1、编译原理
2、mono 和IL2CPP 对c# 的支持
3、JIT 和AOT区别
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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。
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