【转】深度理解C# 的执行原理

转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/47177008

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 Mono
Unity3D 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 addbreak;case SUB:// todo subtractbreak;// ...}}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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