用MSIL剥开C#的外衣（一）：方法参数ref、out、params和lock、for和foreach关键字

上一篇 / 下一篇  2009-09-03 15:47:02 / 个人分类：C# && .NET

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~-K Ru"[ ^0 我们可能从来都不需要用到MSIL，但了解MSIL可以让我们了解许多其他人所不知道的内幕。本文就试图通过MSIL，剥开一些披在C#上面的漂亮外衣。 51Testing软件测试网K_5T6k*vZ7UE

对于方法参数，MSDN上这样说：“如果在为方法声明参数时未使用ref或out，则该参数可以具有关联的值。可以在方法中更改该值，但当控制传递回调用过程时，不会保留更改的值。通过使用方法参数关键字，可以更改这种行为。”这样说太抽象了，现在举一个例子来进行说明：
usingSystem;
publicclassRefOutParam
{
   publicvoidNoRef(inti)
    {
        i = 500;
    }
   publicvoidTestRef(refinti)
    {
        i = 100;
    }
   publicvoidTestOut(outinti)
    {
        i = 200;
    }
   publicvoidTestParam(paramsstring[] Fields)
    {
       foreach(stringfieldinFields)
        {
           Console.WriteLine(field);
        }
       for(inti = 0; i < Fields.Length; i++)
            Fields[i] = i.ToString();
    }
   publicstaticvoidMain()
   {
        RefOutParam TestCase =newRefOutParam();
       lock(TestCase)
        {
           inti = 0;
            TestCase.NoRef(i);
           Console.WriteLine("testing no ref ...i={0}", i); 
            TestCase.TestRef(refi);
           Console.WriteLine("testing ref.... i={0}", i); 
            TestCase.TestOut(outi);
           Console.WriteLine("testing out.... i={0}", i);
           Console.WriteLine("testing param 001");
            TestCase.TestParam("001","002","003"); 
            string[] TestParams ={"001","002","003"};
           Console.WriteLine("testing param 002");
            TestCase.TestParam(TestParams); 
           foreach(stringsinTestParams)
               Console.WriteLine(s);
        }
    }
}
输出结果不说大家也知道，那就是：
testing no ref ...i=051Testing软件测试网H3kaR/W4jcc
testing ref.... i=10051Testing软件测试网9_$l_ Q8u}-a
testing out.... i=20051Testing软件测试网7H gJ!bW5w+`
testing param 001
?.{f;tB6y0001
Y~CM4j/}|4L+f vO }0002
$L1?x5b5Bj$mq000351Testing软件测试网1bl8G*Z8tw;G#o"n
testing param 002
(tVQf#Z~ O0001
Tn2?x9u&Lr000251Testing软件测试网,j/e7i+Sz0kIn oK
00351Testing软件测试网\H$fcfN0z,[
051Testing软件测试网/N o1lZ7k }N'y4G,XT4e
151Testing软件测试网S;ex7FKX4]Fc d!b
2 
对这些代码，我们先说说ref和out，这个已经被别人讲了许多次了，我再重复一下（领导讲话时经常这样^_^）：
TestCase.NoRef(i);没有用ref/out，那么，在函数体中对参数的更改，其有效范围只在当前函数体内，出了该函数，参数的值便不再保留。
TestCase.TestRef(refi); TestCase.TestOut(outi);用了ref/out参数后，在函数体中对参数的更改，出了该函数后仍然有效。用MSDN的说法：“ref关键字使参数按引用传递。……out关键字会导致参数通过引用来传递……传递到ref参数的参数必须最先初始化。这与out不同，out的参数在传递之前不需要显式初始化……尽管作为out参数传递的变量不需要在传递之前进行初始化，但需要调用方法以便在方法返回之前赋值……ref和out关键字在运行时的处理方式不同，但在编译时的处理方式相同。”这一大段话，可以总结为“ref和out参数都是通过引用传值，ref参数在调用前必须初始化，out参数在返回前必须初始化，ref和out参数的编译处理相同，但是在运行时的处理方式不同”。通过reflector反汇编，NoRef、TestRef和TestOut的MSIL代码如下：
.methodpublichidebysiginstancevoidNoRef(int32 i)cil managed
{
   .maxstack8
L_0000: nop
//把值500装入堆栈
L_0001: ldc.i4500
//把所提供的值（500）存入参数槽i所在的位置
    L_0006: starg.s i
    L_0008: ret
} 
.methodpublichidebysiginstancevoidTestRef(int32& i)cil managed
{
   .maxstack8
L_0000: nop
//把类型为int32的地址参数i装入堆栈
L_0001: ldarg.1
//把值100装入堆栈
L_0002: ldc.i4.s100
//把所提供的值（100）存入堆栈中的地址（i）
    L_0004: stind.i4
    L_0005: ret
}
.methodpublichidebysiginstancevoidTestOut([out] int32& i)cil managed
{
   .maxstack8
L_0000: nop
//把类型为int32的地址参数i装入堆栈
L_0001: ldarg.1
//把值200装入堆栈
L_0002: ldc.i4200
//把所提供的值（200）存入堆栈中的地址（i）
    L_0007: stind.i4
    L_0008: ret
}
可以看出，ref和out参数都被编译成地址了。对这些参数的操作，都是在操作其地址，而不是该参数的值，所以，对这些参数的更改，实际上就是更改了相应参数的地址所指向的值。另外，在函数体的内部，对ref和out参数操作的指令是完全相同的。而没有用ref的函数，对参数的操作其实就是对参数槽的操作，并不影响到参数本身。 
客户端调用的MSIL代码如下：
.localsinit (
        [0]classRefOutParamparam,
        [1] int32num,//int num;
……
//TestCase.TestRef(ref i);
    L_002d: ldloc.0
    L_002e: ldloca.s num //把num的地址装入堆栈
    L_0030: callvirtinstancevoid RefOutParam::TestRef(int32&)
// TestCase.TestOut(out i);
    L_0047: ldloc.0
    L_0048: ldloca.s num//把num的地址装入堆栈
    L_004a: callvirtinstancevoid RefOutParam::TestOut(int32&)
 
可以看出，客户端在调用具有ref/out参数的函数时，先取得参数的地址，然后把该地址传给被调用参数。
 
现在再看params、foreach和for，我们先看TestParam的MSIL代码：
.methodpublichidebysiginstancevoidTestParam(string[] Fields)cil managed
{
//变量定义
   .param[1]
   .custominstancevoid [mscorlib]System.ParamArrayAttribute::.ctor()
   .maxstack3
   .localsinit(
        [0] stringtext,
        [1] int32num,
        [2] string[]textArray,
        [3] int32num2,
        [4] boolflag)
    L_0000: nop
L_0001: nop
// textArray=Fields
    L_0002: ldarg.1
L_0003: stloc.2
//num2=0;
    L_0004: ldc.i4.0
L_0005: stloc.3
//goto L_0019
L_0006: br.s L_0019
//text=textArray[num2]
    L_0008: ldloc.2
    L_0009: ldloc.3
    L_000a: ldelem.ref
    L_000b: stloc.0
L_000c: nop
// Console.WriteLine(text)
    L_000d: ldloc.0
    L_000e: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
    L_0013: nop
L_0014: nop
// num2=num2+1
    L_0015: ldloc.3
    L_0016: ldc.i4.1
    L_0017: add
L_0018: stloc.3
//flag=num2<textArray.Length
    L_0019: ldloc.3
    L_001a: ldloc.2
    L_001b: ldlen
    L_001c: conv.i4
L_001d: clt
// if (flag) goto L_0008
    L_001f: stloc.s flag
    L_0021: ldloc.s flag
L_0023: brtrue.s L_0008
//num=0
    L_0025: ldc.i4.0
L_0026: stloc.1
// goto L_0037
L_0027: br.s L_0037
//textArray[num]=num.ToString()
    L_0029: ldarg.1
    L_002a: ldloc.1
    L_002b: ldloca.s num
    L_002d: callinstancestring [mscorlib]System.Int32::ToString()
L_0032: stelem.ref
//num=num+1
    L_0033: ldloc.1
    L_0034: ldc.i4.1
    L_0035: add
L_0036: stloc.1
// flag=num<textArray.Length
    L_0037: ldloc.1
    L_0038: ldarg.1
    L_0039: ldlen
    L_003a: conv.i4
L_003b: clt
L_003d: stloc.s flag
//if (flag) goto L_0027
    L_003f: ldloc.s flag
L_0041: brtrue.s L_0029
//返回
    L_0043: ret
}
可以看出，params参数，就是一个数组，而对于foreach和for，其实现都是一样的，都是通过goto跳转来实现，事实上，所有的循环都是这种机制。
我们再来看看客户端的调用情况：
先说TestCase.TestParam("001", "002", "003");
//定义
.localsinit (
[0]classRefOutParamparam
    ……
        [3] stringtext,
        [4]classRefOutParamparam2,
        [5] string[]textArray2,
……)   
// textArray2=new string[3]
    L_006c: ldloc.0
    L_006d: ldc.i4.3
    L_006e: newarr string
L_0073: stloc.s textArray2
// textArray2[0]=”001”
    L_0075: ldloc.s textArray2
    L_0077: ldc.i4.0
    L_0078: ldstr"001"
L_007d: stelem.ref
// textArray2[1]=”002”
    L_007e: ldloc.s textArray2
    L_0080: ldc.i4.1
    L_0081: ldstr"002"
L_0086: stelem.ref
// textArray2[2]=”003”
    L_0087: ldloc.s textArray2
    L_0089: ldc.i4.2
    L_008a: ldstr"003"
L_008f: stelem.ref
// param.TestParam(textArray2)
    L_0090: ldloc.s textArray2
    L_0092: callvirtinstancevoid RefOutParam::TestParam(string[]) 
可以看出，在调用具有params参数的函数的时候，客户端先把这些params参数转换为一个数组，然后把该数组传递给被调用的参数。所以，我们可以推想，如果我们传递一个数组给TestParam函数，那么，该数组的内容应该被改变。而后面的结果证明了我们的想法。 
现在，我们再看看lock关键字在MSIL中是如何实现的：
   .localsinit(
        [0]classRefOutParamparam,
    ……
        [4]classRefOutParamparam2
……
)
// param = new RefOutParam();
    L_0000: nop
    L_0001: newobjinstancevoid RefOutParam::.ctor()
L_0006: stloc.0
//parma2=param
    L_0007: ldloc.0
L_0008: dup
// lock (param2)
// {
//    ……
// }
    L_0009: stloc.s param2
L_000b: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object)
    ……
    L_00fc: leave.s L_0107
   ……
    L_0100: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object)
    L_0105: nop
    L_0106: endfinally
L_0107: nop  
可以看出，lock关键字，实际上就是调用System.Threading.Monitor的Enter，Exit函数，所以，在多线程环境中，想避免死锁时就可以考虑使用System.Threading.Monitor.TryEnter。
总结：我们可能从来都不需要用到MSIL，但了解MSIL可以让我们了解许多其他人所不知道的内幕。

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