用 CIL 写程序：你好，沃尔德

前言

项目紧赶慢赶总算在最近有了一些成绩，所以沉寂了几周之后，我也终于有时间写点东西了。以前我写过一篇文章对CIL做了一个简单地介绍，不过不知道各位看官看的是否过瘾，至少我觉得很不过瘾。所以决定写几篇关于CIL的文章，即和各位看官一起进行个交流，同时也是我自己总结和巩固一下这些知识点。俗话说的好，“万事开头,Hello World”，那么作为我总结CIL的第一篇文章，就从Hello World开始吧。当然，正式开始写CIL代码之前，我们还有点闲话要说，那就是运行时的选择为何是它？为何是CIL？而CIL为何又是基于堆栈的？内存或者寄存器难道不是更理想的选择吗？

为何是CIL？

开始正文内容之前，我带领大家先回顾一下《Mono为何能跨平台？聊聊CIL(MSIL)》的简要内容：首先，用C#写的代码被C#的编译器编译成CIL（当然除了C#还有很多其他的语言，比如VB等等），之后再有JIT编译器在程序运行时即时编译或者AOT（或者NGEN）进行提前编译将CIL代码编译成对应平台的机器码，最后运行在平台上的便是机器码。我在那篇文章中提过，首先将各种不同的语言都统一编译成CIL，再由CIL编译成各个平台的机器码是跨平台的基础。那么仔细想想，一定有人会提出这样的疑问，直接从C#编译到机器码，省略掉“多余”的中间语言，是不是也可行呢？这个问题的确值得讨论，同时也为了我接下来的文章师出有名，所以首先聊聊CIL的“合法性”（用必要性这个词也许更好）问题就成了我写这篇文章的头等大事。

论据一：考虑下“性价比”

首先提出我们的论据一，那就是使用CIL这套体系对实现跨平台的开销要小的多的多。

引入一个“多余的”中间语言和两个编译器（C#----->CIL------>机器码）听上去总是要比只使用一种编译器（C#-------->机器码）的实现代价高的多，因为我们的目的是C#代码能编译成机器能运行的机器码，显然一步到位是最直接有效的方式。相反，引入中间语言之后，我们就需要实现两种语言的分析和编译，看上起的确多此一举。但如果我们考虑到跨平台这个前提，就会发现中间语言是多么的重要。

假设你可以选择的语言有N种（比如C#, VB, F#, JScript .NET，Boo...）,而我们的目标平台有M种（win，mac，linux，ios，android...）。那么如果我们采用最直接的编译方式，即从源代码直接编译成机器码，那么到底需要多少个编译器呢？

答案很直接咯：需要N*M种编译器。因为你需要为每一种语言针对每一个平台写一个编译器。

如果我们采用了中间语言呢？

我们只需要为N种语言写N种编译器，将它编译成CIL代码。再为M种平台写M种编译器，将上一步生成的CIL代码编译成M种平台的机器码。那么这次我们到底需要多少编译器呢？

答案也很明显：需要M+N种编译器。

所以，采用中间语言要比直接编译代码的开销小的多得多。

论据二：实现的难度

假设，我对硬件语言一窍不通（当然事实上是这样的。。。），但却具备一种分析源代码语义的特殊天赋（瞎掰的）。那么要实现从C#到各个平台机器码一步到位的编译，我就要去啃各种目标芯片的说明，将C#代码转化成对应芯片的机器码。这听上去就像是一条不归路，因为你并不擅长这个领域而且工作量巨大，同时由于不擅长带来的隐患难以估量。

换言之，这个难度太大了。

但是如果我们通过对C#进行语义分析，能十分容易的就生成一份和芯片无关的CIL代码，那么实现的难度相比直接从C#到机器码那可是大大的降低了。因为CIL语言本身就十分简单（至少我这种粗人都能看懂），所以从源代码到CIL的编译器实现就十分容易。同时，也是因为CIL语言本身十分简单，所以从CIL到机器码的编译器也十分简单。

而且即便有新的平台出现，你也不需要为每种语言都写一个针对新平台的编译器，而只需要实现一个从CIL到新平台机器码的编译器就可以了。

所以可以看到，CIL中间语言的出现，大大降低了跨平台的实现难度。

《Mono为何能跨平台？聊聊CIL(MSIL)》这篇文章中，我也给各位列举了一些CIL的代码，同时做了一些解释，文中在介绍CIL不依托cpu的寄存器时写了这样一句话：

不错,CIL是基于堆栈的，也就是说CIL的VM（mono运行时）是一个栈式机。

 那么不知道各位看官是否也有这样的疑问呢？

为什么是栈式机？

终于要聊聊我也觉得挺有趣的一个话题了。对啊，为什么CIL基于堆栈呢？那么我们首先就来聊聊什么是“栈式机”。

假如让你来设计

假如让你来设计一种机器语言，同时实现一个简单地加法功能，简单到什么程度呢？比如a+b等于c这样好了。那么思路是什么呢？

方案一：使用内存

add [a的地址], [b的地址], [结果的地址也就是c的地址]

当机器遇到add操作符时，它就会去寻找a的地址和b的地址这两个地址中存放的值，然后用具体的方式将它们求和，并将结果存放在c的地址。

方案二：使用寄存器

当然我也是一个学过汇编的汉子，也了解一点点单片机的知识，知道有一个叫做累加器的东西。累加器就属于寄存器了，它主要用来储存计算所产生的中间结果，最后将其转存到其它寄存器或内存中。所以使用累加器的思路也很简单，一开始将累加器设定为0，每个数字依序地被加到累加器中，当所有的数字都被加入后，结果才写回到主内存中。

方案三：使用堆栈

等等，这个部分介绍的不是栈式机吗？怎么感觉有点跑题呢？好吧，拉回思绪，让我们再来考虑下使用堆栈如何实现这个简单地加法功能呢？

push a
push b
add
pop c

add操作符首先将a，b弹出堆栈，然后将二者相加，再将结果压栈。那么，使用了这种方案的虚拟机，就被称为“栈式机”。

所以如果要回答为何CIL的选择是使用堆栈，那么就绕不过堆栈和另外两种方案的比较。

首先看一下我们做这种简单加法时，硬件需要为我们提供一些什么呢？对，就是存放这些值的临时空间。所谓的临时空间，就是说存储这个值的空间只有在需要这个值的时候才有用，其余的时候你并不需要关心这个空间或者说它的地址到底是什么。假设我们已经定义了一些操作符，比如Allocate用来分配内存，Call用来调用函数，Add用来求和，Store则是用来存储数据。

首先我们直接使用内存来运行CIL，那么遇到这样的表达式:

x = A() + B() + C() + 100

机器首先要为A()在内存上分配空间用来保存它的返回值，然后调用A()并将A()的返回值保存在之前分配给它的地址中，我们就管它叫做ret1好了。之后为B()在内存上分配空间来保存B()的返回值，接着调用B()，同样将B()的返回值保存在刚才分配给它的内存中，我们暂时称呼它ret2。这时，我们遇到了第一个“+”号，所以此时会为ret1和ret2相加的结果在内存上分配一个空间，并且将ret1和ret2相加，并将结果保存在刚刚分配的内存中（我们称为sum1），之后的过程以此类推。

Allocate ret1    　　　　　//为A()的返回值分配临时空间ret1
Call A(),ret1   　　　　  //调用A()并将结果保存在ret1
Allocate ret2 　　　　　  //为B()的返回值分配临时空间ret2
Call B(),ret2  　　　　   //调用B()并将结果保存在ret2
Allocate sum1 　　　　   //为第一次相加的结果分配临时空间sum1
Add ret1,ret2,sum1      //使用Add操作符将ret1和ret2中的内容相加，并将结果保存在sum1中。
...

可以看到这样的CIL代码在每一步真正的逻辑执行之前，都会先在内存上分配一块临时空间，用来存储我们此时需要的数据。如果使用堆栈，这个步骤是不需要，因为你将你需要的数据存储在了堆栈之中，而非在内存上临时去分配空间。所以，使用堆栈时，CIL代码看上去也许像是这样的：

push x的地址 // 将x的地址压栈
call A()              // 现在堆栈中包含x的地址和A()的返回值ret1
call B()              // 现在堆栈中包换x的地址，ret1，B()的返回值ret2
add                   // 现在堆栈中包含x的地址，ret1 + ret2的结果sum1
call C()              // 现在堆栈中包含x的地址，sum1和C()的返回值ret3
add                   // 现在堆栈中包含x的地址, ret1+ret2+ret3的返回值sum2
push 100              // 现在堆栈中包含x的地址，sum2，以及100
add                   // 现在堆栈中包含x的地址, ret1+ret2+ret3+100的和sum3
store                 //将sum3存在x的地址中。

同时，我们还可以看到如果CIL直接使用内存的话，由于在内存上的空间是临时分配的，所以CIL代码在运行时需要带上它的操作数地址以及返回地址，比如上例中的Add ret1,ret2,sum1，因为如果不告诉它这些地址，它就不知道该从何处得到数据，并将返回的数据放在何处。

所以直接使用内存来运行CIL代码，会使得CIL代码变得十分的臃肿不堪，而且要做很多多余的工作。所以不直接使用内存，而是使用堆栈的原因就是因为：如果我们仅仅只是为了临时存储一些值，而在使用完这些值之后我们就不再关心这块空间如何如何，显然使用堆栈要比直接使用内存方便的多，简洁的多。

至于为何不使用寄存器，我在上文提到的文章中已经解释过了。简单的讲就是因为简单。

好啦，到此为CIL正名的过程就结束啦。那么下面就开始首尾呼应，结尾点题，从Hello World开始踏上我们的CIL语言的征程吧~~

Hello Wolrd 你好，沃尔德

本文开篇就提到了那句名言：“万事开头,Hello World”。那么我们第一个CIL语言的程序，就从Hello World开始吧。因为我使用的是mac机器，所以编译.il文件所使用的工具是mono的ilasm。

那么我就先新建一个.il文件，起名就叫做chen.il好了。

与C#不同，CIL并不要求方法必须要属于一个类。所以，我们无需定义一个类,只需要声明一个主函数（按照C#的说法main）即可。其实在CIL中我们应该管这种函数叫做“entrypoint”，也就是入口函数。只要定义了“entrypoint”，函数叫不叫main都无关紧要，为了演示这一点，我们的函数名就叫做Fanyou好了。

那么我就这样写一下咯：

上面就是我的Fanyou方法的定义了。和一般的语言一样，包括方法签名和方法体。但是在CIL语言中，方法的定义有以下需要注意的地方：

1. 方法的定义以.method作为标识，可以在类中声明，也可以在类外声明。

2. 和C#一样，CIL程序的入口也必须是静态的，也就是意味着调用这个入口函数并不需要某个类的实例。当然，使用static关键字来标识。

3. 入口的标识.entrypoint，这个标志表明了该方法是CIL程序的入口。所以咯，只有一个函数能拥有.entrypoint标识。

4. .maxstack这个标识表明了预计使用的堆栈槽，这里是1，因为我们只是把“Hello World”这个字符串压栈。举个例子，如果像上文那样做2个数相加的加法，则需要2个堆栈槽，首先需要将2个数压栈，之后add操作符将2个数弹出并求和，最后将结果压栈。所以最多需要2个栈槽。

5. ldstr操作符将“Hello World”压栈，供之后的WriteLine方法使用。

6. call调用了mscorlib程序集中System.Console类的WriteLine方法。这里call指明了WriteLine完整的签名（void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)）所以运行时可以选择WriteLine的正确地重载。

7. ret操作符则将结果返回给调用者。在这里，作为入口函数的返回，也意味着应用运行的结束。

8. 有一些同学可能也看过很多CIL语言的代码，是不是发现它们每一条语句之前往往有一个“IL_0000:”这样的东东？但是我你写的代码里没有啊！是不是你写错了？NO,NO,那个IL_XXXX其实仅仅是行号，是不会影响程序的运行的。

好啦，一个简单地Hello World的确能带来一些最基本的知识点，但是这个.il文件编译之后能运行吗？答案是NO。因为我们貌似没有定义什么程序集的信息啊？所以我们还要加入一些程序集的信息才可以哦。那么完整的代码如下了：

然后，让我们编译并且运行一下，看看我们写的实现了Fanyou方法，输出Hello World的CIL代码到底是否可以运行吧！

运行结果：

首先

ilasm chen.il

对chen.il这个CIL文件进行编译，生成的结果是chen.exe

之后再运行chen.exe

mono chen.exe

可以看到屏幕上输出了“Hello World”。

OK，大功告成！