.Net8顶级技术:边界检查之IR解析(慎入）
前言
C#这种语言之所以号称安全的，面向对象的语言。这个安全两个字可不是瞎叫的哦。因为JIT会检查任何可能超出分配范围的数值，以便使其保持在安全边界内。这里有两个概念，其一边界检查，其二IR解析。后者的生成是前者的功能的保证。啥叫IR，你以为的IL是中间语言，其实并不是，还有一层IR中间表象。.Net8的顶级技术之一（非专属），晓者寥寥。本篇来看看这两项技术。
概括
1.边界检查的缺陷
也叫循环提升，这里边界检查以数组的边界检查为例，看下C#代码
C# Code
using System.Runtime.CompilerServices;
class Program
{
static void Main()
{
int[] array = new int[10_000_000];
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
Test(array);
}
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
private static bool Test(int[] array)
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42)
{
return true;
}
}
return false;
}
}
JIT并不知道数组array[i]里面的i索引是否超过了array数组的长度。所以每次循环都会检查索引的大小，如果超过则报异常，不超过继续循环，这种功能就叫做边界检查。是.Net6 JIT自动加上去的，但是它有缺陷。
缺陷就在于，每次循环都检查，极大消耗了代码的运行效率。为了避免这种缺陷，是否可以在循环之前判断array数组的长度小于或者循环的最大值。通过这种一次性的判断，取代每次循环的判断，最大化提升代码运行效率。
在.Net8里面这种情况是可行的。
.Net8 JIT Machine Code
G_M000_IG01: ;; offset=0000H
4883EC28 sub rsp, 40
G_M000_IG02: ;; offset=0004H
33C0 xor eax, eax
4885C9 test rcx, rcx
7429 je SHORT G_M000_IG05
81790845230100 cmp dword ptr [rcx+08H], 0x12345
7C20 jl SHORT G_M000_IG05
0F1F40000F1F840000000000 align [12 bytes for IG03]
G_M000_IG03: ;; offset=0020H
8BD0 mov edx, eax
837C91102A cmp dword ptr [rcx+4*rdx+10H], 42
7429 je SHORT G_M000_IG08
FFC0 inc eax
3D45230100 cmp eax, 0x12345
7CEE jl SHORT G_M000_IG03
G_M000_IG04: ;; offset=0032H
EB17 jmp SHORT G_M000_IG06
G_M000_IG05: ;; offset=0034H
3B4108 cmp eax, dword ptr [rcx+08H]
7323 jae SHORT G_M000_IG10
8BD0 mov edx, eax
837C91102A cmp dword ptr [rcx+4*rdx+10H], 42
7410 je SHORT G_M000_IG08
FFC0 inc eax
3D45230100 cmp eax, 0x12345
7CE9 jl SHORT G_M000_IG05
G_M000_IG06: ;; offset=004BH
33C0 xor eax, eax
G_M000_IG07: ;; offset=004DH
4883C428 add rsp, 40
C3 ret
G_M00_IG08: ;; offset=0052H
B801000000 mov eax, 1
G_M000_IG09: ;; offset=0057H
4883C428 add rsp, 40
C3 ret
G_M000_IG10: ;; offset=005CH
E89F82C25F call CORINFO_HELP_RNGCHKFAIL
CC int3
; Total bytes of code 98
诚如上面所言，边界检查的判断放在了for循环的外面。if和else分成快速和慢速路径，前者进行了优化。逆向成C#代码如下
if(array!=null && array.length >=0x12345)//数组不能为空，且数组的长度不能小于循环的长度。否则可能边界溢出
{
for(int i=0;i<0x12345；i++)
{
if(array[i]==42)//这里不再检查边界
{
return true;
}
}
return false;
}
else
{
for(int i=0;i<0x2345；i++)
{
if(array[i]==42)//边界检查
return true;
}
return flase;
}
边界检查不是本节的重点，重点是这个边界检查是如何通过IR生成的,以及优化。因为IL代码里面并没有。
2.IR的生成
部分代码。常规的认为，C#的运行过程是：
C# Code->
IL ->
Machine Code
一般的认为，IL是中间语言，或者字节码。但是实际上还有一层在JIT里面。如下：
C# Code ->
IL ->
IR ->
Machine Code
这个IR是对IL进行各种骚操作。最重要的一点就是各种优化和变形。这里来看看IR是如何对IL进行边界检查优化的。
看下边界检查的核心IR代码：
***** BB02
STMT00002 ( 0x004[E-] ... 0x009 )
[000013] ---XG+----- * JTRUE void
[000012] N--XG+-N-U- \--* EQ int
[000034] ---XG+----- +--* COMMA int
[000026] ---X-+----- | +--* BOUNDS_CHECK_Rng void
[000008] -----+----- | | +--* LCL_VAR int V01 loc0
[000025] ---X-+----- | | \--* ARR_LENGTH int
[000007] -----+----- | | \--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000035] n---G+----- | \--* IND int
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000032] -----+----- | \--* ADD byref
[000023] -----+----- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0
[000031] -----+----- | \--* ADD long
[000029] -----+----- | +--* LSH long
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16
[000011] -----+----- \--* CNS_INT int 42
------------ BB03 [00D..019) -> BB02 (cond), preds={BB02} succs={BB04,BB02}
这种看着牛逼轰轰的代码，正是IR。从最里面看起，意思在注释里。
[000031] -----+----- | \--* ADD long //把LSH计算的结果加上16，这个16就是下面的CNS_INT long 16的16.
[000029] -----+----- | +--* LSH long //LSH表示把数组索引左移2位。这个2就是下面的CNS_INT long 2里面的2
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint//把数组索引的类型从uint转换转换成long类型
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0 //读取本地变量V01,实际上就是数组arrar的索引。
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2 //这个2是左移的位数
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16//被ADD相加的数值16
继续看
| \--* IND int
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[]
[000032] -----+----- | \--* ADD byref //把前面计算的结果与array数组的地址相加。实际上就是 array + i*4+-x10。一个索引占4个字节，methodtable和array.length各占8字节，这个表达式的结果就是索引位i的array的值，也就是array[i]这个数值。
[000023] -----+----- | +--* LCL_VAR ref V00 arg0 //获取本地变量V00的地址，这个地址实际上就是数组array的地址。
[000031] -----+----- | \--* ADD long
[000029] -----+----- | +--* LSH long
[000027] -----+---U- | | +--* CAST long <- uint
[000024] -----+----- | | | \--* LCL_VAR int V01 loc0
[000028] -----+-N--- | | \--* CNS_INT long 2
[000030] -----+----- | \--* CNS_INT long 16
继续看
[000013] ---XG+----- * JTRUE void //是或者否都进行相应的跳转
[000012] N--XG+-N-U- \--* EQ int //判断获取的array[i]是否等于42，这个42是CNS_INT int 42里的42
[000034] ---XG+----- +--* COMMA int //计算它的两个值，获取第二个值也就是array[i]
[000026] ---X-+----- | +--* BOUNDS_CHECK_Rng void
[000008] -----+----- | | +--* LCL_VAR int V01 loc0 //数组的索引i值
[000025] ---X-+----- | | \--* ARR_LENGTH int //获取数组长度
[000007] -----+----- | | \--* LCL_VAR ref V00 arg0 //数组的长度
[000035] n---G+----- | \--* IND int //获取array[i]的值
[000033] -----+----- | \--* ARR_ADDR byref int[] //获取刚刚array数组地址
//中间省略，上面已经写过了。
[000011] -----+----- \--* CNS_INT int 42
那么翻译成C# Code如下：
if(array[i]==42)
{
return true;
}
return false
这里还没有循环，因为循环在其它的Basic Block块，这里是BB02块。那么下面就是对着BB02进行优化变形，最终形成了如上边界检查去除所示的结果。关于这点，下篇再看。
结尾
作者:江湖评谈
原文：在此处
