Двухэтапная компиляция. Управляемый модуль и управляемый код

Компиляторы языков программирования, включенные в Visual Studio .Net, создают модули на промежуточном языке MSIL (Microsoft Intermediate Language), называемом далее просто - IL. Фактически компиляторы создают так называемый управляемый модуль - переносимый исполняемый файл (Portable Executable или PE-файл). Этот файл содержит код на IL и метаданные - всю необходимую информацию как для CLR, так и конечных пользователей, работающих с приложением. О метаданных - важной новинке Framework.Net - мы еще будем говорить неоднократно. В зависимости от выбранного типа проекта, PE-файл может иметь расширения exe, dll, mod или mdl.

Заметьте, PE-файл, имеющий расширение exe, хотя и является exe-файлом, но это не совсем обычный исполняемый Windows файл. При его запуске он распознается как специальный PE-файл и передается CLR для обработки. Исполнительная среда начинает работать с кодом, в котором специфика исходного языка программирования исчезла. Код на IL начинает выполняться под управлением CLR (по этой причине кодназывается управляемым ). Исполнительную среду можно рассматривать как своеобразную виртуальную IL-машину. Эта машина транслирует "на лету" требуемые для исполнения участки кода в команды реального процессора, который в действительности и выполняет код.

Виртуальная машина

Отделение каркаса от студии явилось естественным шагом. Каркас Framework.Net перестал быть частью студии, а стал надстройкой над операционной системой. Теперь компиляция и создание PE-модулей на IL отделены от выполнения, и эти процессы могут быть реализованы на разных платформах. В состав CLR входят трансляторы JIT (Just In Time Compiler), которые и выполняют трансляцию IL в командный код той машины, где установлена и функционирует исполнительная среда CLR. Конечно, в первую очередь Microsoft реализовала CLR и FCL для различных версий Windows, включая Windows 98/Me/NT 4/2000, 32 и 64-разрядные версии Windows XP и семейство .Net Server. Для операционных систем Windows CE и Palm разработана облегченная версия Framework.Net.

В 2001 году ECMA (Европейская ассоциация производителей компьютеров) приняла язык программирования C#, CLR и FCL в качестве стандарта, так что Framework .Net уже функционирует на многих платформах, отличных от Windows. Он становится свободно распространяемой виртуальной машиной. Это существенно расширяет сферу его применения. Производители различных компиляторов и сред разработки программных продуктов предпочитают теперь также транслировать свой код в IL, создавая модули в соответствии со спецификациями CLR. Это обеспечивает возможность выполнения их кода на разных платформах.

Microsoft использовала получивший широкое признание опыт виртуальной машины Java, улучшив процесс за счет того, что, в отличие от Java, промежуточный код не интерпретируется исполнительной средой, а компилируется с учетом всех особенностей текущей платформы. Благодаря этому создаются высокопроизводительные приложения.

Следует отметить, что CLR, работая с IL-кодом, выполняет достаточно эффективную оптимизацию и, что не менее важно, защиту кода. Зачастую нецелесообразно выполнять оптимизацию на уровне создания IL-кода - она иногда может не улучшить, а ухудшить ситуацию, не давая CLR провести оптимизацию на нижнем уровне, где можно учесть даже особенности процессора.

Дизассемблер и ассемблер

Если у вас есть готовый PE-файл, то иногда полезно анализировать его IL-код и связанные с ним метаданные. В состав Framework SDK входит дизассемблер - ildasm, выполняющий дизассемблирование PE-файла и показывающий метаданные, а также IL-код с комментариями в наглядной форме. Мы иногда будем пользоваться результатами дизассемблирования. У меня на компьютере кнопка, вызывающая дизассемблер, находится на панели, где собраны наиболее часто используемые мной приложения. Вот путь к папке, в которой обычно находится дизассемблер:

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio .Net\ FrameworkSDK\Bin\ildasm.exe

Профессионалы, предпочитающие работать на низком уровне, могут программировать на языке ассемблера IL. В этом случае в их распоряжении будет вся мощь библиотеки FCL и все возможности CLR. У меня на компьютере путь к папке, где находится ассемблер, следующий:

C:\WINDOWS\Microsoft.Net\Framework\v1.1.4322\ilasm.exe

В этом курсе к ассемблеру мы обращаться не будем - я упоминаю о нем для полноты картины.

Метаданные

Переносимый исполняемый PE-файл является самодокументируемым файлом и, как уже говорилось, содержит и код, и метаданные, описывающие код. Файл начинается с манифеста и включает в себя описание всех классов, хранимых в PE-файле, их свойств, методов, всех аргументов этих методов - всю необходимую CLR информацию. Поэтому помимо PE-файла не требуется никаких дополнительных файлов и записей в реестр - вся нужная информация извлекается из самого файла. Среди классов библиотеки FCL имеется класс Reflection, методы которого позволяют извлекать необходимую информацию. Введение метаданных - не только важная техническая часть CLR, но это также часть новой идеологии разработки программных продуктов. Мы увидим, что и на уровне языка C# самодокументированию уделяется большое внимание.

Мы увидим также, что при проектировании класса программист может создавать собственные атрибуты, добавляемые к метаданным PE-файла. Клиенты этого класса могут, используя класс Reflection, получать эту дополнительную информацию, и на ее основании принимать соответствующие решения.

На рис. 1.1 показаны результаты дизассемблирования PE-файла простого консольного приложения с именем Account, включающего три класса: Account, Testing и Class1. Дизассемблер структурирует информацию, хранимую в метаданных, и показывает ее в типичном формате дерева. Как обычно, это дерево можно сжимать или раскрывать, демонстрируя детали класса. Значки, приписываемые каждому узлу дерева, характеризуют тип узла - класс, свойство, метод, описание. Двойной щелчок кнопки мыши на этом узле позволяет раскрыть его. При раскрытии метода можно получить его код. На рис. 1.1 показан код метода add из класса Account.

Рис. 1.1.Пример структуры PE-файла, задающего сборку