.NET 动态编译技术解析

.NET框架中,动态编译技术允许开发者在运行时创建和执行代码。这种技术的核心是MSIL(Microsoft Intermediate Language),它是.NET程序编译后的中间语言,由JIT编译器在运行时转换为机器代码。本文将介绍如何利用.NET的Reflection.Emit命名空间动态生成代码,并使用ildasm.exe工具查看生成的MSIL代码。

MSIL简介

MSIL是.NET框架的中间语言,所有.NET语言(如C#和VB.NET)编写的代码最终都会被编译成MSIL。MSIL是一种低级别的语言,执行效率高,允许开发者对程序有更精细的控制。虽然本文不会深入探讨MSIL的细节,但有兴趣的读者可以通过文末提供的链接了解更多信息。

动态编译的场景中,用户输入一个符合特定语法的表达式,该表达式会被转换成一个小型的.NET程序并执行,输出结果。这个过程涉及到解析器(parser)和编译器(compiler),解析器将输入的字符序列转换成一个层次化的解析树,然后按照一定的顺序评估这些节点。

解析和编译过程

以表达式“3 * 2 + 1”为例,解析器首先将数字3和2压入栈中,然后执行乘法操作,将结果6压回栈中。接着,将数字1压入栈中,执行加法操作,最终将结果7压回栈中。最后,return命令将栈顶的值7返回作为结果。

使用Reflection.Emit动态生成代码

.NET框架提供了Reflection.Emit命名空间,它允许在运行时动态创建.NET类型,并将MSIL指令插入到这些类型的方法体中。这种动态代码生成的能力为开发者提供了极大的灵活性。

动态编译的实现

在本项目中,定义了两个类:RuleParser和MsilParser。RuleParser是一个抽象的解析类,包含了特定语法的解析逻辑。MsilParser则实现了将表达式编译成MSIL代码的功能。

RuleParser类负责解析输入的表达式,但不执行任何操作。当解析到特定的token时,它会调用对应的抽象方法,如matchAdd()。具体的语义动作由具体的子类实现。

MsilParser类通过实现所有必要的token函数并发出相应的IL指令来编译表达式。例如,matchAdd()函数简单地插入一个Add指令。当匹配到变量时,使用Ldstr指令加载变量名,然后调用GetVar方法。

protected override void matchAdd() { this.il.Emit(OpCodes.Add); } protected override void matchVar() { string s = tokenValue.ToString(); il.Emit(OpCodes.Ldstr, s); il.Emit(OpCodes.Call, typeof(MsilParser).GetMethod("GetVar", new Type[] { typeof(string) })); }

编译MSIL代码

在所有token设置完成后,可以调用MsilParser类的CompileMsil()方法,该方法运行解析器并使用Reflection.Emit命名空间的AssemblyBuilder类返回编译后的.NET类型。

public Type CompileMsil(string expr) { string assemblyName = "Expression"; string modName = "expression.dll"; string typeName = "Expression"; string methodName = "RunExpression"; AssemblyName name = new AssemblyName(assemblyName); AppDomain domain = System.Threading.Thread.GetDomain(); AssemblyBuilder builder = domain.DefineDynamicAssembly(name, AssemblyBuilderAccess.RunAndSave); ModuleBuilder module = builder.DefineDynamicModule(modName, true); TypeBuilder typeBuilder = module.DefineType(typeName, TypeAttributes.Public | TypeAttributes.Class); MethodBuilder methodBuilder = typeBuilder.DefineMethod(methodName, MethodAttributes.HideBySig | MethodAttributes.Static | MethodAttributes.Public, typeof(Object), new Type[] { }); ILGenerator ilGenerator = methodBuilder.GetILGenerator(); this.il = ilGenerator; this.Run(expr); this.il.Emit(OpCodes.Conv_R8); this.il.Emit(OpCodes.Box, typeof(Double)); this.il.Emit(OpCodes.Ret); Type myClass = typeBuilder.CreateType(); builder.Save(modName); return myClass; }

性能优势

通过预编译表达式到IL,只需要解析一次表达式,而不是每次评估时都解析。虽然这个例子只使用了单个表达式,但在实际应用中,可以预编译数千个表达式,并按需执行。此外,代码被打包成一个.NETDLL,可以随意使用。这个示例可以在不到0.03秒的时间内执行超过100万次!

使用示例项目

示例项目允许在左上角的文本框中输入一个表达式。当点击“解析”时,表单将解析表达式并创建一个包含编译代码的.NET程序集。然后,程序将调用该函数指定的次数,并显示执行所需的时间。最后,程序将程序集保存为expression.dll,并运行Microsoft的ildasm.exe来输出程序集的完整MSIL代码,以便可以看到为程序生成的代码。

性能考虑

MsilParser em = new MsilParser(); Type t = em.CompileMsil(textBox1.Text); MethodInfo m = t.GetMethod("RunExpression"); Delegate d = Delegate.CreateDelegate(typeof(MsilParser.ExpressionInvoker), m); MsilParser.ExpressionInvoker method = (MsilParser.ExpressionInvoker)d; Object result = method();

调用ILDASM.EXE

string modName = "expression.dll"; Process p = new Process(); p.StartInfo.FileName = "ildasm.exe"; p.StartInfo.Arguments = "/text /nobar \"" + modName; p.StartInfo.UseShellExecute = false; p.StartInfo.CreateNoWindow = true; p.StartInfo.RedirectStandardOutput = true; p.StartInfo.WindowStyle = ProcessWindowStyle.Hidden; p.Start(); string s = p.StandardOutput.ReadToEnd(); p.WaitForExit(); p.Close(); txtMsil.Text = s;
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