Общий промежуточный язык

Common Intermediate Language ( CIL ), ранее называвшийся Microsoft Intermediate Language ( MSIL ) или Intermediate Language ( IL ), ^[1] — это набор двоичных команд промежуточного языка , определенный в спецификации Common Language Infrastructure (CLI). ^[2]Инструкции CIL выполняются CIL-совместимой средой выполнения, такой как Common Language Runtime . Языки, ориентированные на CLI, компилируются в CIL. CIL — это объектно-ориентированный байт на основе стека -код . Среды выполнения обычно по принципу «точно в срок» компилируют CIL-инструкции в собственный код .

Первоначально CIL был известен как Microsoft Intermediate Language (MSIL) во время бета-выпусков языков .NET. Благодаря стандартизации C# и CLI байт-код теперь официально известен как CIL. ^[3] В определениях вирусов Защитника Windows двоичные файлы, скомпилированные с его помощью, продолжают называться MSIL. ^[4]

Общая информация [ править ]

Во время компиляции языков программирования CLI исходный код преобразуется в код CIL, а не в объектный код, специфичный для платформы или процессора . CIL — это независимый от процессора и платформы набор инструкций, который может выполняться в любой среде, поддерживающей Common Language Infrastructure, например, в среде выполнения .NET в Windows или в кроссплатформенной среде выполнения Mono . Теоретически это избавляет от необходимости распространять разные исполняемые файлы для разных платформ и типов процессоров. Код CIL проверяется на безопасность во время выполнения, обеспечивая лучшую безопасность и надежность, чем исполняемые файлы, скомпилированные в собственном коде. ^[5]^[6]

Процесс выполнения выглядит следующим образом:

Исходный код преобразуется в байт-код CIL и сборка CLI . создается
При выполнении сборки CIL ее код передается через JIT-компилятор среды выполнения для создания собственного кода. Также можно использовать предварительную компиляцию, которая исключает этот шаг, но за счет переносимости исполняемого файла.
Процессор компьютера выполняет собственный код.

Инструкция [ править ]

Байт-код CIL содержит инструкции для следующих групп задач:

Загрузите и сохраните
Арифметика
Преобразование типов
Создание и манипулирование объектами
Управление стеком операндов (push/pop)
Передача управления (ветвление)
Вызов метода и возврат
Выброс исключений
Параллелизм на основе монитора
Манипулирование указателями данных и функций, необходимое для C++/CLI и небезопасного кода C#.

Вычислительная модель [ править ]

Common Intermediate Language является объектно-ориентированным и основанным на стеке , что означает, что параметры и результаты инструкций хранятся в одном стеке, а не в нескольких регистрах или других местах памяти, как в большинстве языков программирования .

Код, добавляющий два числа на языке ассемблера x86 , где eax и edx указывают два разных регистра общего назначения :

добавить   eax  ,   edx

Код на промежуточном языке (IL), где 0 — eax, а 1 — edx:

лдлок  .   0      // помещаем локальную переменную 0 в стек 
 ldloc  .   1      // помещаем локальную переменную 1 в стек 
 add          // извлекаем и добавляем два верхних элемента стека, затем помещаем результат в стек 
 stloc  .   0      // извлекаем и сохраняем верхний элемент стека в локальную переменную 0

В последнем примере значения двух регистров, eax и edx, сначала помещаются в стек. Когда вызывается инструкция добавления, операнды «извлекаются» или извлекаются, а результат «помещается» или сохраняется в стеке. Полученное значение затем извлекается из стека и сохраняется в eax.

Объектно-ориентированные концепции [ править ]

CIL спроектирован как объектно-ориентированный. Вы можете создавать объекты, вызывать методы и использовать другие типы членов, например поля.

Каждый метод должен (за некоторыми исключениями) находиться в классе. То же самое делает этот статический метод:

.   класс   общественный   Foo   { 
     .   метод   public   static   int32   Add  (  int32  ,   int32  )   cil   Managed   { 
         .   maxstack   2 
         ldarg  .   0   // загружаем первый аргумент; 
          лдарг  .   1   // загружаем второй аргумент; 
          добавить       // добавить их; 
          ret       // возвращаем результат; 
      } 
 }

Метод Add не требует объявления какого-либо экземпляра Foo, поскольку он объявлен как статический, и затем его можно использовать в C# следующим образом:

int   r   =   Фу  .   Добавить  (  2  ,   3  );       // 5

В CIL это будет выглядеть так:

ООО  .   я4  .   2 
 ЖК  .   я4  .   3 
 вызовите   int32   Foo  ::  Добавить  (  int32  ,   int32  ) 
 stloc  .   0

Классы экземпляров [ править ]

Класс экземпляра содержит по крайней мере один конструктор и несколько членов экземпляра . Следующий класс имеет набор методов, представляющих действия объекта Car.

.  класса    общественный   автомобиль   { 
     .   метод   public   Specialname   rtspecialname   экземпляр   void   .   ctor  (  int32  ,   int32  )   cil   Managed   { 
         /* Конструктор */ 
     } 

     .   метод   public   void   Move  (  int32  )   cil   Managed   {   /* Опуская реализацию */   } 
     .   метод   public   void   TurnRight  ()   cil   Managed   {   /* Опуская реализацию */   } 
     .   метод   public   void   TurnLeft  ()   cil   Managed   {   /* Опуская реализацию */   } 
     .   метод   public   void   Brake  ()   cil   Managed   {   /* Пропуск реализации */   } 
 }

Создание объектов [ править ]

В C# экземпляры классов создаются следующим образом:

Автомобиль   myCar   =   новый   автомобиль  (  1  ,   4  );  
  Автомобиль   yourCar   =   новый   автомобиль  (  1  ,   3  );

И эти утверждения примерно такие же, как и эти инструкции в CIL:

ООО  .   я4  .   1 
 ЖК  .   я4  .   4 
 newobj   экземпляра   void   Car  ::.   ctor  (  int  ,   int  ) 
 stloc  .   0      // myCar = новый автомобиль(1, 4); 
  ООО  .   я4  .   1 
 ЖК  .   я4  .   3 
 newobj   экземпляра   void   Car  ::.   ctor  (  int  ,   int  ) 
 stloc  .   1      // ваша машина = новая машина (1, 3);

Вызов методов экземпляра [ править ]

Методы экземпляра в C# вызываются следующим образом:

моя машина  .   Двигаться  (  3  );

Как вызывается в CIL:

лдлок  .   0      // Загрузите объект «myCar» в стек 
 ldc  .   я4  .   3 
 вызова   экземпляра   void   Car  ::  Move  (  int32  )

Метаданные [ править ]

Common Language Infrastructure (CLI) записывает информацию о скомпилированных классах в виде метаданных . Подобно библиотеке типов в объектной модели компонентов , это позволяет приложениям поддерживать и обнаруживать интерфейсы, классы, типы, методы и поля в сборке. Процесс чтения таких метаданных называется « отражением ».

Метаданные могут представлять собой данные в форме «атрибутов». Атрибуты можно настроить, расширив Attributeсорт. Это мощная функция. Это дает создателю класса возможность дополнить его дополнительной информацией, которую потребители класса могут использовать различными значимыми способами, в зависимости от предметной области приложения.

Пример [ править ]

Ниже приведен базовый текст «Hello, World!» программа , написанная на ассемблере CIL. Он отобразит строку «Привет, мир!».

.   сборка   Привет   {} 
 .   сборка   extern   mscorlib   {} 
 .   метод   static   void   Main  () 
 { 
     .   входная точка 
     .   maxstack   1 
     ldstr   "Привет, мир!" 
      вызовите   void   [  mscorlib  ]  System  .   Консоль  ::  WriteLine  (  строка  ) 
     ret 
 }

Следующий код более сложен по количеству кодов операций.

Этот код также можно сравнить с соответствующим кодом в статье про байт-код Java .

static   void   Main  (  string  []   args  ) 
 { 
     for   (  int   i   =   2  ;   i   <   1000  ;   i  ++  ) 
     { 
         for   (  int   j   =   2  ;   j   <   i  ;   j  ++  ) 
         { 
              if   (  i   %   j   ==   0  ) 
                  перейти во   внешний мир  ; 
          } 
         Консоль  .   WriteLine  (  я  ); 
          внешний  :; 
      } 
 }

В синтаксисе ассемблера CIL это выглядит так:

.   метод   Privateidebysig   недействительный   статический   Main   строка  (  ]  [   args  )   cil   управляемый 
 { 
     .   входная точка 
     .   Максстек    2 
     .   locals   init   (  int32   V_0  , 
                   int32   V_1  ) 

               ldc  .   i4  .2 
               стлок  .0 
               бр  .   s         IL_001f 
     IL_0004  :    ldc  .   i4  .2 
               стлок  .1 
               комн  .   s         IL_0011 
     IL_0008  :    ldloc  .0 
               ldloc  .1 
               rem 
               brfalse  .   s    IL_001b 
               ldloc  .1 
               ldc  .   i4  .1 
               добавить 
               stloc  .1 
     IL_0011  :    ldloc  .1 
               ldloc  .0 
               blt  .   s        IL_0008 
               ldloc  .0 
               call         void   [  mscorlib  ]  System  .   Консоль  ::  WriteLine  (  int32  ) 
     IL_001b  :    ldloc  .0 
               ldc  .   i4.1  
               добавить 
               stloc.0  
     IL_001f  :    ldloc.0  
               ldc  .   i4       0x3e8 
               блт  .   с        IL_0004 
               в отставку 
 }

Это всего лишь представление того, как CIL выглядит на уровне виртуальной машины (VM). При компиляции методы сохраняются в таблицах, а инструкции сохраняются в виде байтов внутри сборки, которая представляет собой переносимый исполняемый файл (PE).

Поколение [ править ]

Сборка CIL и инструкции генерируются либо компилятором, либо утилитой, называемой IL Assembler ( ILAsm ), которая поставляется со средой выполнения.

Собранный CIL также можно снова дизассемблировать в код с помощью дизассемблера IL (ILDASM). Существуют и другие инструменты, такие как .NET Reflector , которые могут декомпилировать CIL в язык высокого уровня (например, C# или Visual Basic ). Это делает CIL очень легкой целью для обратного проектирования. Эта черта является общей для байт-кода Java . Однако существуют инструменты, которые могут запутать код и сделать это так, что код не может быть легко читаемым, но при этом остается работоспособным.

Исполнение [ править ]

Сборка точно в срок [ править ]

Компиляция «точно в срок» (JIT) включает в себя преобразование байт-кода в код, который немедленно исполняется процессором. Преобразование выполняется постепенно во время выполнения программы. JIT-компиляция обеспечивает оптимизацию для конкретной среды, безопасность типов во время выполнения и проверку сборки. Для этого JIT-компилятор проверяет метаданные сборки на предмет несанкционированного доступа и соответствующим образом обрабатывает нарушения.

Предварительная компиляция [ править ]

Среды выполнения, совместимые с CLI, также имеют возможность выполнять предварительную компиляцию (AOT) сборки, чтобы ускорить ее выполнение за счет удаления процесса JIT во время выполнения.

В .NET Framework есть специальный инструмент под названием Native Image Generator (NGEN), который выполняет AOT. Другой подход к AOT — CoreRT , который позволяет компилировать код .Net Core в один исполняемый файл без зависимости от среды выполнения. В Mono также есть возможность выполнить AOT.

Инструкции указателя — C++/CLI [ править ]

Заметным отличием от байт-кода Java является то, что CIL поставляется с ldind, stind, ldlocaи множество инструкций вызова, которых достаточно для манипулирования указателями данных/функций, необходимых для компиляции кода C/C++ в CIL.

класс   A   { 
    общественный  :   виртуальный   недействительный   __stdcall   meth  ()   {} 
 }; 
  void   test_pointer_operations  (  int   param  )   { 
	 int   k   =   0  ; 
	  int   *   ptr   =   &  k  ; 
	  *  ПТР   =   1  ; 
	  ПТР   =   &  параметр  ; 
	  *  ПТР   =   2  ; 
	  А   а  ; 
	  А   *   птра   =   &а  a   ; 
	  птра  ->  мет  (); 
  }

Соответствующий код в CIL можно отобразить следующим образом:

.   метод   сборки   static   void   modopt  ([  mscorlib  ]  System  .  Runtime  .  CompilerServices  .  CallConvCdecl  )  
         test_pointer_operations  (  int32   param  )   cil   Managed 
 { 
   .   vtentry   1   :   1 
   // Размер кода 44 (0x2c) 
   .   Максстек    2 
   .   locals   ([  0  ]   int32  *   ptr  , 
            [  1  ]   valuetype   A  *   V_1  , 
            [  2  ]   valuetype   A  *   a  , 
            [  3  ]   int32   k  ) 
 // k = 0; 
    IL_0000  :    ЛДК  .   i4  .0  
   IL_0001  :    stloc  .3 
 // ptr = &k; 
    IL_0002  :    ldloca  .   s     k   // инструкция загрузки локального адреса 
   IL_0004  :    stloc  .0 
 // *ptr = 1; 
    IL_0005  :    ldloc.0  IL_0006 
    :    ldc  .   i4  .1 
   IL_0007  :    стоять  .   i4   // инструкция косвенного обращения 
 // ptr = &param 
   IL_0008  :    ldarga  .   s     param   // инструкция загрузки адреса параметра 
   IL_000a  :    stloc  .0 
 // *ptr = 2 
   IL_000b  :    ldloc  .0 
   IL_000c  :    ldc  .   i4  .2 
   IL_000d  :    стоять  .   i4 
 // a = новый A; 
    IL_000e  :    ldloca  .   s     a 
   IL_0010  :    вызвать         valuetype   A  *   modopt  ([  mscorlib  ]  System  .  Runtime  .  CompilerServices  .  CallConvThiscall  )   '  A  . {  ctor  }  '  (  valuetype   A  *   modopt  ([  mscorlib  ]  System  .  Runtime  .  CompilerServices  .  IsConst  )   modopt  ([  mscorlib  ]  Система  .  Время выполнения  .  CompilerServices  .  IsConst  )) 
   IL_0015  :    pop 
 // ptra = &a; 
    IL_0016  :    ldloca  .   IL_0018     ; 
   :  //    stloc  .1 
 ptra->meth() 
    IL_0019  :    ldloc.1  IL_001a 
    :    dup 
   IL_001b  :    ldind  .   i4   // чтение VMT для виртуального вызова 
  IL_001c  :    ldind  .   i4 
   IL_001d  :    calli        unmanaged   stdcall   void   modopt  ([  mscorlib  ]  System  .  Runtime  .  CompilerServices  .  CallConvStdcall  ) (  native   int  ) 
   IL_0022  :    ret 
 }   // конец метода «Глобальные функции»::test_pointer_operations

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ «Промежуточный язык и исполнение» .
^ «Инфраструктура общего языка ECMA-335 (CLI)» .
^ «Что такое промежуточный язык (IL)/MSIL/CIL в .NET» . Проверено 17 февраля 2011 г. CIL: ...Когда мы компилируем [a]. NET, он [преобразовывается] не напрямую в двоичный код, а в промежуточный язык. При запуске проекта каждый язык программирования .NET преобразуется в двоичный код CIL. Только некоторая часть CIL, необходимая во время выполнения, преобразуется в двоичный код. DLL и EXE .NET также находятся в форме CIL.
^ «HackTool:MSIL/SkypeCracker» . Майкрософт . Проверено 26 ноября 2019 г. .
^ Троелсен, Эндрю (2 мая 2009 г.). Преимущества CIL . ISBN 9781590598849 . Проверено 17 февраля 2011 г.
^ «Неуправляемые и управляемые расширения для C++, управляемых и .Net Framework» . www.visualcplusdotnet.com . Проверено 7 июля 2020 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Бок, Джейсон (2002). CIL-программирование: под капотом .NET . Апресс. ISBN 978-1590590416 .

Внешние ссылки [ править ]

[1] «Промежуточный язык и исполнение» .

[2] «Инфраструктура общего языка ECMA-335 (CLI)» .

[3] «Что такое промежуточный язык (IL)/MSIL/CIL в .NET» . Проверено 17 февраля 2011 г. CIL: ...Когда мы компилируем [a]. NET, он [преобразовывается] не напрямую в двоичный код, а в промежуточный язык. При запуске проекта каждый язык программирования .NET преобразуется в двоичный код CIL. Только некоторая часть CIL, необходимая во время выполнения, преобразуется в двоичный код. DLL и EXE .NET также находятся в форме CIL.

[Defender-4] «HackTool:MSIL/SkypeCracker» . Майкрософт . Проверено 26 ноября 2019 г. .

[5] Троелсен, Эндрю (2 мая 2009 г.). Преимущества CIL . ISBN 9781590598849 . Проверено 17 февраля 2011 г.

[6] «Неуправляемые и управляемые расширения для C++, управляемых и .Net Framework» . www.visualcplusdotnet.com . Проверено 7 июля 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]