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深度理解C# 的执行原理

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从编译原理说起虚拟机是什么C# 是什么,IL 又是什么.Net Framework vs MonoUnity3D 中的 C#小结

作者:易立 | 腾讯IEG高级工程师

为什么 Unity3D 可以运行 C#,C# 和 Mono 是什么关系,Mono 和 .Net Framework 又是什么关系?我们深入的来聊一聊这个话题!

从编译原理说起

一句话介绍编译器:编译器是将用某种程式语言写成的源代码(源语言),转换成另一种程式语言(目标语言)等价形式的程序。通常我们是将某种高级语言(如C、C++、C# 、Java)转换成低级语言(汇编语言、机器语言)。

编译器以流水线的形式进行工作,分为几个阶段:源代码 → 词法分析 → 语法分析 → 语义分析 → 目标代码 → 链接 → 可执行文件。现代编译器还会更复杂,中间会增加更多的处理过程,比如预处理器,中间代码生成,代码优化等。

虚拟机是什么

虚拟机(VM),简单理解,就是可以执行特定指令的一种程序。为了执行指令,还需要一些配套的设施,如寄存器、栈等。虚拟机可以很复杂,复杂到模拟真正的计算机硬件,也可以很简单,简单到只能做加减乘除。

在编译器领域,虚拟机通常执行一种叫中间代码的语言,中间代码由高级语言转换而成,以 Java 为例,Java 编译后产生的并不是一个可执行的文件,而是一个 ByteCode (字节码)文件,里面包含了从 Java 源代码转换成等价的字节码形式的代码。Java 虚拟机(JVM)负责执行这个文件。

虚拟机执行中间代码的方式分为 2 种:解释执行和 JIT(即时编译)。解释执行即逐条执行每条指令,JIT 则是先将中间代码在开始运行的时候编译成机器码,然后执行机器码。由于执行的是中间代码,所以,在不同的平台实现不同的虚拟机,都可以执行同样的中间代码,也就实现了跨平台。

int run(context* ctx, code* c) { for (cmd in c->cmds) { switch (cmd.type) { case ADD: // todo add break; case SUB: // todo subtract break; // ... } } return 0;}

总结一下,虚拟机本身并不跨平台,而是语言是跨平台的,对于开发人员来说,只需要关心开发语言即可,不需要关心虚拟机是怎么实现的,这也是 Java 可以跨平台的原因,C# 也是同样的。推而广之,理论上任何语言都可以跨平台,只要在相应平台实现了编译器或者虚拟机等配套设施。

C# 是什么,IL 又是什么

C# 是微软推出的一种基于 .NET 框架的、面向对象的高级编程语言。微软在 2000 年发布了这种语言,希望借助这种语言来取代Java,更多详细的介绍可以参看 C# Wiki。

C# 是一个语言,微软给它定制了一份语言规范,提供了从开发、编译、部署、执行的完整的一条龙的服务,每隔一段时间会发布一份最新的规范,添加一些新的语言特性。从语法层面来说,C# 是一个很完善,写起来非常舒服的语言。

C# 和 Java 类似,C# 会编译成一个中间语言(CIL,Common Intermediate Language,也叫 MSIL),CIL 也是一个高级语言,而运行 CIL 的虚拟机叫 CLR(Common Language Runtime)。通常我们把 C#、CIL、CLR,再加上微软提供的一套基础类库称为 .Net Framework。

C# 天生就是为征服宇宙设计的,不过非常遗憾,由于微软的封闭,这个目标并没有实现。当然 C# 现在还过得很好,因为游戏而焕发了新的活力,因为 Unity3D,因为 Mono。

.Net Framework vs Mono

Mono 是跨平台的 .Net Framework 的实现。Mono 做了一件很了不起的事情,将 CLR 在所有支持的平台上重新实现了一遍,将 .Net Framework 提供的基础类库也重新实现了一遍。

以上,Compile Time 的工作实际上可以直接用微软已有的成果,只要将 Runtime 的 CLR 在其他平台实现,这个工作量不仅大,而且需要保证兼容,非常浩大的一个工程,Mono 做到了,致敬!

Unity3D 中的 C

Unity3D 内嵌了一个 Mono 虚拟机,从上文可以知道,当实现了某个平台的虚拟机,那语言就可以在该平台运行,所以,严格的讲,Unity3D 是通过 Mono 虚拟机,运行 C# 通过编译器编译后生成的 IL 代码。

Unity3D 默认使用 C# 作为开发语言,除此之外,还支持 JS 和 BOO,因为 Unity3D 开发了相应的编译器,将 JS 和 BOO 编译成了 IL。

小结

C# 在 Windows 下,是通过微软的 C# 编译器,生成了 IL 代码,运行在 CLR 中。

C# 在除 Windows 外的平台下,是通过 Mono 的编译器,生成了 IL 代码,运行在 Mono 虚拟机中,也可以直接运行将已经编译好的 IL 代码(通过任意平台编译)。

理论上,你创造了一门语言,并且实现了某一平台下的编译器,然后实现了所有平台下符合语言规范的虚拟机,你的语言就可以运行在任意平台啦。

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