CIL 01: Common Language Infrastructure#

大家好，我将会在未来发布一系列关于 CIL (Common Intermediate Language) 的讨论内容。我们将从 C# 语言的视角出发，逐步揭示 CLI 高级语言的运行秘密，并最终与大家共同掌握对 CIL 的基础读写能力。

作为前言，本文将首先讨论 CLI 及其定义。

什么是 CLI？#

CLI (Common Language Infrastructure) 即通用语言基础架构，是由 ECMA-335 定义的一套技术规范。

其旨在构建一个能运行多种高级语言所编写应用程序的环境，并确保无需针对特定平台重写代码，即可在各种不同的系统环境中运行。

目前较知名的 CLI 语言包括：

  • C#
  • F#
  • C++/CLI
  • PowerShell

CLI 的基础架构部分定义了三个核心组件：

  1. CLS (Common Language Specification)：通用语言规范
  2. CTS (Common Type System)：通用类型系统
  3. VES (Virtual Execution System)：虚拟执行系统

事实上，遵循 CLI 这套标准的高级语言，通常会被编译为名为 CIL 的低级汇编语言，并被 VES 处理——无论是解释执行，还是生成目标平台的 Native 代码。

下面我们会更详细地介绍 CLI 的架构与工作细节。

1. CLS (Common Language Specification)#

作为一套规则集合，CLS 是为了语言互操作性而设计的。标准地说，CLS 定义了 CLI 语言互操作时的“安全子集”。

如果你的代码遵守 CLS 规则，那么任何符合 CLS 标准的语言都能调用你的代码。

想象一下，有些 CLI 语言支持指针或者无符号整数，而另一些不支持。一个安全子集则能描述它们安全互操作时的最小接口。

请注意 CLS 的适用范围： CLS 规则并不要求你的所有代码都必须遵守，它只约束 “对外公开” 的部分。这意味着你可以在实现内部使用任何疯狂的特性，只要它们不被暴露出来。

2. CTS (Common Type System)#

CLI 支持多种编程范式，包括过程式、面向对象和函数式语言，它们都被 CTS 所支持。

CTS 将数据实体分为两类：Values 和 Objects。

Value (值)#

Value 采用简单的 bit pattern（位模式），主要用于表示整数、浮点数或者布尔值这样的基础数据类型。我们可以通过它们的类型直接描述：

  • 它所占的内存空间
  • 这些 bit 的含义
  • 它们可以执行的操作

Object (对象)#

Object 则是比 Value 更复杂的实体，它具有三个显著特征：

  1. 自描述性 (Self-describing) 这意味着它的类型被显式地存储在它自身的内部表示中。
  2. 具有身份 (Identity) 每个对象都有一个唯一的、永恒不变的 identity。这意味着即使两个 Object 存储的数据完全相同，它们也是不同的。
    • 注：熟悉 C# 的读者可能会想到 GetHashCode。ECMA-335 (CLI) 是一套标准，每个语言或实现都可以有独特的实现。你可以把 GetHashCode 当作是 C# 对 CTS 定义的 identity 的一种实现（且通常依赖 readonly Field 保持不变）。
  3. 具有槽 (Slots) 槽中存放着其他实体 (Value or Object)。你可以把它当作 C# Class 或者 Struct 的 Field。

此外，作为现代编程语言，CTS 也支持泛型（可以理解为一阶类型构造器的某种受限形式），并支持泛型的变体，包括逆变和协变。

3. VES (Virtual Execution System)#

也许你听说过 CLR (Common Language Runtime) 或者 CoreCLR，它们其实就是 VES 的某种具体实现（就像 Mono 与 CLI 的关系一样）。

VES 负责加载和运行托管代码 (Managed Code)。作为抽象代码和硬件之间的中间层，VES 替语言使用者默默处理着：

  • 内存分配
  • 垃圾回收
  • 线程安全

工作流程简述：

  1. 高级语言编译器（如 C# 的 Roslyn）将源代码编译为 CIL。
  2. VES 负责执行 CIL。例如使用 RyuJIT 将 CIL 翻译成目标平台的 Native 代码。

你可以将 VES 看作一个基于堆栈的虚拟机，而 CIL 则是这个虚拟机的汇编语言。VES 还内置了数据类型支持、控制流结构和异常处理模型。

4. CIL (Common Intermediate Language)#

最后，让我们回到主角——CIL。

CIL 是基于栈的、面向对象的中间语言二进制指令集（它也曾被称为 MSIL）。在未来的文章/视频中，我将详细介绍 CIL 指令集的具体内容，这也是本系列的重头戏。

现在，想必你已经足够了解 CLI 了。

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