直接使用汇编编写 .NET Standard 库

前言

Common Language Runtime（CLR）是一个很强大的运行时，它接收 Common Intermediate Language（CIL） 的输入并最终产生机器代码并执行。CIL 在 CLR 上相当于 ASM 汇编代码的存在。

CLR 之上的语言 C#、F#、VB.NET 等语言的类型系统固然设计得不错，但是有的时候我们需要一些操作绕过类型系统的检查，或者有的时候语言本身并不能满足我们的需求。

需要使用 CIL 的常见场景：

1. 我们需要绕过类型系统，在类型系统上面 “开洞”。
2. 我们需要优化程序的性能，直接使用 CIL 编程可以如同使用汇编一样完全的控制程序的逻辑，对程序进行人肉优化。
3. 直接利用 C#、F# 等语言编译成的 CIL 有其独特的模式，容易被反编译软件从 CIL 还原为源代码，而如果直接采用 CIL 编程则很容易避开编译器生成代码的固有模式，使得代码无需进行任何混淆即可让所有反编译器失效。

需要注意：CLR 的 JIT 部分优化依赖于 CIL 的特定模式，直接采用 CIL 进行编程而不利用 C# 等语言的编译器生成特定模式的 CIL 可能导致优化失效，如向量化、模式匹配缓存和常数时间优化等，因此在直接使用 CIL 进行编程时最好对 CLR 的 JIT 有一定了解，以规避潜在的性能问题，JIT 的源代码在 https://github.com/dotnet/runtime/tree/master/src/coreclr/src/jit。

准备工作

首先我们创建一个 .NET Standard 项目：

mkdir MyILProject
cd MyILProject
dotnet new classlib

然后创建 global.json 和 nuget.config 文件用于配置 SDK：

dotnet new global
dotnet new nuget

将 global.json 的内容修改为如下，添加 IL SDK 来源：

{
  "msbuild-sdks": {
    "Microsoft.NET.Sdk.IL": "3.0.0-preview-27318-01"
  }
}

然后打开 nuget.config，将内容修改如下，添加 .net core myget 源：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<configuration>
  <packageSources>
    <add key="dotnet-core" value="https://dotnet.myget.org/F/dotnet-core/api/v3/index.json" />
  </packageSources>
</configuration>

之前创建的为 C# 类库项目，但是我们此时需要的是 IL 类库项目，因此将 MyILProject.csproj 文件重命名为 MyILProject.ilproj。

打开 MyILProject.ilproj 文件，引入 IL SDK，并添加一系列的属性（如：输出类型、优化选项、工具链等）：

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk.IL">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>Library</OutputType>
    <TargetFramework>netstandard2.1</TargetFramework>
    <DebugOptimization>IMPL</DebugOptimization>
    <DebugOptimization Condition="'$(Configuration)' == 'Release'">OPT</DebugOptimization>
    <MicrosoftNetCoreIlasmPackageVersion>3.0.0-preview-27318-01</MicrosoftNetCoreIlasmPackageVersion>
  </PropertyGroup>
  
</Project>

至此，万事俱备

第一个文件

我们删除掉原有的 C# 代码文件 Class1.cs，创建代码文件 Class1.il，并添加以下 CIL 代码并保存：

.assembly MyILProject
{
    .ver 1:0:0:0
}

.module MyILProject.dll

.class public auto ansi sealed MyILProject.Class1
  extends [System]System.Object
{
  .method public hidebysig static int32 Hello(int32) cil managed
  {
    .maxstack 4
    
    ldstr "Hello World!"
    call void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)

    ldarg.0
    ret
  }
}

以上代码中，.assembly 标识了程序集名称，.module 标识了模块名称，一般来说这两个名字和项目名称保持一致。

然后我们创建了一个 class Class1，位于 MyILProject 这个 namespace 下，该 class 为 public sealed 的，且继承自 System.Object。

最后我们添加了一个静态方法 int Hello(int)，该方法调用 System.Console.WriteLine 输出字符串 Hello world!，然后加载参数的值后返回该值。

测试代码

我们在上级目录创建一个测试项目试试：

cd ..
mkdir Test
cd Test
dotnet new console
dotnet add reference ../MyILProject

然后修改 Program.cs：

using System;
using MyILProject;

namespace Test
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(Class1.Hello(25));
        }
    }
}

运行

dotnet run

可以看到输出为：

Hello world!
25

与我们所期望的一致。

然后我们试一下实例化 Class1：

var x = new Class1();

却发现报错：

Program.cs(10,28): error CS1729: 'Class1' does not contain a constructor that takes 0 arguments [...Test.csproj]

这是因为，我们没有为这个类创建构造方法，那么很简单，我们只需要加一个构造方法即可，要注意构造方法特有的方法名为 .ctor：

.method public hidebysig specialname rtspecialname instance void .ctor () cil managed 
{
  .maxstack 8
    
  ldarg.0
  call instance void [System.Private.CoreLib]System.Object::.ctor()
  nop
  ret
}

然后就可以成功调用了！

添加引用

你会发现一个问题，上述代码虽然能正常运行，但是编译的时候却存在警告：

Class.il(9): warning : Reference to undeclared extern assembly 'mscorlib'. Attempting autodetect [...MyILProject.ilproj]      
Class.il(15): warning : Reference to undeclared extern assembly 'System.Console'. Attempting autodetect [...MyILProject.ilproj]
Class.il(26): warning : Reference to undeclared extern assembly 'System.Private.CoreLib'. Attempting autodetect [...MyILProject.ilproj]

这是因为我们并没有声明我们引入的库 mscorlib，System.Console 和 System.Provate.CoreLib，所幸的是，因为这些是 .NET Core SDK 中自带的库因此编译器可以自动查找并补上引用，所以没有报错，否则运行的时候会抛出异常： System.IO.FileNotFoundException: Could not load file or assembly xxxxx

如果想消除这些警告，我们可以创建一个头文件引用这些库，然后在 CIL 代码文件的头部 #include 头文件，示例如下：

在 MyILProject 中新建 include 文件夹，创建一个 include.h：

.assembly extern System.Runtime
{
  .publickeytoken = ( B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )
  .ver 4:0:0:0
}

.assembly extern System.Console
{
  .publickeytoken = ( B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )
  .ver 4:0:0:0
}

.assembly extern System.Private.CoreLib
{
  .publickeytoken = ( B0 3F 5F 7F 11 D5 0A 3A )
  .ver 4:0:0:0
}

然后在 Class1.il 头部加一行 #include "include.h" 包含该文件。

最后修改 MyILProject.ilproj，将 include 文件夹加入 INCLUDE 查找目录（-INCLUDE=...）：

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk.IL">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>Library</OutputType>
    <TargetFramework>netstandard2.1</TargetFramework>
    <DebugOptimization>IMPL</DebugOptimization>
    <DebugOptimization Condition="'$(Configuration)' == 'Release'">OPT</DebugOptimization>
    <MicrosoftNetCoreIlasmPackageVersion>3.0.0-preview-27318-01</MicrosoftNetCoreIlasmPackageVersion>
    <IlasmFlags>$(IlasmFlags) -INCLUDE=include</IlasmFlags>
  </PropertyGroup>
  
</Project>

这次我们再次尝试编译，就不会报错了。

CLI

上面的内容只简单的使用了一些 CIL 语法，然而 CIL 也是非常强大的，包含有很多内容，具体可以参考 Common Language Infrastructure（CLI），这部分的内容包含在标准 ECMA-355 中，截至本文发布，最新的 CLI 标准版本是 2012 年发布的第六版。

ECMA-355：https://www.ecma-international.org/publications/standards/Ecma-335.htm ，欢迎各位读者前去阅读。

应用案例

.NET BCL 中提供了一个特殊的库：System.Runtime.CompilerServices.Unsafe，这个库允许你无视 C# 的类型系统进行各种类型转换等的骚操作，这是你用 C# 无论如何都不可能写出来的，官方也知道这一点，因此该库完全是直接使用 CIL 编写的，源代码可参考：https://github.com/dotnet/runtime/blob/master/src/libraries/System.Runtime.CompilerServices.Unsafe/src/System.Runtime.CompilerServices.Unsafe.il