认识元数据和IL（中）<第四篇>

书接上回[第二十四回：认识元数据和IL（上）]，我们对PE文件、程序集、托管模块，这些概念与元数据、IL的关系进行了必要的铺垫，同时顺便熟悉了以ILDASM工具进行反编译的基本方法认知，下面是时候来了解什么是元数据，什么是IL这个话题了，我们继续。

很早就有说说Metadata（元数据）和IL（中间语言）的想法了，一直在这篇开始才算脚踏实地的对这两个阶级兄弟投去些细关怀，虽然来得没有《第一回：恩怨情仇：is和as》那么迅速，但是Metadata和IL却是绝对重量级的内容，值得我们在任何时间关注，本文就是开始。

3 元数据是什么？

元数据，就是描述数据的数据。这一概念并非CLR之独创，Metadata存在于任何对数据和数据关系中，例如程序集清单信息也被称为程序集元数据。而不同系统的元数据也相应具有本身的特点，.NET元数据也是如此。那么，CLR元数据描述的是哪些内容呢？正如前文的描述一样，编译之后，类型信息将以元数据的形式保存在PE格式文件中。.NET是基于面向对象的，所以元数据描述的主要目标就是面向对象的基本元素：类、类型、属性、方法、字段、参数、特性等，主要包括：

定义表，描述了源代码中定义的类型和成员信息，主要包括：TypeDef、MehodDef、FieldDef、ModuleDef、PropertyDef等。

引用表，描述了源代码中引用的类型和成员信息，引用元素可以是同一程序集的其他模块，也可以是不同程序集的模块，主要包括：AssemblyRef、TypeRef、ModuleRef、MethodsRef等。

指针表，使用指针表引用未知代码，主要包括：MethodPtr、FieldPtr、ParamPtr等。

堆，以stream的形式保存的信息堆，主要包括：#String、#Blob、#US、#GUIDe等。

如前文所述，我们以ILDasm.exe可以通过反编译的方式，通过执行Ctrl+M快捷键来获取该程序集所使用的MetaData信息列表，在.NET中每个模块包含了44个CLR元数据表，如下：

然后是6个命名堆：

Note：对于#String和#US，一个简单的区别就是：

string　hello　=　"Hello,　World";

变量hello名，将保存在#String，而代码中字符串信息“Hello, World”则被保存在#US中。

关于元数据信息的详细描述，例如每个表包含哪些列，不同表间的关系，请参考[Standard ECMA-335]和[The .NET File Format]。

在PE文件格式中，Metadata有着复杂的结构，我试图以数据库管理数据的角度出发来理解元数据的结构和关系，所以表示元数据的逻辑结构被成为元数据表，类似于数据库表有主键和Sechema，元数据表以RID（表索引）和元-元数据表示类同的概念，以TypeDef表为例，通过数据引用关系同时与Field、Method、TypeRef等表发生关联，其他表间又有类似的关系，从而形成一个复杂的类数据库结构：

因此，元数据是保存了类型的编译后数据，是.NET程序运行的基础，我们可以在运行时动态的以反射的方式获取元数据信息，而这些信息在.NET Framework中以System.Type、MethodInfo等封装，例如截取MSDN中一个类间关系的简单示例：

对于每个CLR类型而言都可以通过Object.GetType方法返回其Type，从而任意的取到所有的运行时元数据信息：

//　Release　:　code04,　2009/02/21
//　Author　:　Anytao,　http://www.anytao.com
//　List　　:　Program.cs
private　static　void　ShowMemberInfo()
{
　　 var　assems　=　AppDomain.CurrentDomain.GetAssemblies();

　　 foreach　(Assembly　ass　in　assems)
　　 {
　　　　 foreach　(Type　t　in　ass.GetTypes())
　　　　 {
　　　　　　 foreach　(MemberInfo　mi　in　t.GetMembers())
　　　　　　 {
　　　　　　　　 Console.WriteLine("Name:{0},　Type:{1}",　mi.Name,　mi.MemberType.ToString());
　　　　　　 }
　　　　 }
　　 }
}

执行上述方法，将获取一个长长的列表，看到很多熟悉的符号:-)

4 IL是什么？

IL，又称为CIL或者MSIL，翻译为中文就是中间语言，由ECMA组织（Standard ECMA-335）提供完整的定义和规范。顾名思义，中间语言正如它的名称所言，任何与CLR兼容的编译器所生成的都是中间语言代码，这是实现CLR跨语言的基础结构之一。IL就像一座桥梁，其指令集独立于CPU指令而存在，可以由JIT编译器在运行时翻译为本地代码执行，连接了任何遵守CLS规范的高级语言，为.NET平台提供了最基本的支持。在[你必须知道的.NET]一书中，我用一整章（第3章 “一切从IL开始”)的篇幅对IL的基本内容进行了相应的介绍，所以关于IL的基础内容例如基本类型、IL分析方法、常见指令、基本运算等，就不在本文有所赘述，只对IL基本内容进行一点小结：

IL是一种面向对象的机器语言，因此具有面向对象语言的所有特性，类、对象、继承、多态等仍然是IL语言的基本概念。

IL指令独立于CPU指令，CLR通过JIT编译机制将其转换为本地代码。

IL和元数据是了解CLR运行机制的重要内容，对于我们打开CLR神秘面纱有着重要的意义。

如前文[初次接触]部分论述的一样，可以通过ILDasm.exe或者Reflector工具对托管代码执行反编译来查看其IL代码，对于很多情况下IL代码分析可以解决很多高级语言隐藏的语法糖游戏，例如C#3.0提出的自动属性、隐式类型、匿名类型、扩展方法等都可以很快从IL分析中找到答案，所以适当的了解IL是必要的。那么我们在下面JIT编译时的一个片段来了解IL代码对于托管程序执行的作用。

另外，Metadata描述了静态的结构，而IL阐释了动态的执行，而IL代码是通过一个4字节大小的地址引用元数据表的。该引用被称为元数据符号（Metadata Token，也就是记录元数据表的位置信息），在ILdasm.exe工具中选中“Show token values”，就可以在IL代码中看到IL代码通过Metadata Token引用元数据表的情况：

.method　/*06000003*/　private　hidebysig　static
　　　　 void　Main(string[]　args)　cil　managed
{
　 .entrypoint
　 //　Code　size　　　　36　(0x24)
　 .maxstack　2
　 .locals　/*11000002*/　init　([0]　int32　id,
　　　　　　 [1]　class　Anytao.Insidenet.MetadataIL.One/*02000004*/　one,
　　　　　　 [2]　class　Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two/*02000002*/　two)
　 IL_0000:　nop
　 IL_0001:　ldc.i4.1
　 IL_0002:　stloc.0
　 IL_0003:　newobj　　　instance　void　Anytao.Insidenet.MetadataIL.One/*02000004*/::.ctor()　/*　06000007　*/
　 IL_0008:　stloc.1
　 IL_0009:　ldloc.1
　 IL_000a:　ldloc.0
　 IL_000b:　callvirt　　instance　void　Anytao.Insidenet.MetadataIL.One/*02000004*/::set_ID(int32)　/*　06000006　*/
　 IL_0010:　nop
　 IL_0011:　newobj　　　instance　void　Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two/*02000002*/::.ctor()　/*　06000002　*/
　 IL_0016:　stloc.2
　 IL_0017:　ldloc.2
　 IL_0018:　callvirt　　instance　string　Anytao.Insidenet.MetadataIL.Two/*02000002*/::SayHello()　/*　06000001　*/
　 IL_001d:　call　　　　void　[mscorlib/*23000001*/]System.Console/*01000012*/::WriteLine(string)　/*　0A000011　*/
　 IL_0022:　nop
　 IL_0023:　ret
}　//　end　of　method　Program::Main

其中，按照ECMA定义的规范，元数据第一个字节表示引用的元数据表，而其余三个字节则表示在相应元数据表中的记录，例如06000003表示了引用了MethodDef（06）表的000003项Main方法。

我们可以通过Type的MetadataToken属性在运行时反射获取类型的元数据符号，例如：

static　void　Main(string[]　args)
{
　　 Console.WriteLine(typeof(One).MetadataToken);
}

有了上述所有的准备，我们就可以着手分析元数据和IL在程序执行时的角色和关联。

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