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托管代码与非托管代码

众所周知,我们正常编程所用的高级语言,是无法被计算机识别的。需要先将高级语言翻译为机器语言,才能被机器理解和运行。
在标准C/C++中,编译过程是这样的:

源代码首先经过预处理器,对头文件以及宏进行解析,然后经过编译器,生成汇编代码,接着,经过汇编,生成机器指令,最后将所有文件连接起来。
这种编译方式的优点在于,最终直接生成了机器码,可以直接被计算机识别和运行,无需任何中间运行环境,但缺点也在于,由于不同平台能够识别的机器码不同,因此程序的跨平台能力较差。
而在Java语言中,源代码并没有被直接翻译成机器码,而是编译成了一种中间代码(字节码Bytecode)。因此,运行Java程序需要一个额外的JRE(Java Runtime Enviromental)运行环境,在JRE中存在着JVM(Java Virtual Mechinal,Java虚拟机),在程序运行的时候,会将中间代码进一步解释为机器码,并在机器上运行。
使用中间代码的好处在于,程序的跨平台性比较好,一次编译,可以在不同的设备上运行。
托管/非托管是微软的.net framework中特有的概念,其中,非托管代码也叫本地(native)代码。与Java中的机制类似,也是先将源代码编译成中间代码(MSIL,Microsoft Intermediate Language),然后再由.net中的CLR将中间代码编译成机器代码。
而C#与Java的区别在于,Java是先编译后解释,C#是两次编译。
托管的方式除了拥有跨平台的优点之外,对程序的性能也产生一定的影响。但程序性能不在本文讨论的范围,这里不在赘述。
此外,在.net中,C++也可以进行托管扩展,从而使C++代码也依赖于.net和CLR运行,获得托管代码的优势。

托管资源与非托管资源

在上一节中,我们讲到,托管代码与非托管代码相比,有下列不同:

  1. 编译运行过程不同
  2. 跨平台能力不同
  3. 程序性能不同

本节中,我们会涉及到托管和非托管的另一个区别:

  1. 释放资源的方式不同

在C/C++中,资源都是需要手动释放的,比如,你new了一个指针,用过之后就需要delete掉,否则就会造成内存泄露。
而在Java中,不必考虑资源释放的问题,Java的垃圾回收机制(GC,Garbage Collection)会保证失效的资源被自动释放。
而C#的机制与Java类似,运行于.net平台上的代码,分配的资源一般会自动由平台的垃圾回收器释放,这样的资源就是托管资源。
但是一些例外的资源,如System.IO.StreamReader等各种流、各种连接所分配的资源,需要显式调用Close()或Dispose()释放,这种资源就叫做非托管资源。

托管与非托管的混合编程

C#的三大难点之前传:什么时候应该使用C#?中我提到过,C#的一大优势在于Windows平台下的界面编程。但由于C#并不是很普及,经常出现底层或后台代码采用C/C++编写的情况,此时,若选择C#作为界面语言,则必然遇到一个C#调用C++代码的问题。
比较普遍的解决方案就是,先将C/C++的代码生成为DLL动态运行库,再在C#中调用。
举个例子
在C中:

  1. #include
  2. #include
  3. void DisplayHelloFromDLL()
  4. {
  5. printf ("Hello from DLL !\n");
  6. }
  7. void CallHelloFromDLL(char* cp)
  8. {
  9. printf (cp);
  10. printf ("\n");
  11. *cp='a';
  12. cp++;
  13. printf (cp);
  14. printf ("\n");
  15. }

在C#中:

  1. using System;
  2. using System.Collections.Generic;
  3. using System.Linq;
  4. using System.Text;
  5. namespace TestConsole
  6. {
  7. using System;
  8. using System.Runtime.InteropServices; // DLL support
  9. class Program
  10. {
  11. [DllImport(@"TestLib.dll")]
  12. public static extern void DisplayHelloFromDLL();
  13. [DllImport(@"TestLib.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
  14. public static extern void CallHelloFromDLL(StringBuilder s);
  15. static void Main()
  16. {
  17. Console.WriteLine("This is C# program");
  18. DisplayHelloFromDLL();
  19. StringBuilder sb = new StringBuilder(100);
  20. CallHelloFromDLL(sb);
  21. Console.WriteLine(sb);
  22. }
  23. }

在混合编程中,涉及了几个要点。

  1. 如何在DLL中将函数接口暴露出来?
    有两种方式,一种是采用__declspec(dllexport)的声明,另一种是编写额外的def文件,如

    1. ;导出DLL函数
    2. LIBRARY testLib
    3. EXPORTS
    4. DisplayHelloFromDLL
    5. CallHelloFromDLL
  2. DLL与C#之间如何进行数据传送?
    这个问题其实很复杂,像int,double这种基本的数据类型,是很好传递的。到了byte和char,就有点复杂了,更复杂的还有string和stringBuilder,以及结构体的传递等。
    若传递的是指针,有两种方法,一种是采用托管的方式,使用Intptr存储指针,并使用ref获得地址(&);另一种是在C#中编写非托管的代码,用unsafe声明:

    1. unsafe
    2. {
    3. //非托管代码
    4. }

    在非托管代码中,即可进行指针相关的操作。
    若传递的是函数指针,由于C#中没有函数指针的概念,因此采用委托(delegate)的方式。 
    若传递的是自定义结构体,也可以采用ref的方式传递。
    这个如果有机会的话,我会单独整理一下。

  3. extern “C”、CallingConvention =CallingConvention.Cdecl)等必要声明。
    这里面也牵涉到复杂的语言机制,本文不再赘述。

参考文献:
[译]C++, Java和C#的编译过程解析
编译原理

预处理器是在真正的编译开始之前由编译器调用的独立程序。预处理器可以删除注释、包含其他文件以及执行宏(宏macro是一段重复文字的简短描写)替代。

汇编大多是指汇编语言汇编程序。把汇编语言翻译机器语言的过程称为汇编。在汇编语言中,用助记符(Memoni)代替操作码,用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码,就把机器语言变成了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言。用汇编语言编写的程序,机器不能直接识别,要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言,这种起翻译作用的程序叫汇编程序,汇编程序是系统软件中语言处理的系统软件。

由于汇编更接近机器语言,能够直接对硬件进行操作,生成的程序与其他的语言相比具有更高的运行速度,占用更小的内存,因此在一些对于时效性要求很高的程序、许多大型程序的核心模块以及工业控制方面大量应用。

高级语言为什么不直接编译成机器码,而编译成汇编代码?

原创 2016年11月24日 13:55:56
  • 1353

1.一般的编译器,是先将高级语言转换成汇编语言(中间代码),然后在汇编的基础上优化生成OBJ目标代码,最后Link成可执行文件。

2.高级语言为什么不直接编译成机器码,而编译成汇编代码?

1)其中有一个好处是方便优化和调试,因为编译器也是工具,也是机器,毕竟是机器生成的程序,不可以非常完美的,而汇编是机器指令的助记 符,一个汇编指令就对应一条机器指令(特殊指令除外),调试起来肯定会比机器指令方便的方便,这样优化起来也方便。

2)高级语言只需要编译成汇编代码就可以了,汇编代码到机器码的转换是由硬件实现即可,有必要用软件实现这样分层可以有效地减弱编译器编写的复杂性,提高了效率.就像网络通 讯的实现需要分成很多层一样,主要目的就是为了从人脑可分析的粒度来减弱复杂性。

3)如果把高级语言的源代码直接编译成机器码的话,那要做高级语言到机器码之间的映射,如果这样做的话,每个写编译器的都必须熟练机 器码。这个不是在做重复劳动么?

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