Хотя вполне очевидно, что лишь немногие программисты предпочтут строить свои .NET-приложения непосредственно на языке CIL, язык CIL сам по себе является чрезвычайно интересным объектом для интеллектуального исследования. Проще говоря, чем лучше вы понимаете грамматику CIL, тем увереннее вы будете себя чувствовать в мире нетривиальных приемов разработки .NET. Если говорить конкретно, то разработчик, обладающий пониманием языка CIL, получает следующее.
• Понимание того, как различные языки программирования .NET проецируют свои ключевые слова в лексемы CIL.
• Возможность дезассемблирования компоновочных блоков .NET, редактирования программного кода CIL и перекомпиляции обновленного базового кода в измененный двоичный код .NET
• Возможность построения динамических компоновочных блоков с помощью элементов пространства имен System.Refleсtion.Emit.
• Иcпользование тех возможностей CTS (Common Type System – общая система типов), которые не поддерживаются управляемыми языками более высокого уровня, но существуют на уровне CIL. Язык CIL является единственным языком .NET, позволяющим получить доступ ко всем возможностям CTS.
Например, используя CIL, вы можете определять члены и поля глобального уровня (что не позволено в C#).
Снова заметим, чтобы было предельно ясно, что если вы не хотите углубляться в детали внутреннего устройства программного кода CIL, вам может быть вполне достаточно освоения возможностей библиотек базовых классов .NET. Во многих отношениях роль понимания языка CIL аналогична роли понимания языка ассемблера программистом, использующим C(++). Тем, кто понимает низкоуровневые возможности, проще находить хитроумные решения сложных задач с учетом тонких требований среды программирования (и среды выполнения). Так что если вы готовы принять вызов, давайте приступим к. рассмотрению особенностей CIL.
Замечание. Следует понимать, что в данной главе не предлагается всестороннее и исчерпывающее описание синтаксиса и семантики CIL. Если вам требуется всесторонний анализ возможностей CIL, обратитесь к книге Jason Bock, CIL Programming: Under the Hood of .NET (Apress, 2002).
Директивы, атрибуты и коды операций CIL
В начале изучения нового языка низкого уровня, такого как CIL, вы непременно обнаружите новые для себя (а часто и кажущиеся нелогичными) имена для очень привычных понятий. Рассмотрите, например, следующий набор элементов.
{new, public, this, base, get, set, explicit, unsafe, enum, operator, partial}
Вы, скорее всего, идентифицируете их, как ключевые слова языка C# (и это правильно). Но если присмотреться к элементам этого набора более внимательно, вы сможете заметить, что хотя здесь каждый элемент и является ключевым словом C#, они имеют совершенно разную семантику. Например, ключевое слово enum определяет тип, производный от System.Enum, а ключевые слова this и base позволяют ссылаться, соответственно, на текущий объект или родительский класс объекта. Ключевое слово unsafe используется для создания блока программного вода, который не должен непосредственно контролироваться средой CLR, а ключевое слово operator позволяет построить скрытый (специально именованный) метод, который будет вызываться тогда, когда вы применяете заданный оператор C# (например, знак сложения).
В отличие от такого высокоуровневого языка, как C#, язык CIL не просто определяет свой собственный набор ключевых слов. Набор лексем, понятных компилятору CIL, разделяется на три большие категории, в зависимости от семантического подтекста:
• директивы CIL;
• атрибуты CIL;
• коды операций CIL.
Каждая категория лексем CIL выражается с помощью своих специальных синтаксических конструкций, а сами лексемы объединяются с тем, чтобы в результате получился работоспособный компоновочный блок .NET.
Роль директив CIL
Прежде всего, есть множество известных лексем CIL, которые используются для описания полной структуры компоновочного блока .NET. Эти лексемы называются директивами. Директивы CIL используются дли информирования компилятора CIL о том, как определять пространства имен, типы и члены, содержащиеся в компоновочном блоке.
Синтаксически директивы обозначаются с помощью префикса, представленного точкой (.) (например, .namespace, .class, .publickeytoken, .override, .method, .assembly и т.д.). Так, если ваш файл *.il (обычное расширение для файла, содержащего программный код CIL) имеет одну директиву .namespace и три директивы .сlass, компилятор CIL сгенерирует компоновочный блок, который определит одно пространства имен .NET и три типа класса .NET.
Роль атрибутов CIL
Во многих случаях директивы CIL сами по себе оказываются недостаточно информативными, чтобы дать исчерпывающее определение соответствующего типа .NET или его члена. Поэтому многие директивы CIL сопровождаются различными атрибутами CIL, сообщающими о том, как должна обрабатываться данная директива. Например, директива .class может сопровождаться атрибутам public (чтобы задать параметры видимости типа), атрибутом extends (чтобы явно указать базовый класс типа) или атрибутом implements (чтобы задать список интерфейсов, поддерживаемых типом).
Роль кодов операций CIL
После определения компоновочного блока .NET, пространства имен и набора типов в терминах GIL с использованием различных директив и связанных атрибутов остается одно – предложить программную логику реализации типа. Это является задачей кодов операций. В соответствии с традициями других языков низкого уровня, коды операций CIL, как правило, имеют просто непроизносимые аббревиатуры. Например, чтобы определить переменную строки, используется не понятный код операции LoadString, a ldstr.
Но все же, что не может не радовать, некоторые коды операций CIL в точности соответствуют их аналогам в C# (это, например, box, unbox, throw и sizeof). Вы сможете убедиться в том, что коды операций CIL всегда используются в контексте реализации члена и, в отличие от директив CIL, они никогда не обозначаются префиксом, заданным точкой.
Различия между мнемоникой и кодом операции CIL
Как только что объяснялось, коды операций, например ldstr, используются для реализации членов данного типа. Но в реальности лексемы (в том числе и ldstr) являются мнемониками CIL, представляющими на самом деле двоичные коды операций CIL. Чтобы пояснить различие, предположим, что у нас есть следующий метод, созданный средствами C#.
static int Add(int x, int у) {
return х + у;
}
В терминах CIL сложение двух чисел представлено кодом операции 0X58. Аналогично для представления вычитания используется код операции 0X59, а действие, соответствующее размещению нового объекта в управляемой динамической памяти, обозначается кодом операции 0X73. С учетом сказанного должно быть ясно, что CIL-код, обрабатываемый JIT-компилятором, на самом деле является набором двоичных данных.
К счастью, для каждого двоичного кода операции CIL есть соответствующая мнемоника. Например, мнемоника add может использоваться вместо 0X58, sub – вместо 0X59, a newobj – вместо 0X73. Ввиду указанных различий между мнемониками и кодами операций, нетрудно догадаться, что декомпиляторы CIL, такие как, например, ildasm.exe, переводят двоичные коды операций компоновочного блока в соответствующую мнемонику CIL.
.method public hidebysig static int32 Add(int32 x, int32 y) cil managed {
…
// Лексема 'add' является более понятной мнемоникой CIL,
// используемой для представления кода операции 0X58.
add
…
}
Тем, кто не сталкивается с необходимостью разработки низкоуровневого программного обеспечения .NET (например, пользовательского управляемого компилятора), обычно не приходится иметь дело непосредственно с числовыми кодами операций CIL. Поэтому практически всегда, когда программисты .NET говорят о "кодах операций CIL", они (как и я в этом тексте) имеют в виду набор более понятной мнемоники, а не лежащие в ее основе двоичные значения.
Добавление и извлечение данных: стековая природа CIL
Высокоуровневые языки .NET (например, такие как C#) пытаются максимально скрыть низкоуровневые сложности. Одним из аспектов разработки .NET, который оказывается скрытым особенно хорошо, является тот факт, что CIL является языком, целиком основанным на стековом программировании. Напомним, что при исследований пространства имен System.Collections (см. главу 7) мы с вами выяснили, что тип stack может использоваться для добавления значения в стек, а также для удаления из стека значения, размещенного на вершине стека. Конечно, разработчики CIL-приложений для загрузки и выгрузки значений не используют непосредственно объект System.Сollections.Stack, однако они применяют аналогичные операции.
