Unity 深度理解C# 的执行原理及Unity跨平台 笔记

笔记

• 编译器的工作流水线：
• 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 （现代编译器会更复杂，比如优化）
• 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。
• C# 编译 CIL语言，放到CLR虚拟机内执行 （CIL，Common Intermediate Language，也叫 MSIL）
• .Net Framework定义：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
• 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。
• 理论上，你创造了一门语言，并且实现了所有平台下的编译器，就能跨语言了。

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原文

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。
链接（linking）解释：上一步骤的结果可能会引用外部的函数，把外部函数的代码（通常是后缀名为.lib和.a的文件），添加到可执行文件中，这就叫做链接。——两种，静态链接（编译时）和动态链接（runtime）。

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 add            break;
            case SUB:
            // todo subtract            break;
            // ...        }
    }
    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。

IL2CPP， IL2CPP VM

本 文的主角终于出来了：IL2CPP。有了上面的知识，大家很容易就理解其意义了：把IL中间语言转换成CPP文件。大家如果看明白了上面动态语言的 CLI， IL以及VM，再看到IL2CPP一定心中充满了疑惑。现在的大趋势都是把语言加上动态特性，哪怕是c++这样的静态语言，也出现了适合IL的c++编译 器，为啥Unity要反其道而行之，把IL再弄回静态的CPP呢？这不是吃饱了撑着嘛。根据本文最前面给出的Unity官方博客所解释的，原因有以下几 个：
1.Mono VM在各个平台移植，维护非常耗时，有时甚至不可能完成
Mono的跨平台是通过Mono VM实现的，有几个平台，就要实现几个VM，像Unity这样支持多平台的引擎，Mono官方的VM肯定是不能满足需求的。所以针对不同的新平 台，Unity的项目组就要把VM给移植一遍，同时解决VM里面发现的bug。这非常耗时耗力。这些能移植的平台还好说，还有比如WebGL这样基于浏览 器的平台。要让WebGL支持Mono的VM几乎是不可能的。
2.Mono版本授权受限
大家有没有意识到Mono的版本已经更新到3.X了，但是在Unity中，C#的运行时版本一直停留在2.8，这也是Unity社区开发者抱怨的最多一 条：很多C#的新特性无法使用。这是因为Mono 授权受限，导致Unity无法升级Mono。如果换做是IL2CPP，IL2CPP VM这套完全自己开发的组件，就解决了这个问题。
3.提高运行效率
根据官方的实验数据，换成IL2CPP以后，程序的运行效率有了1.5-2.0倍的提升

https://zhuanlan.zhihu.com/p/19972689

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