(decompile)的區別。反匯編得到的是匯編代碼,反編譯得到的是所用語言的源代碼。

原文鏈接:https://www.vinanysoft.com/c-sharp-basics/introducing/managed-execution-and-the-common-language-infrastructure/


  1. CIL 的第三種說法是 Microsoft IL(MSIL)。 本博客使用 CIL 一詞,因其是 CLI 標准所采納的。C# 程序員交流時經常使用 IL 一詞,因為他們都假定 IL 是指 CIL 而不是其他中間語言。 ↩︎

  2. “運行時”(runtime) 作為名詞使用時一律添加引號。 ↩︎


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