Язык CIL: обработка исключений. Синтаксис ILASM

Инструкции CIL для обработки исключений

В CIL предусмотрено несколько инструкций, отвечающих за порождение исключений и передачу управления из обработчиков исключений.

Инструкции для генерации исключений

Инструкция throw (см. таблицу 3.46) генерирует исключение, включая тем самым механизм обработки исключений.

Диаграмма стека для инструкции throw:

... , obj -> ...

Объектная ссылка, которую инструкция throw потребляет со стека вычислений, должна указывать на объект в куче, описывающий исключение. Вообще говоря, в качестве такого объекта может выступать объект любого типа, в том числе упакованный тип-значение, но спецификация CLS требует, чтобы базовым классом для типа объекта-исключения являлся класс System.Exception.

Если при выполнении инструкции throw на стеке вычислений лежит нулевая ссылка, то генерируется исключение System.NullReferenceException.

Инструкция rethrow (см. таблицу 3.47) разрешена только внутри обработчика исключений с фильтрацией по типу и предназначена для генерации того же самого исключения, которое было поймано обработчиком.

Диаграмма стека для инструкции rethrow:

... -> ...

Инструкции передачи управления между блоками

Инструкции, представленные в таблице 3.48, являются аналогами инструкций безусловного перехода и используются для выхода из защищенных областей и областей обработчиков с фильтрацией. Необходимость существования этих инструкций обусловлена тем фактом, что обычные инструкции безусловного перехода не могут пересекать границы этих областей.

Диаграмма стека для инструкции leave:

... ->

Как видно из диаграммы, побочным эффектом при выполнении инструкции leave является очистка стека вычислений.

Инструкция endfinally (см. таблицу 3.49) используется для выхода из областей обработчиков без фильтрации. У нее есть псевдоним - endfault.

Диаграмма стека для инструкции endfinally:

... -> ...

Инструкция endfilter (см. таблицу 3.50) завершает область фильтра. Ее основная задача состоит в том, чтобы вернуть целое число (0 или 1). Значение 0 означает, что данное исключение не может быть обработано и нужно поискать другой обработчик. Значение 1 говорит о том, что нужно передать управление на обработчик.

Диаграмма стека для инструкции endfilter:

... , value -> ...

Правила размещения областей

Итак, в общем случае, предложение обработки исключений определяет три области в коде метода: область защищенного блока, область фильтра и область обработчика (фильтр может отсутствовать). Эти области должны быть расположены в соответствии с определенными правилами:

Ограничения на передачу управления

Передача управления внутрь защищенных областей, из них и между ними и их обработчиками регламентирована следующими правилами:

Семантика обработки исключений

Давайте рассмотрим последовательность действий, осуществляемую системой выполнения для обработки сгенерированного исключения.

Пусть в некотором методе инструкция, расположенная по некоторому адресу, породила исключение. Система выполнения обрабатывает это исключение в два этапа. Задача первого этапа - поиск подходящего для этого исключения обработчика с фильтрацией. Задача второго этапа - выполнение нужных обработчиков без фильтрации и передача управления найденному во время первого этапа обработчику с фильтрацией.

Выполнение первого этапа начинается с просмотра массива предложений обработки исключений, принадлежащего методу, где произошло исключение. В этом массиве осуществляется поиск такого предложения, что:

Таким образом, на первом этапе finally и fault-блоки пропускаются. Кроме того, происходит последовательный вызов фильтров для блоков с пользовательской фильтрацией.

Если в методе, внутри которого было сгенерировано исключение, не оказалось подходящего предложения обработки исключений, то система выполнения переходит на следующий метод в стеке вызовов (то есть, на метод, из которого данный метод был вызван). В следующем методе система выполнения продолжает искать нужное предложение, причем в качестве адреса инструкции, породившей исключение, используется адрес инструкции, вызывающей предыдущий метод.

Первый этап может завершиться либо нахождением подходящего предложения, либо обнаружением того факта, что подходящее предложение не существует на всей последовательности методов в стеке вызовов.

В первом случае система переходит к следующему этапу, а во втором - выполнение программы аварийно завершается.

На втором этапе система выполнения повторно просматривает массивы предложений, вызывая все обработчики без фильтрации. Она останавливается, когда доходит до предложения, найденного на первом этапе, после чего вызывает обработчик, описываемый этим предложением.

Синтаксис ILASM

В составе .NET Framework SDK поставляется ассемблер ILASM, который позволяет компилировать текстовые файлы, содержащие CIL-код и метаданные. В этом разделе мы проведем краткий обзор формата, в котором записываются эти файлы, и рассмотрим несколько примеров программ. Будем называть IL-форматом формат файлов, поддерживаемый ассемблером ILASM, а программы, записанные в IL-формате, - IL-программами.

Основные элементы лексики

Программы в IL-формате состоят из следующих лексических элементов:

Идентификаторы и метки чаще всего представляют последовательности символов, начинающиеся с латинской буквы (или с символов "_", "$", "@" и "?"), за которой следуют латинские буквы, цифры или символы "_", "$", "@" и "?". Кроме того, для идентификаторов и меток существует особая форма записи в апострофах: она позволяет включать в идентификаторы любые символы Unicode. Например:

Label_1 $Name 'Идентификатор'

Несколько идентификаторов могут быть объединены в один идентификатор с помощью точек. Например:

System.Console.WriteLine

Целочисленные константы записываются либо в десятичной системе счисления, либо в шестнадцатеричной (тогда перед ними ставится префикс "0x"). Например:

128 -10 0xFF10B000

В вещественных константах точка используется для разделения целой и дробной части, а символы "e" и "E" служат для указания экспоненциальной части. Кроме того, поддерживается особая форма записи float32 (целая_константа) и float64 (целая_константа), позволяющая представить целое число в виде числа с плавающей точкой. Например:

5.5 -1.05e10 float32(128) float64(50)

Строковые константы записываются в двойных кавычках и могут содержать Escape-последовательности "\t", "\n" и "\xxx", где восьмеричное число xxx задает код символа от 0 до 255. Для переноса строковой константы на другую строку программы используется символ "\". Кроме того, для строковых констант поддерживается операция конкатенации "+". Например:

"Alpha Beta Gamma" "Hello, World\n" "Concat"+"enation"

Комментарии в IL-программах записываются так же, как в языке C#:

Синтаксис

IL-программа представляет собой последовательность объявлений.

В этом разделе мы рассмотрим синтаксис объявлений следующих элементов IL-программы:

Сборки и модули

Каждый IL-файл для ассемблера ILASM представляет собой отдельный модуль сборки. Мы не будем касаться вопросов компиляции сборки, состоящей из нескольких модулей, поэтому приведем образец заголовка IL-файла для одномодульной сборки:

.assembly MyProgram { }
.module MyProgram.exe
.assembly extern mscorlib { }

В заголовке используются три директивы: директива ".assembly" позволяет задать имя нашей сборки. Директива ".module" определяет имя модуля и совпадает с именем исполняемого файла, в который будет записана откомпилированная сборка. Директива ".assembly extern" указывает, что мы будем импортировать сборку mscorlib, в которой находится основная часть библиотеки классов .NET. В фигурных скобках после имени сборки могут перечисляться свойства сборки, но в простейшем случае их можно оставить пустыми.

Типы

Объявление типа осуществляется с помощью директивы ".class" и состоит из четырех частей:

Последовательность атрибутов следует непосредственно после ключевого слова ".class". В таблице 3.51 приведен набор наиболее часто используемых атрибутов.

После атрибутов следует идентификатор, задающий имя объявляемого типа.

Если объявляемый тип наследует от какого-нибудь другого типа (базового класса), отличного от System.Object, то необходимо указать имя базового класса после ключевого слова "extends". При этом, если в качестве базового класса выбран System.ValueType, то объявляемый тип будет типом-значением.

Если объявляемый тип реализует методы каких-либо интерфейсов, то должен быть приведен список этих интерфейсов после ключевого слова "implements".

Рассмотрим несколько примеров:

.class public abstract MyAbstractClass
extends [mscorlib]System.Object
implements [mscorlib]System.Collections.IEnumerable
{ }

.class private interface MyInterface { }

.class public sealed MyValueType
  extends [mscorlib]System.ValueType
  { }

Обратите внимание, что перед именами библиотечных классов и интерфейсов в квадратных скобках указывается имя сборки, в которой они содержатся.

Поля

Поля объявляются внутри объявлений типов. Объявление поля осуществляется с помощью директивы ".field" и состоит из трех частей:

Последовательность атрибутов следует непосредственно после ключевого слова ".field". В таблице 3.52 приведен набор наиболее часто используемых атрибутов.

После атрибутов следует тип поля и идентификатор, задающий имя поля.

Рассмотрим несколько примеров:

.field private int32[] x

.field public class
[mscorlib]System.Collections.Hashtable table

Методы

Методы объявляются внутри объявлений типов. Объявление метода осуществляется с помощью директивы ".method" и состоит из пяти частей:

Последовательность атрибутов следует непосредственно после ключевого слова ".method". В таблице 3.53 приведен набор наиболее часто используемых атрибутов.

После атрибутов следует тип возвращаемого значения и идентификатор, задающий имя метода. Если метод не возвращает значения, в качестве типа возвращаемого значения указывается void. Конструкторы всегда имеют имя ".ctor", а статические конструкторы - ".cctor".

Список параметров метода следует за именем метода и заключается в круглые скобки. Для каждого параметра указывается его тип и имя.

Прежде чем перейти к рассмотрению синтаксиса объявлений тел методов, приведем несколько примеров заголовков методов:

.method public void .ctor
  (int32 x, class [mscorlib]System.String s)

.method private virtual int32 myMethod(int32 pX)

.method public static int32[] MyStaticMethod()

Тело метода заключается в фигурные скобки и содержит инструкции языка CIL. Каждая инструкция записывается на новой строке программы. Если нужно, то инструкции может предшествовать метка, отделяемая от инструкции двоеточием. Например:

Hello:	ldstr "Hello, World!"
  	call void [mscorlib]System.Console.WriteLine(string)

Кроме инструкций CIL тело метода может содержать директивы тела метода. Они перечислены в таблице 3.54.

Пример программы

Давайте рассмотрим пример программы, написанной прямо на CIL с использованием синтаксиса ILASM. Мы не станем приводить весь текст программы сразу, а будем рассматривать ее постепенно, по частям.

Естественно, наша программа будет начинаться с заголовка, объявляющего имена сборки и модуля и импортирующего стандартную библиотеку:

.assembly Sample1 { }
.module sample1.exe
.assembly extern mscorlib { }

Далее объявим тип-значение Point, реализующий понятие точки на плоскости. Он будет содержать два поля x и y типа float64, а также конструктор и статический метод, вычисляющий расстояние между двумя точками:

.class public sealed Point extends [mscorlib]System.ValueType
{
    .field public float64 x
    .field public float64 y
    .method public void .ctor (float64 x, float64 y)
    {
      .maxstack		3
      ldarg.0
      dup
      ldarg.1
      stfld  		float64 Point::x
      ldarg.2
      stfld  		float64 Point::y
      ret
    }
    .method public static float64 Distance
      (valuetype Point a, valuetype Point b)
    {
      .maxstack 	3
      ldarga  		a
      ldfld  		float64 Point::x
      ldarga  		b
      ldfld  		float64 Point::x
      sub
      dup
      mul
      ldarga  		a
      ldfld  		float64 Point::y
      ldarga  		b
      ldfld  		float64 Point::y
      sub
      dup
      mul
      add
      call  		float64 [mscorlib]System.Math::Sqrt(float64)
      ret
    }
}

А теперь объявим вспомогательный класс SampleClass, который будет содержать точку входа в нашу сборку. Метод Demo (точка входа) будет вычислять расстояние между точками (0.0,0.0) и (1.0,1.0) и выводить результат на экран:

.class public SampleClass
{
 .method public static void Demo()
 {
  .entrypoint
  .maxstack 3
  ldc.r8 	  0.0
  ldc.r8 	  0.0
  newobj 	  void Point::.ctor(float64,float64)
  ldc.r8 	  1.0
  ldc.r8 	  1.0
  newobj 	  void Point::.ctor(float64,float64)
  call 		  float64 Point::Distance(valuetype Point, valuetype Point)
  call 	  void [mscorlib]System.Console::WriteLine (float64)
  ret
   }
}

Откомпилируем нашу программу, которая записана в текстовом файле sample1.il. Подразумевается, что мы работаем в Windows и у нас переменная окружения path настроена таким образом, что программы ILASM и PEVERIFY можно вызывать без указания путей. Наберем в консоли команду:

ilasm sample1.il

Мы получим следующее сообщение от компилятора ILASM:

Microsoft (R) .NET Framework IL Assembler. Version 1.1.4322.573
Copyright (C) Microsoft Corporation 1998-2002. All rights reserved.
Assembling 'sample1.il', no listing file, to EXE --> 'sample1.EXE'
Source file is ANSI

Assembled method Point::.ctor
Assembled method Point::Distance
Assembled method SampleClass::Demo
Creating PE file
Emitting members:
Global
Class 1 Fields: 2;   Methods: 2;
Class 2 Methods: 1;
Resolving member refs: 9 -> 9 defs, 0 refs
Writing PE file
Operation completed successfully

Итак, наша программа успешно откомпилировалась и на диске появилась сборка sample1.exe. Попробуем провести ее верификацию:

peverify sample1.exe

В ответ верификатор выведет на экран:

Microsoft (R) .NET Framework PE Verifier Version 1.1.4322.573
Copyright (C) Microsoft Corporation 1998-2002. All rights reserved.

All Classes and Methods in sample1.exe Verified

Таким образом, сборка успешно прошла верификацию и мы можем рискнуть ее запустить:

sample1.exe

В результате на экран выводится расстояние между точками (0.0,0.0) и (1.0,1.0):

1, 4142135623731