C#学习笔记(4)

March 25,2004

written by cash (天下第七)
2002.04.07
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约定

//一个典型的用C#写就的HelloWorld程序
using System;
class HelloWorld
{
public static void Main()
{
Console.WriteLine("Hello World !");
}
}

我忘记自己第一次用C#向世界问好是在什么时候了，不过可以肯定我已经打过招呼了，那时候用的是beta1版。现在你可以到http://msdn.microsoft.com/downloads/default.asp?url=/downloads/sample.asp?url=/msdn-files/027/000/976/msdncompositedoc.xml去下载.Net Framework Software Development Kit (SDK)的正式版，其中包括了前面提到的.NET Framework，以及书写、编译、测试、开发 .NET Framework 应用程序所需要的一切——文档、例子、命令行工具和编译器。安装之后就可以开发和运行C#程序了，不过一般的建议是：一定要看.Net Framework SDK中所带的文档与例子，如果能照着例子再写一遍那就再好不过了。
当我第一次看到C#代码的时候，同样认为它很像Java，一个形象的比喻是：C#和Java是一对双胞胎，从语法的角度来讲，它们共同的父亲当然非C++莫属(请注意，不是VC++)。对于一个学过Java语言的人来说(比如说在下)，要理解这段代码实在是太容易了：第一行当然是注释了，C#支持两种注释方法，以"//"开始的单行注释和以"/*"、"*/"配对使用的多行注释。第二行(using System)导入了System这个包(在C#中被称之为名字空间，Namespace)，可以让我们方便的调用Microsoft.Net基类库System中的所有类，在此例中使用了System名字空间中的"Console"类，用于在控制台窗口输出程序运行结果。如前所述，C#并没有内置的输入输出语句，所有需实现的功能都完全来自于.Net基类库。这一句的作用就是告诉编译器去哪里寻找Console类以便调用。
接下来声明了一个类HelloWorld，这个类中有一个特殊的方法Main()，每个可执行文件都需要有一个入口点，在C#中，这个入口点就是Main()方法，此方法将在程序启动时被调用。在这个方法中，Console是在命名空间System下的一个类，它表示的是控制台。这里调用其静态方法WriteLine()。如同C++一样，静态方法允许我们直接作用于类而非实例对象。WriteLine()函数接受字符串类型的参数"Hello World !"，并把它送入控制台显示。如前所述，C#没有自己的类库，它直接获取Microsoft.NET系统类库。在这里正是通过获取Microsoft.NET系统类库中的System.Console.WriteLine()来完成我们想要的控制台输出操作。现在使用记事本来编写这段代码，并将它的文件名保存为HelloWorld.cs，其中".cs"是C#源代码文件的扩展名。然后在配置好C#编译器的命令行环境里键入"csc HelloWorld.cs"编译文件。可以看到编译输出文件HelloWorld.exe。键入HelloWorld执行这个文件可得到下面的输出：

Hello World !

这就是第一个C#的程序，我们使用csc.exe来编译它，对于这个C#编译器，有如下说明：
1.　它是随.Net Framework SDK免费发布的，可以在DOS命令行被调用
2.　它的使用方法如下：
　　csc SourceFile.cs /out:TargetFile.exe
　　如果不使用输出参数指定目标文件名，则默认输出为源文件名
3.　一般情况下，它在系统文件夹(Windows或WinNT)下的Microsoft.NETFrameworkv1.0.3705文件夹内
4.　如果你安装了VS.Net，从Visual Studio.NET Tools项目组中可以激活Visual Studio.NET　Command Prompt窗口，这是一个配置好C#编译器的命令行环境
5.　使用csc.exe编译后的C#程序并不是机器代码(尽管拥有.exe的后缀名)。如前所述，C#程序只是被编译成了MSIL代码。

C#编译器(csc.exe)编译后的文件并不是一个严格意义上的可执行文件(并不包含机器代码)，而是一个PE（portable executable）格式的文件，虽然它同样拥有.exe的后缀名。在这个PE文件中也不仅仅只包含中间语言，在其中还包含有元数据(Metadata)和一个由编译器添加的目标平台的标准可执行文件头。

中间语言，确切地说，应该称为微软中间语言(Microsoft Intermediate Language，MSIL)，是由微软定义的一种界于源代码与机器码之间的一种语言。在CLR中，它首先会由特定的语言编译器将其包装成exe格式的伪代码(P代码)。再由特定的编译器将其转换为本地代码执行。对于微软中间语言，一个形象的比喻是：如果CLR是操作系统的话，那么微软中间语言就是.Net平台上的ASM汇编语言。它比大多数 CPU 机器语言更为高级，比如它可以理解对象类型，并具有创建和初始化对象、调用关于对象的虚拟方法以及直接操作处理数组元素的指令。它甚至还具有发现和捕获异常情况用于错误处理的指令。

元数据(Metadata)和MSIL共同存在于编译好的程序文件之中，描述了此程序包含的类型的定义、各种类型的签名及其它一些数据，相当于以前的类型库(Type Library)，同时也记载了此程序所引用到的其它外部类。元数据的主要作用是将与代码有关的更多的信息提供给CLR。基本上，元数据用于如下各项任务：用于表示CLR用途的信息，如定位和装载类、内存中这些类的实例、解决调用、翻译IL为原始码、加强安全并设置运行时上下文边界。

一个由C#语言写就的源码文件在CLR环境中执行的过程是这样的：首先由C#编译器编译成包含了中间语言和元数据的PE文件，当我们在系统中调用这个文件时，CLR会启动一个编译器再将这个PE文件包含的MSIL代码转换成为托管的本地代码。转换MSIL代码为本地码的这个编译器就叫做JIT编译器(Just In Time，JITer)。请注意它并不是前面我们用到的C#编译器。
现在让我们看看JIT编译器是如何工作的：当PE文件被调用时，JIE编译器将其分解为MSIL和元数据，这时候MSIL并不直接让.Net去调用本地的系统接口，而是指定.Net系统去编译连接那些需要的CLR　DLL，编译出百分之百的本地代码。整个的过程如下：
当一个类型被装载时，装载器创建一个存根(stub)，并使它与类型的每一个方法相连接。当一个方法第一次被调用时，存根把控制交给JITer。JITer把MSIL编译为本地代码，并且把存根指针指向缓冲本地代码。已经被JITer编译的方法随后就直接调用已经产生的本地代码，减少了JITer编译和执行代码的时间。可以看到，JITer并不会一次性的将所有的MSIL都编译为本地代码，而是在我们需要时才即时编译，也就是说，有些代码可能从来都没有被编译过。很明显这样做的好处是既保证了运行期的安全性，又不会损失太多的效率。

这就是一个C#程序执行时的步骤。整个过程是这样的：
1) 由C#编译器将源代码编译为中间语言
2) 装入托管代码，这包括解决内存中的名字、表层类(laying out classes )，并且创建JIT编译所必需的存根。通过执行经常性校验，包括加强一些访问规则，类装载器同样也增强了安全性
3) 用JITer将 IL转换成原始代码
4) 装入元数据、校验类型安全和方法的完整性
5) 垃圾收集(GC)和异常处理
6) 描绘和查错服务
7) 管理线程和上下文以及远程管理。

不必全部理解这些概念，在以后的学习中将会一一的体会到它们的精彩，现在你需要做的(如果你还没这么干过的话)，是找到ildasm.exe这个文件(一般情况下，它会和csc.exe在同一文件夹中)。顾名思义，这是一个MSIL的反汇编程序(.Net Framework IL Disassembler)，在命令行窗口下输入ildasm helloworld.exe /out=helloworld.il就会得到两个文件：helloworld.il和helloworld.res。前者包括了反编译出来的元数据和MSIL代码，后者则是提取的资源文件。用记事本打开helloworld.il文件，可以看到它定义并实现了一个继承自System.Object 的HelloWorld类及两个函数：Main()和.ctor()。其中.ctor()是HelloWorld类的构造函数。在这个文件中还包括元数据和其它有关的信息。如果你觉得这样不够直观的话，可以在命令行窗口键入ildasm helloworld.exe，这样就可以启动ILDASM 窗口并向我们展示出反编译后的helloworld.exe文件。

请仔细将这些代码看上几遍，现在理解全部这些内容并不重要，但是希望你也能看一下文件中的元数据，这其中包含所有 Runtime 和编译器需要的有关程序集及其模块、类型和成员（如方法）的信息。

行文至此，我想谈一下学习。如你所知，在我们所处的环境中，学习总意味着是一个痛苦的过程，学习一种新知识好像总是为了自己的某种需求，我并不认为这样有什么不对，但我总觉着，除了拿到高薪和受人尊敬外，学习还应该带给我们更多的快乐。有些知识我们现在也许用不着，比如前面谈到的一些内容，但是我们了解了，就是一件值得高兴的事。

智慧本身就是好的，有一天我们都会死去，追求智慧的道路还会有人在走着。死掉以后的事我看不到。但在我活着的时候，想到这件事，心里就高兴。 ——王小波

今天是2002年4月7号，再过三天就是王小波的忌日了，不知道有多少人还会记得这个日子，还会记得这个人。本文的最后，我向大家推荐小波的作品——每一个心智成熟的人都应该读一读小波的文字。在他的杂文随笔集《沉默的大多数》中有一句话谈到了他作为程序员的一面：
“今晚不把这段Ｃ++调通，老子就不睡了！”

>>>未完，待续...