Java 程序員必須了解的計(jì)算機(jī)底層知識(shí)

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會(huì)給大家?guī)?lái)有關(guān)Java 程序員必須了解的計(jì)算機(jī)底層知識(shí)，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

我們每個(gè)程序員或許都有一個(gè)夢(mèng)，那就是成為大牛，我們或許都沉浸在各種框架中，以為框架就是一切，以為應(yīng)用層才是最重要的，你錯(cuò)了。在當(dāng)今計(jì)算機(jī)行業(yè)中，會(huì)應(yīng)用是基本素質(zhì)，如果你懂其原理才能讓你在行業(yè)中走的更遠(yuǎn)，而計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)又是重中之重。下面，跟隨我的腳步，為你介紹一下計(jì)算機(jī)底層知識(shí)。

CPU

還不了解 CPU 嗎？現(xiàn)在就帶你了解一下 CPU 是什么

CPU 的全稱是 Central Processing Unit，它是你的電腦中最硬核的組件，這種說(shuō)法一點(diǎn)不為過(guò)。CPU 是能夠讓你的計(jì)算機(jī)叫計(jì)算機(jī)的核心組件，但是它卻不能代表你的電腦，CPU 與計(jì)算機(jī)的關(guān)系就相當(dāng)于大腦和人的關(guān)系。CPU 的核心是從程序或應(yīng)用程序獲取指令并執(zhí)行計(jì)算。此過(guò)程可以分為三個(gè)關(guān)鍵階段：提取，解碼和執(zhí)行。CPU從系統(tǒng)的主存中提取指令，然后解碼該指令的實(shí)際內(nèi)容，然后再由 CPU 的相關(guān)部分執(zhí)行該指令。

CPU 內(nèi)部處理過(guò)程

下圖展示了一般程序的運(yùn)行流程（以 C 語(yǔ)言為例），可以說(shuō)了解程序的運(yùn)行流程是掌握程序運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)和前提。

在這個(gè)流程中，CPU 負(fù)責(zé)的就是解釋和運(yùn)行最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言的內(nèi)容。

CPU 主要由兩部分構(gòu)成：控制單元 和 算術(shù)邏輯單元（ALU）

• 控制單元：從內(nèi)存中提取指令并解碼執(zhí)行
• 算數(shù)邏輯單元（ALU）：處理算數(shù)和邏輯運(yùn)算

CPU 是計(jì)算機(jī)的心臟和大腦，它和內(nèi)存都是由許多晶體管組成的電子部件。它接收數(shù)據(jù)輸入，執(zhí)行指令并處理信息。它與輸入/輸出（I / O）設(shè)備進(jìn)行通信，這些設(shè)備向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)和從 CPU 接收數(shù)據(jù)。

從功能來(lái)看，CPU 的內(nèi)部由寄存器、控制器、運(yùn)算器和時(shí)鐘四部分組成，各部分之間通過(guò)電信號(hào)連通。

• 寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。它們可以用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和地址?？梢詫⑵淇醋魇莾?nèi)存的一種。根據(jù)種類的不同，一個(gè) CPU 內(nèi)部會(huì)有 20 - 100個(gè)寄存器。
• 控制器負(fù)責(zé)把內(nèi)存上的指令、數(shù)據(jù)讀入寄存器，并根據(jù)指令的結(jié)果控制計(jì)算機(jī)
• 運(yùn)算器負(fù)責(zé)運(yùn)算從內(nèi)存中讀入寄存器的數(shù)據(jù)
• 時(shí)鐘 負(fù)責(zé)發(fā)出 CPU 開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)

CPU 是一系列寄存器的集合體

在 CPU 的四個(gè)結(jié)構(gòu)中，我們程序員只需要了解寄存器就可以了，其余三個(gè)不用過(guò)多關(guān)注，為什么這么說(shuō)？因?yàn)槌绦蚴前鸭拇嫫髯鳛閷?duì)象來(lái)描述的。

不同類型的 CPU ，其內(nèi)部寄存器的種類，數(shù)量以及寄存器存儲(chǔ)的數(shù)值范圍都是不同的。不過(guò)，根據(jù)功能的不同，可以將寄存器劃分為下面這幾類

其中程序計(jì)數(shù)器、累加寄存器、標(biāo)志寄存器、指令寄存器和棧寄存器都只有一個(gè)，其他寄存器一般有多個(gè)。

下面就對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行說(shuō)明

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器(Program Counter)是用來(lái)存儲(chǔ)下一條指令所在單元的地址。

程序執(zhí)行時(shí)，PC的初值為程序第一條指令的地址，在順序執(zhí)行程序時(shí)，控制器首先按程序計(jì)數(shù)器所指出的指令地址從內(nèi)存中取出一條指令，然后分析和執(zhí)行該指令，同時(shí)將PC的值加1指向下一條要執(zhí)行的指令。

我們還是以一個(gè)事例為準(zhǔn)來(lái)詳細(xì)的看一下程序計(jì)數(shù)器的執(zhí)行過(guò)程

這是一段進(jìn)行相加的操作，程序啟動(dòng)，在經(jīng)過(guò)編譯解析后會(huì)由操作系統(tǒng)把硬盤(pán)中的程序復(fù)制到內(nèi)存中，示例中的程序是將 123 和 456 執(zhí)行相加操作，并將結(jié)果輸出到顯示器上。

地址 0100 是程序運(yùn)行的起始位置。Windows 等操作系統(tǒng)把程序從硬盤(pán)復(fù)制到內(nèi)存后，會(huì)將程序計(jì)數(shù)器作為設(shè)定為起始位置 0100，然后執(zhí)行程序，每執(zhí)行一條指令后，程序計(jì)數(shù)器的數(shù)值會(huì)增加1（或者直接指向下一條指令的地址），然后，CPU 就會(huì)根據(jù)程序計(jì)數(shù)器的數(shù)值，從內(nèi)存中讀取命令并執(zhí)行，也就是說(shuō)，程序計(jì)數(shù)器控制著程序的流程。

條件分支和循環(huán)機(jī)制

高級(jí)語(yǔ)言中的條件控制流程主要分為三種：順序執(zhí)行、條件分支、循環(huán)判斷三種，順序執(zhí)行是按照地址的內(nèi)容順序的執(zhí)行指令。條件分支是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令。循環(huán)是重復(fù)執(zhí)行同一地址的指令。

• 順序執(zhí)行的情況比較簡(jiǎn)單，每執(zhí)行一條指令程序計(jì)數(shù)器的值就是+ 1
• 條件和循環(huán)分支會(huì)使程序計(jì)數(shù)器的值指向任意的地址，這樣一來(lái)，程序便可以返回到上一個(gè)地址來(lái)重復(fù)執(zhí)行同一個(gè)指令，或者跳轉(zhuǎn)到任意指令。

下面以條件分支為例來(lái)說(shuō)明程序的執(zhí)行過(guò)程（循環(huán)也很相似）

程序的開(kāi)始過(guò)程和順序流程是一樣的，CPU 從0100處開(kāi)始執(zhí)行命令，在0100和0101都是順序執(zhí)行，PC 的值順序+1，執(zhí)行到0102地址的指令時(shí)，判斷0106寄存器的數(shù)值大于0，跳轉(zhuǎn)（jump）到0104地址的指令，將數(shù)值輸出到顯示器中，然后結(jié)束程序，0103 的指令被跳過(guò)了，這就和我們程序中的 if() 判斷是一樣的，在不滿足條件的情況下，指令會(huì)直接跳過(guò)。所以 PC 的執(zhí)行過(guò)程也就沒(méi)有直接+1，而是下一條指令的地址。

標(biāo)志寄存器

條件和循環(huán)分支會(huì)使用到 jump（跳轉(zhuǎn)指令），會(huì)根據(jù)當(dāng)前的指令來(lái)判斷是否跳轉(zhuǎn)，上面我們提到了標(biāo)志寄存器，無(wú)論當(dāng)前累加寄存器的運(yùn)算結(jié)果是正數(shù)、負(fù)數(shù)還是零，標(biāo)志寄存器都會(huì)將其保存

CPU 在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，標(biāo)志寄存器的數(shù)值會(huì)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算的結(jié)果自動(dòng)設(shè)定，運(yùn)算結(jié)果的正、負(fù)和零三種狀態(tài)由標(biāo)志寄存器的三個(gè)位表示。標(biāo)志寄存器的第一個(gè)字節(jié)位、第二個(gè)字節(jié)位、第三個(gè)字節(jié)位各自的結(jié)果都為1時(shí)，分別代表著正數(shù)、零和負(fù)數(shù)。

CPU 的執(zhí)行機(jī)制比較有意思，假設(shè)累加寄存器中存儲(chǔ)的 XXX 和通用寄存器中存儲(chǔ)的 YYY 做比較，執(zhí)行比較的背后，CPU 的運(yùn)算機(jī)制就會(huì)做減法運(yùn)算。而無(wú)論減法運(yùn)算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負(fù)數(shù)，都會(huì)保存到標(biāo)志寄存器中。結(jié)果為正表示 XXX 比 YYY 大，結(jié)果為零表示 XXX 和 YYY 相等，結(jié)果為負(fù)表示 XXX 比 YYY 小。程序比較的指令，實(shí)際上是在 CPU 內(nèi)部做減法運(yùn)算。

函數(shù)調(diào)用機(jī)制

接下來(lái)，我們繼續(xù)介紹函數(shù)調(diào)用機(jī)制，哪怕是高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，函數(shù)調(diào)用處理也是通過(guò)把程序計(jì)數(shù)器的值設(shè)定成函數(shù)的存儲(chǔ)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。函數(shù)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令后，必須進(jìn)行返回處理，單純的指令跳轉(zhuǎn)沒(méi)有意義，下面是一個(gè)實(shí)現(xiàn)函數(shù)跳轉(zhuǎn)的例子

圖中將變量 a 和 b 分別賦值為 123 和 456 ，調(diào)用 MyFun(a,b) 方法，進(jìn)行指令跳轉(zhuǎn)。圖中的地址是將 C 語(yǔ)言編譯成機(jī)器語(yǔ)言后運(yùn)行時(shí)的地址，由于1行 C 程序在編譯后通常會(huì)變?yōu)槎嘈袡C(jī)器語(yǔ)言，所以圖中的地址是分散的。在執(zhí)行完 MyFun(a,b)指令后，程序會(huì)返回到 MyFun(a,b) 的下一條指令，CPU 繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。

函數(shù)的調(diào)用和返回很重要的兩個(gè)指令是 call 和 return 指令，再將函數(shù)的入口地址設(shè)定到程序計(jì)數(shù)器之前，call 指令會(huì)把調(diào)用函數(shù)后要執(zhí)行的指令地址存儲(chǔ)在名為棧的主存內(nèi)。函數(shù)處理完畢后，再通過(guò)函數(shù)的出口來(lái)執(zhí)行 return 指令。return 指令的功能是把保存在棧中的地址設(shè)定到程序計(jì)數(shù)器。MyFun 函數(shù)在被調(diào)用之前，0154 地址保存在棧中，MyFun 函數(shù)處理完成后，會(huì)把 0154 的地址保存在程序計(jì)數(shù)器中。

這個(gè)調(diào)用過(guò)程如下

在一些高級(jí)語(yǔ)言的條件或者循環(huán)語(yǔ)句中，函數(shù)調(diào)用的處理會(huì)轉(zhuǎn)換成 call 指令，函數(shù)結(jié)束后的處理則會(huì)轉(zhuǎn)換成 return 指令。

通過(guò)地址和索引實(shí)現(xiàn)數(shù)組

接下來(lái)我們看一下基址寄存器和變址寄存器，通過(guò)這兩個(gè)寄存器，我們可以對(duì)主存上的特定區(qū)域進(jìn)行劃分，來(lái)實(shí)現(xiàn)類似數(shù)組的操作

首先，我們用十六進(jìn)制數(shù)將計(jì)算機(jī)內(nèi)存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來(lái)。那么，凡是該范圍的內(nèi)存地址，只要有一個(gè) 32 位的寄存器，便可查看全部地址。但如果想要想數(shù)組那樣分割特定的內(nèi)存區(qū)域以達(dá)到連續(xù)查看的目的的話，使用兩個(gè)寄存器會(huì)更加方便。

例如，我們用兩個(gè)寄存器（基址寄存器和變址寄存器）來(lái)表示內(nèi)存的值

這種表示方式很類似數(shù)組的構(gòu)造，數(shù)組是指同樣長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中進(jìn)行連續(xù)排列的數(shù)據(jù)構(gòu)造。用數(shù)組名表示數(shù)組全部的值，通過(guò)索引來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)組的各個(gè)數(shù)據(jù)元素，例如: a[0] - a[4]，[]內(nèi)的 0 - 4 就是數(shù)組的下標(biāo)。

CPU 指令執(zhí)行過(guò)程

幾乎所有的馮·諾伊曼型計(jì)算機(jī)的CPU，其工作都可以分為5個(gè)階段：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪存取數(shù)、結(jié)果寫(xiě)回。

• 取指令階段是將內(nèi)存中的指令讀取到 CPU 中寄存器的過(guò)程，程序寄存器用于存儲(chǔ)下一條指令所在的地址
• 指令譯碼階段，在取指令完成后，立馬進(jìn)入指令譯碼階段，在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預(yù)定的指令格式，對(duì)取回的指令進(jìn)行拆分和解釋，識(shí)別區(qū)分出不同的指令類別以及各種獲取操作數(shù)的方法。
• 執(zhí)行指令階段，譯碼完成后，就需要執(zhí)行這一條指令了，此階段的任務(wù)是完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實(shí)現(xiàn)指令的功能。
• 訪問(wèn)取數(shù)階段，根據(jù)指令的需要，有可能需要從內(nèi)存中提取數(shù)據(jù)，此階段的任務(wù)是：根據(jù)指令地址碼，得到操作數(shù)在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數(shù)用于運(yùn)算。
• 結(jié)果寫(xiě)回階段，作為最后一個(gè)階段，結(jié)果寫(xiě)回（Write Back，WB）階段把執(zhí)行指令階段的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫(xiě)回”到某種存儲(chǔ)形式：結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)常被寫(xiě)到CPU的內(nèi)部寄存器中，以便被后續(xù)的指令快速地存??；

內(nèi)存

CPU 和 內(nèi)存就像是一堆不可分割的戀人一樣，是無(wú)法拆散的一對(duì)兒，沒(méi)有內(nèi)存，CPU 無(wú)法執(zhí)行程序指令，那么計(jì)算機(jī)也就失去了意義；只有內(nèi)存，無(wú)法執(zhí)行指令，那么計(jì)算機(jī)照樣無(wú)法運(yùn)行。

那么什么是內(nèi)存呢？?jī)?nèi)存和 CPU 如何進(jìn)行交互？下面就來(lái)介紹一下

什么是內(nèi)存

內(nèi)存（Memory）是計(jì)算機(jī)中最重要的部件之一，它是程序與CPU進(jìn)行溝通的橋梁。

計(jì)算機(jī)中所有程序的運(yùn)行都是在內(nèi)存中進(jìn)行的，因此內(nèi)存對(duì)計(jì)算機(jī)的影響非常大，內(nèi)存又被稱為主存，其作用是存放 CPU 中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)設(shè)備交換的數(shù)據(jù)。只要計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中，CPU 就會(huì)把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到主存中進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來(lái)，主存的運(yùn)行也決定了計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)

內(nèi)存的內(nèi)部是由各種 IC 電路組成的，它的種類很龐大，但是其主要分為三種存儲(chǔ)器

• 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）：內(nèi)存中最重要的一種，表示既可以從中讀取數(shù)據(jù)，也可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。當(dāng)機(jī)器關(guān)閉時(shí)，內(nèi)存中的信息會(huì) 丟失。
• 只讀存儲(chǔ)器（ROM）：ROM 一般只能用于數(shù)據(jù)的讀取，不能寫(xiě)入數(shù)據(jù)，但是當(dāng)機(jī)器停電時(shí)，這些數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。
• 高速緩存（Cache）：Cache 也是我們經(jīng)常見(jiàn)到的，它分為一級(jí)緩存（L1 Cache）、二級(jí)緩存（L2 Cache）、三級(jí)緩存（L3 Cache）這些數(shù)據(jù)，它位于內(nèi)存和 CPU 之間，是一個(gè)讀寫(xiě)速度比內(nèi)存更快的存儲(chǔ)器。當(dāng) CPU 向內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)也會(huì)被寫(xiě)入高速緩存中。當(dāng) CPU 需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)直接從高速緩存中直接讀取，當(dāng)然，如需要的數(shù)據(jù)在Cache中沒(méi)有，CPU會(huì)再去讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

內(nèi)存 IC 是一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部也有電源、地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)和用于尋址的 IC 引腳來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。下面是一個(gè)虛擬的 IC 引腳示意圖

圖中 VCC 和 GND 表示電源，A0 - A9 是地址信號(hào)的引腳，D0 - D7 表示的是控制信號(hào)、RD 和 WR 都是好控制信號(hào)，我用不同的顏色進(jìn)行了區(qū)分，將電源連接到 VCC 和 GND 后，就可以對(duì)其他引腳傳遞 0 和 1 的信號(hào)，大多數(shù)情況下，+5V 表示1，0V 表示 0。

我們都知道內(nèi)存是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，那么這個(gè)內(nèi)存 IC 中能存儲(chǔ)多少數(shù)據(jù)呢？D0 - D7 表示的是數(shù)據(jù)信號(hào)，也就是說(shuō)，一次可以輸入輸出 8 bit = 1 byte 的數(shù)據(jù)。A0 - A9 是地址信號(hào)共十個(gè)，表示可以指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024個(gè)地址。每個(gè)地址都會(huì)存放 1 byte 的數(shù)據(jù)，因此我們可以得出內(nèi)存 IC 的容量就是 1 KB。

內(nèi)存的讀寫(xiě)過(guò)程

讓我們把關(guān)注點(diǎn)放在內(nèi)存 IC 對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)過(guò)程上來(lái)吧！我們來(lái)看一個(gè)對(duì)內(nèi)存IC 進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀取的模型

來(lái)詳細(xì)描述一下這個(gè)過(guò)程，假設(shè)我們要向內(nèi)存 IC 中寫(xiě)入 1byte 的數(shù)據(jù)的話，它的過(guò)程是這樣的：

• 首先給 VCC 接通 +5V 的電源，給 GND 接通 0V 的電源，使用 A0 - A9 來(lái)指定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)場(chǎng)所，然后再把數(shù)據(jù)的值輸入給 D0 - D7 的數(shù)據(jù)信號(hào)，并把 WR（write）的值置為 1，執(zhí)行完這些操作后，即可以向內(nèi)存 IC 寫(xiě)入數(shù)據(jù)
• 讀出數(shù)據(jù)時(shí)，只需要通過(guò) A0 - A9 的地址信號(hào)指定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)場(chǎng)所，然后再將 RD 的值置為 1 即可。
• 圖中的 RD 和 WR 又被稱為控制信號(hào)。其中當(dāng)WR 和 RD 都為 0 時(shí)，無(wú)法進(jìn)行寫(xiě)入和讀取操作。

內(nèi)存的現(xiàn)實(shí)模型

為了便于記憶，我們把內(nèi)存模型映射成為我們現(xiàn)實(shí)世界的模型，在現(xiàn)實(shí)世界中，內(nèi)存的模型很想我們生活的樓房。在這個(gè)樓房中，1層可以存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，樓層號(hào)就是地址，下面是內(nèi)存和樓層整合的模型圖

我們知道，程序中的數(shù)據(jù)不僅只有數(shù)值，還有數(shù)據(jù)類型的概念，從內(nèi)存上來(lái)看，就是占用內(nèi)存大?。ㄕ加脴菍訑?shù)）的意思。即使物理上強(qiáng)制以 1 個(gè)字節(jié)為單位來(lái)逐一讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的內(nèi)存，在程序中，通過(guò)指定其數(shù)據(jù)類型，也能實(shí)現(xiàn)以特定字節(jié)數(shù)為單位來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)。

二進(jìn)制

我們都知道，計(jì)算機(jī)的底層都是使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)模敲礊槭裁磿?huì)使用二進(jìn)制表示計(jì)算機(jī)呢？或者說(shuō)，什么是二進(jìn)制數(shù)呢？在拓展一步，如何使用二進(jìn)制進(jìn)行加減乘除？下面就來(lái)看一下

什么是二進(jìn)制數(shù)

那么什么是二進(jìn)制數(shù)呢？為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們先把 00100111 這個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)看一下，二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，直接將各位置上的值 * 位權(quán)即可，那么我們將上面的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換

也就是說(shuō)，二進(jìn)制數(shù)代表的 00100111 轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就是 39，這個(gè) 39 并不是 3 和 9 兩個(gè)數(shù)字連著寫(xiě)，而是 3 * 10 + 9 * 1，這里面的 10 , 1 就是位權(quán)，以此類推，上述例子中的位權(quán)從高位到低位依次就是 7 6 5 4 3 2 1 0。這個(gè)位權(quán)也叫做次冪，那么最高位就是2的7次冪，2的6次冪 等等。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算每次都會(huì)以2為底，這個(gè)2 指得就是基數(shù)，那么十進(jìn)制數(shù)的基數(shù)也就是 10 。在任何情況下位權(quán)的值都是 數(shù)的位數(shù) - 1，那么第一位的位權(quán)就是 1 - 1 = 0， 第二位的位權(quán)就睡 2 - 1 = 1，以此類推。

那么我們所說(shuō)的二進(jìn)制數(shù)其實(shí)就是 用0和1兩個(gè)數(shù)字來(lái)表示的數(shù)，它的基數(shù)為2，它的數(shù)值就是每個(gè)數(shù)的位數(shù) * 位權(quán)再求和得到的結(jié)果，我們一般來(lái)說(shuō)數(shù)值指的就是十進(jìn)制數(shù)，那么它的數(shù)值就是 3 * 10 + 9 * 1 = 39。

移位運(yùn)算和乘除的關(guān)系

在了解過(guò)二進(jìn)制之后，下面我們來(lái)看一下二進(jìn)制的運(yùn)算，和十進(jìn)制數(shù)一樣，加減乘除也適用于二進(jìn)制數(shù)，只要注意逢 2 進(jìn)位即可。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算，也是計(jì)算機(jī)程序所特有的運(yùn)算，因此了解二進(jìn)制的運(yùn)算是必須要掌握的。

首先我們來(lái)介紹移位 運(yùn)算，移位運(yùn)算是指將二進(jìn)制的數(shù)值的各個(gè)位置上的元素坐左移和右移操作，見(jiàn)下圖

補(bǔ)數(shù)

剛才我們沒(méi)有介紹右移的情況，是因?yàn)橛乙浦罂粘鰜?lái)的高位數(shù)值，有 0 和 1 兩種形式。要想?yún)^(qū)分什么時(shí)候補(bǔ)0什么時(shí)候補(bǔ)1，首先就需要掌握二進(jìn)制數(shù)表示負(fù)數(shù)的方法。

二進(jìn)制數(shù)中表示負(fù)數(shù)值時(shí)，一般會(huì)把最高位作為符號(hào)來(lái)使用，因此我們把這個(gè)最高位當(dāng)作符號(hào)位。 符號(hào)位是 0 時(shí)表示正數(shù)，是 1 時(shí)表示 負(fù)數(shù)。那么 -1 用二進(jìn)制數(shù)該如何表示呢？可能很多人會(huì)這么認(rèn)為：因?yàn)?1 的二進(jìn)制數(shù)是 0000 0001，最高位是符號(hào)位，所以正確的表示 -1 應(yīng)該是 1000 0001，但是這個(gè)答案真的對(duì)嗎？

計(jì)算機(jī)世界中是沒(méi)有減法的，計(jì)算機(jī)在做減法的時(shí)候其實(shí)就是在做加法，也就是用加法來(lái)實(shí)現(xiàn)的減法運(yùn)算。比如 100 - 50 ，其實(shí)計(jì)算機(jī)來(lái)看的時(shí)候應(yīng)該是 100 +  (-50)，為此，在表示負(fù)數(shù)的時(shí)候就要用到二進(jìn)制補(bǔ)數(shù)，補(bǔ)數(shù)就是用正數(shù)來(lái)表示的負(fù)數(shù)。

為了獲得補(bǔ)數(shù)，我們需要將二進(jìn)制的各數(shù)位的數(shù)值全部取反，然后再將結(jié)果 + 1 即可，先記住這個(gè)結(jié)論，下面我們來(lái)演示一下。

具體來(lái)說(shuō)，就是需要先獲取某個(gè)數(shù)值的二進(jìn)制數(shù)，然后對(duì)二進(jìn)制數(shù)的每一位做取反操作(0 ---> 1 , 1 ---> 0)，最后再對(duì)取反后的數(shù) +1 ，這樣就完成了補(bǔ)數(shù)的獲取。

補(bǔ)數(shù)的獲取，雖然直觀上不易理解，但是邏輯上卻非常嚴(yán)謹(jǐn)，比如我們來(lái)看一下 1 - 1 的這個(gè)過(guò)程，我們先用上面的這個(gè) 1000 0001(它是1的補(bǔ)數(shù)，不知道的請(qǐng)看上文，正確性先不管，只是用來(lái)做一下計(jì)算)來(lái)表示一下

奇怪，1 - 1 會(huì)變成 130 ，而不是0，所以可以得出結(jié)論 1000 0001 表示 -1 是完全錯(cuò)誤的。

那么正確的該如何表示呢？其實(shí)我們上面已經(jīng)給出結(jié)果了，那就是 1111 1111，來(lái)論證一下它的正確性

我們可以看到 1 - 1 其實(shí)實(shí)際上就是 1 + (-1)，對(duì) -1 進(jìn)行上面的取反 + 1 后變?yōu)?nbsp;1111 1111, 然后與 1 進(jìn)行加法運(yùn)算，得到的結(jié)果是九位的 1 0000 0000，結(jié)果發(fā)生了溢出，計(jì)算機(jī)會(huì)直接忽略掉溢出位，也就是直接拋掉 最高位 1 ，變?yōu)?nbsp;0000 0000。也就是 0，結(jié)果正確，所以 1111 1111 表示的就是 -1 。

所以負(fù)數(shù)的二進(jìn)制表示就是先求其補(bǔ)數(shù)，補(bǔ)數(shù)的求解過(guò)程就是對(duì)原始數(shù)值的二進(jìn)制數(shù)各位取反，然后將結(jié)果 + 1

算數(shù)右移和邏輯右移的區(qū)別

在了解完補(bǔ)數(shù)后，我們重新考慮一下右移這個(gè)議題，右移在移位后空出來(lái)的最高位有兩種情況0 和 1。

將二進(jìn)制數(shù)作為帶符號(hào)的數(shù)值進(jìn)行右移運(yùn)算時(shí)，移位后需要在最高位填充移位前符號(hào)位的值( 0 或 1)。這就被稱為算數(shù)右移。如果數(shù)值使用補(bǔ)數(shù)表示的負(fù)數(shù)值，那么右移后在空出來(lái)的最高位補(bǔ) 1，就可以正確的表示 1/2,1/4,1/8等的數(shù)值運(yùn)算。如果是正數(shù)，那么直接在空出來(lái)的位置補(bǔ) 0 即可。

下面來(lái)看一個(gè)右移的例子。將 -4 右移兩位，來(lái)各自看一下移位示意圖

如上圖所示，在邏輯右移的情況下， -4 右移兩位會(huì)變成 63， 顯然不是它的 1/4，所以不能使用邏輯右移，那么算數(shù)右移的情況下，右移兩位會(huì)變?yōu)?nbsp;-1，顯然是它的 1/4，故而采用算數(shù)右移。

那么我們可以得出來(lái)一個(gè)結(jié)論：左移時(shí)，無(wú)論是圖形還是數(shù)值，移位后，只需要將低位補(bǔ) 0 即可；右移時(shí)，需要根據(jù)情況判斷是邏輯右移還是算數(shù)右移。

下面介紹一下符號(hào)擴(kuò)展：將數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展是為了產(chǎn)生一個(gè)位數(shù)加倍、但數(shù)值大小不變的結(jié)果，以滿足有些指令對(duì)操作數(shù)位數(shù)的要求，例如倍長(zhǎng)于除數(shù)的被除數(shù)，再如將數(shù)據(jù)位數(shù)加長(zhǎng)以減少計(jì)算過(guò)程中的誤差。

以8位二進(jìn)制為例，符號(hào)擴(kuò)展就是指在保持值不變的前提下將其轉(zhuǎn)換成為16位和32位的二進(jìn)制數(shù)。將0111 1111這個(gè)正的 8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為 16位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，很容易就能夠得出0000 0000 0111 1111這個(gè)正確的結(jié)果，但是像 1111 1111這樣的補(bǔ)數(shù)來(lái)表示的數(shù)值，該如何處理？直接將其表示成為1111 1111 1111 1111就可以了。

也就是說(shuō)，不管正數(shù)還是補(bǔ)數(shù)表示的負(fù)數(shù)，只需要將 0 和 1 填充高位即可。

內(nèi)存和磁盤(pán)的關(guān)系

我們大家知道，計(jì)算機(jī)的五大基礎(chǔ)部件是 存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器、輸入和輸出設(shè)備，其中從存儲(chǔ)功能的角度來(lái)看，可以把存儲(chǔ)器分為內(nèi)存和 磁盤(pán)，我們上面介紹過(guò)內(nèi)存，下面就來(lái)介紹一下磁盤(pán)以及磁盤(pán)和內(nèi)存的關(guān)系

程序不讀入內(nèi)存就無(wú)法運(yùn)行

計(jì)算機(jī)最主要的存儲(chǔ)部件是內(nèi)存和磁盤(pán)。磁盤(pán)中存儲(chǔ)的程序必須加載到內(nèi)存中才能運(yùn)行，在磁盤(pán)中保存的程序是無(wú)法直接運(yùn)行的，這是因?yàn)樨?fù)責(zé)解析和運(yùn)行程序內(nèi)容的 CPU 是需要通過(guò)程序計(jì)數(shù)器來(lái)指定內(nèi)存地址從而讀出程序指令的。

磁盤(pán)構(gòu)造

磁盤(pán)緩存

我們上面提到，磁盤(pán)往往和內(nèi)存是互利共生的關(guān)系，相互協(xié)作，彼此持有良好的合作關(guān)系。每次內(nèi)存都需要從磁盤(pán)中讀取數(shù)據(jù)，必然會(huì)讀到相同的內(nèi)容，所以一定會(huì)有一個(gè)角色負(fù)責(zé)存儲(chǔ)我們經(jīng)常需要讀到的內(nèi)容。我們大家做軟件的時(shí)候經(jīng)常會(huì)用到緩存技術(shù)，那么硬件層面也不例外，磁盤(pán)也有緩存，磁盤(pán)的緩存叫做磁盤(pán)緩存。

磁盤(pán)緩存指的是把從磁盤(pán)中讀出的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存的方式，這樣一來(lái)，當(dāng)接下來(lái)需要讀取相同的內(nèi)容時(shí)，就不會(huì)再通過(guò)實(shí)際的磁盤(pán)，而是通過(guò)磁盤(pán)緩存來(lái)讀取。某一種技術(shù)或者框架的出現(xiàn)勢(shì)必要解決某種問(wèn)題的，那么磁盤(pán)緩存就大大改善了磁盤(pán)訪問(wèn)的速度。

虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存是內(nèi)存和磁盤(pán)交互的第二個(gè)媒介。虛擬內(nèi)存是指把磁盤(pán)的一部分作為假想內(nèi)存來(lái)使用。這與磁盤(pán)緩存是假想的磁盤(pán)（實(shí)際上是內(nèi)存）相對(duì)，虛擬內(nèi)存是假想的內(nèi)存（實(shí)際上是磁盤(pán)）。

虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個(gè)完整的地址空間），但是實(shí)際上，它通常被分割成多個(gè)物理碎片，還有部分存儲(chǔ)在外部磁盤(pán)管理器上，必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通過(guò)借助虛擬內(nèi)存，在內(nèi)存不足時(shí)仍然可以運(yùn)行程序。例如，在只剩 5MB 內(nèi)存空間的情況下仍然可以運(yùn)行 10MB 的程序。由于 CPU 只能執(zhí)行加載到內(nèi)存中的程序，因此，虛擬內(nèi)存的空間就需要和內(nèi)存中的空間進(jìn)行置換（swap），然后運(yùn)行程序。

虛擬內(nèi)存與內(nèi)存的交換方式

虛擬內(nèi)存的方法有分頁(yè)式 和 分段式 兩種。Windows 采用的是分頁(yè)式。該方式是指在不考慮程序構(gòu)造的情況下，把運(yùn)行的程序按照一定大小的頁(yè)進(jìn)行分割，并以頁(yè)為單位進(jìn)行置換。在分頁(yè)式中，我們把磁盤(pán)的內(nèi)容讀到內(nèi)存中稱為 Page In，把內(nèi)存的內(nèi)容寫(xiě)入磁盤(pán)稱為 Page Out。

Windows 計(jì)算機(jī)的頁(yè)大小為 4KB ，也就是說(shuō)，需要把應(yīng)用程序按照 4KB 的頁(yè)來(lái)進(jìn)行切分，以頁(yè)（page）為單位放到磁盤(pán)中，然后進(jìn)行置換。

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存功能，Windows 在磁盤(pán)上提供了虛擬內(nèi)存使用的文件（page file，頁(yè)文件）。該文件由 Windows 生成和管理，文件的大小和虛擬內(nèi)存大小相同，通常大小是內(nèi)存的 1 - 2 倍。

磁盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)

之前我們介紹了CPU、內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我們來(lái)介紹一下磁盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)。磁盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)指的是磁盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的形式。

磁盤(pán)是通過(guò)其物理表面劃分成多個(gè)空間來(lái)使用的。劃分的方式有兩種：可變長(zhǎng)方式 和 扇區(qū)方式。前者是將物理結(jié)構(gòu)劃分成長(zhǎng)度可變的空間，后者是將磁盤(pán)結(jié)構(gòu)劃分為固定長(zhǎng)度的空間。一般 Windows 所使用的硬盤(pán)和軟盤(pán)都是使用扇區(qū)這種方式。扇區(qū)中，把磁盤(pán)表面分成若干個(gè)同心圓的空間就是 磁道，把磁道按照固定大小的存儲(chǔ)空間劃分而成的就是 扇區(qū)

扇區(qū)是對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行物理讀寫(xiě)的最小單位。Windows 中使用的磁盤(pán)，一般是一個(gè)扇區(qū) 512 個(gè)字節(jié)。不過(guò)，Windows 在邏輯方面對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)的單位是扇區(qū)整數(shù)倍簇。根據(jù)磁盤(pán)容量不同功能，1簇可以是 512 字節(jié)（1 簇 = 1扇區(qū)）、1KB（1簇 = 2扇區(qū)）、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB( 1 簇 = 64 扇區(qū))。簇和扇區(qū)的大小是相等的。

壓縮算法

我們想必都有過(guò)壓縮和 解壓縮文件的經(jīng)歷，當(dāng)文件太大時(shí)，我們會(huì)使用文件壓縮來(lái)降低文件的占用空間。比如微信上傳文件的限制是100 MB，我這里有個(gè)文件夾無(wú)法上傳，但是我解壓完成后的文件一定會(huì)小于 100 MB，那么我的文件就可以上傳了。

此外，我們把相機(jī)拍完的照片保存到計(jì)算機(jī)上的時(shí)候，也會(huì)使用壓縮算法進(jìn)行文件壓縮，文件壓縮的格式一般是JPEG。

那么什么是壓縮算法呢？壓縮算法又是怎么定義的呢？在認(rèn)識(shí)算法之前我們需要先了解一下文件是如何存儲(chǔ)的

文件存儲(chǔ)

文件是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)等存儲(chǔ)媒介的一種形式。程序文件中最基本的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)單位是字節(jié)。文件的大小不管是 xxxKB、xxxMB等來(lái)表示，就是因?yàn)槲募且宰止?jié) B = Byte 為單位來(lái)存儲(chǔ)的。

文件就是字節(jié)數(shù)據(jù)的集合。用 1 字節(jié)（8 位）表示的字節(jié)數(shù)據(jù)有 256 種，用二進(jìn)制表示的話就是 0000 0000 - 1111 1111 。如果文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是文字，那么該文件就是文本文件。如果是圖形，那么該文件就是圖像文件。在任何情況下，文件中的字節(jié)數(shù)都是連續(xù)存儲(chǔ)的。

壓縮算法的定義

上面介紹了文件的集合體其實(shí)就是一堆字節(jié)數(shù)據(jù)的集合，那么我們就可以來(lái)給壓縮算法下一個(gè)定義。

壓縮算法（compaction algorithm）指的就是數(shù)據(jù)壓縮的算法，主要包括壓縮和還原（解壓縮）的兩個(gè)步驟。

其實(shí)就是在不改變?cè)形募傩缘那疤嵯拢档臀募止?jié)空間和占用空間的一種算法。

根據(jù)壓縮算法的定義，我們可將其分成不同的類型：

有損和無(wú)損

無(wú)損壓縮：能夠無(wú)失真地從壓縮后的數(shù)據(jù)重構(gòu)，準(zhǔn)確地還原原始數(shù)據(jù)。可用于對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，如可執(zhí)行文件和普通文件的壓縮、磁盤(pán)的壓縮，也可用于多媒體數(shù)據(jù)的壓縮。該方法的壓縮比較小。如差分編碼、RLE、Huffman編碼、LZW編碼、算術(shù)編碼。

有損壓縮：有失真，不能完全準(zhǔn)確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，重構(gòu)的數(shù)據(jù)只是原始數(shù)據(jù)的一個(gè)近似?？捎糜趯?duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求不高的場(chǎng)合，如多媒體數(shù)據(jù)的壓縮。該方法的壓縮比較大。例如預(yù)測(cè)編碼、音感編碼、分形壓縮、小波壓縮、JPEG/MPEG。

對(duì)稱性

如果編解碼算法的復(fù)雜性和所需時(shí)間差不多，則為對(duì)稱的編碼方法，多數(shù)壓縮算法都是對(duì)稱的。但也有不對(duì)稱的，一般是編碼難而解碼容易，如 Huffman 編碼和分形編碼。但用于密碼學(xué)的編碼方法則相反，是編碼容易，而解碼則非常難。

幀間與幀內(nèi)

在視頻編碼中會(huì)同時(shí)用到幀內(nèi)與幀間的編碼方法，幀內(nèi)編碼是指在一幀圖像內(nèi)獨(dú)立完成的編碼方法，同靜態(tài)圖像的編碼，如 JPEG；而幀間編碼則需要參照前后幀才能進(jìn)行編解碼，并在編碼過(guò)程中考慮對(duì)幀之間的時(shí)間冗余的壓縮，如 MPEG。

實(shí)時(shí)性

在有些多媒體的應(yīng)用場(chǎng)合，需要實(shí)時(shí)處理或傳輸數(shù)據(jù)（如現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字錄音和錄影、播放MP3/RM/VCD/DVD、視頻/音頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)直播、可視電話、視頻會(huì)議），編解碼一般要求延時(shí) ≤50 ms。這就需要簡(jiǎn)單/快速/高效的算法和高速/復(fù)雜的CPU/DSP芯片。

分級(jí)處理

有些壓縮算法可以同時(shí)處理不同分辨率、不同傳輸速率、不同質(zhì)量水平的多媒體數(shù)據(jù)，如JPEG2000、MPEG-2/4。

這些概念有些抽象，主要是為了讓大家了解一下壓縮算法的分類，下面我們就對(duì)具體的幾種常用的壓縮算法來(lái)分析一下它的特點(diǎn)和優(yōu)劣

幾種常用壓縮算法的理解

RLE 算法的機(jī)制

接下來(lái)就讓我們正式看一下文件的壓縮機(jī)制。首先讓我們來(lái)嘗試對(duì) AAAAAABBCDDEEEEEF這 17 個(gè)半角字符的文件（文本文件）進(jìn)行壓縮。雖然這些文字沒(méi)有什么實(shí)際意義，但是很適合用來(lái)描述 RLE 的壓縮機(jī)制。

由于半角字符（其實(shí)就是英文字符）是作為 1 個(gè)字節(jié)保存在文件中的，所以上述的文件的大小就是 17 字節(jié)。如圖

那么，如何才能壓縮該文件呢？大家不妨也考慮一下，只要是能夠使文件小于 17 字節(jié)，我們可以使用任何壓縮算法。

最顯而易見(jiàn)的一種壓縮方式我覺(jué)得你已經(jīng)想到了，就是把相同的字符去重化，也就是 字符 * 重復(fù)次數(shù) 的方式進(jìn)行壓縮。所以上面文件壓縮后就會(huì)變成下面這樣

從圖中我們可以看出，AAAAAABBCDDEEEEEF 的17個(gè)字符成功被壓縮成了A6B2C1D2E5F1 的12個(gè)字符，也就是 12 / 17  = 70%，壓縮比為 70%，壓縮成功了。

像這樣，把文件內(nèi)容用 數(shù)據(jù) * 重復(fù)次數(shù) 的形式來(lái)表示的壓縮方法成為 RLE(Run Length Encoding, 行程長(zhǎng)度編碼)  算法。RLE 算法是一種很好的壓縮方法，經(jīng)常用于壓縮傳真的圖像等。因?yàn)閳D像文件的本質(zhì)也是字節(jié)數(shù)據(jù)的集合體，所以可以用 RLE 算法進(jìn)行壓縮

哈夫曼算法和莫爾斯編碼

下面我們來(lái)介紹另外一種壓縮算法，即哈夫曼算法。在了解哈夫曼算法之前，你必須舍棄半角英文數(shù)字的1個(gè)字符是1個(gè)字節(jié)(8位)的數(shù)據(jù)。下面我們就來(lái)認(rèn)識(shí)一下哈夫曼算法的基本思想。

文本文件是由不同類型的字符組合而成的，而且不同字符出現(xiàn)的次數(shù)也是不一樣的。例如，在某個(gè)文本文件中，A 出現(xiàn)了 100次左右，Q僅僅用到了 3 次，類似這樣的情況很常見(jiàn)。

哈夫曼算法的關(guān)鍵就在于 多次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用小于 8 位的字節(jié)數(shù)表示，不常用的數(shù)據(jù)則可以使用超過(guò) 8 位的字節(jié)數(shù)表示。A 和 Q 都用 8 位來(lái)表示時(shí)，原文件的大小就是 100次 * 8 位 + 3次 * 8 位 = 824位，假設(shè) A 用 2 位，Q 用 10 位來(lái)表示就是 2 * 100 + 3 * 10 = 230 位。

不過(guò)要注意一點(diǎn)，最終磁盤(pán)的存儲(chǔ)都是以8位為一個(gè)字節(jié)來(lái)保存文件的。

哈夫曼算法比較復(fù)雜，在深入了解之前我們先吃點(diǎn)甜品，了解一下 莫爾斯編碼，你一定看過(guò)美劇或者戰(zhàn)爭(zhēng)片的電影，在戰(zhàn)爭(zhēng)中的通信經(jīng)常采用莫爾斯編碼來(lái)傳遞信息，例如下面

接下來(lái)我們來(lái)講解一下莫爾斯編碼，下面是莫爾斯編碼的示例，大家把 1 看作是短點(diǎn)(嘀)，把 11 看作是長(zhǎng)點(diǎn)(嗒)即可。

莫爾斯編碼一般把文本中出現(xiàn)最高頻率的字符用短編碼 來(lái)表示。如表所示，假如表示短點(diǎn)的位是 1，表示長(zhǎng)點(diǎn)的位是 11 的話，那么 E（嘀）這一數(shù)據(jù)的字符就可以用 1 來(lái)表示，C（滴答滴答）就可以用 9 位的 110101101來(lái)表示。

在實(shí)際的莫爾斯編碼中，如果短點(diǎn)的長(zhǎng)度是 1 ，長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度就是 3，短點(diǎn)和長(zhǎng)點(diǎn)的間隔就是1。這里的長(zhǎng)度指的就是聲音的長(zhǎng)度。比如我們想用上面的 AAAAAABBCDDEEEEEF 例子來(lái)用莫爾斯編碼重寫(xiě)，在莫爾斯曼編碼中，各個(gè)字符之間需要加入表示時(shí)間間隔的符號(hào)。這里我們用 00 加以區(qū)分。

所以，AAAAAABBCDDEEEEEF 這個(gè)文本就變?yōu)榱?A * 6 次 + B * 2次 + C * 1次 + D * 2次 + E * 5次 + F * 1次 + 字符間隔 * 16 = 4 位 * 6次 + 8 位 * 2次 + 9 位 * 1 次 + 6位 * 2次 + 1位 * 5次 + 8 位 * 1次 + 2位 * 16次 = 106位  = 14字節(jié)。

所以使用莫爾斯電碼的壓縮比為 14 / 17 = 82%。效率并不太突出。

用二叉樹(shù)實(shí)現(xiàn)哈夫曼算法

剛才已經(jīng)提到，莫爾斯編碼是根據(jù)日常文本中各字符的出現(xiàn)頻率來(lái)決定表示各字符的編碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的。不過(guò)，在該編碼體系中，對(duì) AAAAAABBCDDEEEEEF 這種文本來(lái)說(shuō)并不是效率最高的。

下面我們來(lái)看一下哈夫曼算法。哈夫曼算法是指，為各壓縮對(duì)象文件分別構(gòu)造最佳的編碼體系，并以該編碼體系為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行壓縮。因此，用什么樣的編碼（哈夫曼編碼）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，就要由各個(gè)文件而定。用哈夫曼算法壓縮過(guò)的文件中，存儲(chǔ)著哈夫曼編碼信息和壓縮過(guò)的數(shù)據(jù)。

接下來(lái)，我們?cè)趯?duì) AAAAAABBCDDEEEEEF 中的 A - F 這些字符，按照出現(xiàn)頻率高的字符用盡量少的位數(shù)編碼來(lái)表示這一原則進(jìn)行整理。按照出現(xiàn)頻率從高到低的順序整理后，結(jié)果如下，同時(shí)也列出了編碼方案。

在上表的編碼方案中，隨著出現(xiàn)頻率的降低，字符編碼信息的數(shù)據(jù)位數(shù)也在逐漸增加，從最開(kāi)始的 1位、2位依次增加到3位。不過(guò)這個(gè)編碼體系是存在問(wèn)題的，你不知道100這個(gè)3位的編碼，它的意思是用 1、0、0這三個(gè)編碼來(lái)表示 E、A、A 呢？還是用10、0來(lái)表示 B、A 呢？還是用100來(lái)表示 C 呢。

而在哈夫曼算法中，通過(guò)借助哈夫曼樹(shù)的構(gòu)造編碼體系，即使在不使用字符區(qū)分符號(hào)的情況下，也可以構(gòu)建能夠明確進(jìn)行區(qū)分的編碼體系。不過(guò)哈夫曼樹(shù)的算法要比較復(fù)雜，下面是一個(gè)哈夫曼樹(shù)的構(gòu)造過(guò)程。

自然界樹(shù)的從根開(kāi)始生葉的，而哈夫曼樹(shù)則是葉生枝

哈夫曼樹(shù)能夠提升壓縮比率

使用哈夫曼樹(shù)之后，出現(xiàn)頻率越高的數(shù)據(jù)所占用的位數(shù)越少，這也是哈夫曼樹(shù)的核心思想。通過(guò)上圖的步驟二可以看出，枝條連接數(shù)據(jù)時(shí)，我們是從出現(xiàn)頻率較低的數(shù)據(jù)開(kāi)始的。這就意味著出現(xiàn)頻率低的數(shù)據(jù)到達(dá)根部的枝條也越多。而枝條越多則意味著編碼的位數(shù)隨之增加。

接下來(lái)我們來(lái)看一下哈夫曼樹(shù)的壓縮比率，用上圖得到的數(shù)據(jù)表示 AAAAAABBCDDEEEEEF 為 000000000000 100100 110 101101 0101010101 111，40位 = 5 字節(jié)。壓縮前的數(shù)據(jù)是 17 字節(jié)，壓縮后的數(shù)據(jù)竟然達(dá)到了驚人的5 字節(jié)，也就是壓縮比率 = 5 / 17 = 29% 如此高的壓縮率，簡(jiǎn)直是太驚艷了。

大家可以參考一下，無(wú)論哪種類型的數(shù)據(jù)，都可以用哈夫曼樹(shù)作為壓縮算法

可逆壓縮和非可逆壓縮

最后，我們來(lái)看一下圖像文件的數(shù)據(jù)形式。圖像文件的使用目的通常是把圖像數(shù)據(jù)輸出到顯示器、打印機(jī)等設(shè)備上。常用的圖像格式有 : BMP、JPEG、TIFF、GIF 格式等。

• BMP ：是使用 Windows 自帶的畫(huà)筆來(lái)做成的一種圖像形式
• JPEG：是數(shù)碼相機(jī)等常用的一種圖像數(shù)據(jù)形式
• TIFF: 是一種通過(guò)在文件中包含"標(biāo)簽"就能夠快速顯示出數(shù)據(jù)性質(zhì)的圖像形式
• GIF：是由美國(guó)開(kāi)發(fā)的一種數(shù)據(jù)形式，要求色數(shù)不超過(guò) 256個(gè)

圖像文件可以使用前面介紹的 RLE 算法和哈夫曼算法，因?yàn)閳D像文件在多數(shù)情況下并不要求數(shù)據(jù)需要還原到和壓縮之前一摸一樣的狀態(tài)，允許丟失一部分?jǐn)?shù)據(jù)。我們把能還原到壓縮前狀態(tài)的壓縮稱為 可逆壓縮，無(wú)法還原到壓縮前狀態(tài)的壓縮稱為非可逆壓縮 。

一般來(lái)說(shuō)，JPEG格式的文件是非可逆壓縮，因此還原后有部分圖像信息比較模糊。GIF 是可逆壓縮

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)環(huán)境

程序中包含著運(yùn)行環(huán)境這一內(nèi)容，可以說(shuō) 運(yùn)行環(huán)境 = 操作系統(tǒng) + 硬件 ，操作系統(tǒng)又可以被稱為軟件，它是由一系列的指令組成的。我們不介紹操作系統(tǒng)，我們主要來(lái)介紹一下硬件的識(shí)別。

我們肯定都玩兒過(guò)游戲，你玩兒游戲前需要干什么？是不是需要先看一下自己的筆記本或者電腦是不是能肝的起游戲？下面是一個(gè)游戲的配置（懷念一下 wow）

圖中的主要配置如下

• 操作系統(tǒng)版本：說(shuō)的就是應(yīng)用程序運(yùn)行在何種系統(tǒng)環(huán)境，現(xiàn)在市面上主要有三種操作系統(tǒng)環(huán)境，Windows 、Linux 和 Unix ，一般我們玩兒的大型游戲幾乎都是在 Windows 上運(yùn)行，可以說(shuō) Windows 是游戲的天堂。Windows 操作系統(tǒng)也會(huì)有區(qū)分，分為32位操作系統(tǒng)和64位操作系統(tǒng)，互不兼容。

• 處理器：處理器指的就是 CPU，你的電腦的計(jì)算能力，通俗來(lái)講就是每秒鐘能處理的指令數(shù)，如果你的電腦覺(jué)得卡帶不起來(lái)的話，很可能就是 CPU 的計(jì)算能力不足導(dǎo)致的。想要加深理解，請(qǐng)閱讀博主的另一篇文章：程序員需要了解的硬核知識(shí)之CPU

• 顯卡：顯卡承擔(dān)圖形的輸出任務(wù)，因此又被稱為圖形處理器（Graphic Processing Unit，GPU），顯卡也非常重要，比如我之前玩兒的劍靈開(kāi)五檔（其實(shí)就是圖像變得更清晰）會(huì)卡，其實(shí)就是顯卡顯示不出來(lái)的原因。

• 內(nèi)存：內(nèi)存即主存，就是你的應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)能夠動(dòng)態(tài)分析指令的這部分存儲(chǔ)空間，它的大小也能決定你電腦的運(yùn)行速度，想要加深理解，請(qǐng)閱讀博主的另一篇文章 程序員需要了解的硬核知識(shí)之內(nèi)存

• 存儲(chǔ)空間：存儲(chǔ)空間指的就是應(yīng)用程序安裝所占用的磁盤(pán)空間，由圖中可知，此游戲的最低存儲(chǔ)空間必須要大于 5GB，其實(shí)我們都會(huì)遺留很大一部分用來(lái)安裝游戲。

從程序的運(yùn)行環(huán)境這一角度來(lái)考量的話，CPU 的種類是特別重要的參數(shù)，為了使程序能夠正常運(yùn)行，必須滿足 CPU 所需的最低配置。

CPU 只能解釋其自身固有的語(yǔ)言。不同的 CPU 能解釋的機(jī)器語(yǔ)言的種類也是不同的。機(jī)器語(yǔ)言的程序稱為 本地代碼(native code)，程序員用 C 等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，僅僅是文本文件。文本文件(排除文字編碼的問(wèn)題)在任何環(huán)境下都能顯示和編輯。我們稱之為源代碼。通過(guò)對(duì)源代碼進(jìn)行編譯，就可以得到本地代碼。

下圖反映了這個(gè)過(guò)程

Windows 操作系統(tǒng)克服了CPU以外的硬件差異

計(jì)算機(jī)的硬件并不僅僅是由 CPU 組成的，還包括用于存儲(chǔ)程序指令的數(shù)據(jù)和內(nèi)存，以及通過(guò) I/O 連接的鍵盤(pán)、顯示器、硬盤(pán)、打印機(jī)等外圍設(shè)備。

在 WIndows 軟件中，鍵盤(pán)輸入、顯示器輸出等并不是直接向硬件發(fā)送指令。而是通過(guò)向 Windows 發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)的。因此，程序員就不用注意內(nèi)存和 I/O 地址的不同構(gòu)成了。Windows 操作的是硬件而不是軟件，軟件通過(guò)操作 Windows 系統(tǒng)可以達(dá)到控制硬件的目的。

不同操作系統(tǒng)的 API 差異性

接下來(lái)我們看一下操作系統(tǒng)的種類。同樣機(jī)型的計(jì)算機(jī)，可安裝的操作系統(tǒng)類型也會(huì)有多種選擇。

例如：AT 兼容機(jī)除了可以安裝 Windows 之外，還可以采用 Unix 系列的 Linux 以及 FreeBSD （也是一種Unix操作系統(tǒng)）等多個(gè)操作系統(tǒng)。

當(dāng)然，應(yīng)用軟件則必須根據(jù)不同的操作系統(tǒng)類型來(lái)專門(mén)開(kāi)發(fā)。CPU 的類型不同，所對(duì)應(yīng)機(jī)器的語(yǔ)言也不同,同樣的道理，操作系統(tǒng)的類型不同，應(yīng)用程序向操作系統(tǒng)傳遞指令的途徑也不同。

應(yīng)用程序向系統(tǒng)傳遞指令的途徑稱為 API(Application Programming Interface)。Windows 以及 Linux 操作系統(tǒng)的 API，提供了任何應(yīng)用程序都可以利用的函數(shù)組合。因?yàn)椴煌僮飨到y(tǒng)的 API 是有差異的。所以，如何要將同樣的應(yīng)用程序移植到另外的操作系統(tǒng)，就必須要覆蓋應(yīng)用所用到的 API 部分。

鍵盤(pán)輸入、鼠標(biāo)輸入、顯示器輸出、文件輸入和輸出等同外圍設(shè)備進(jìn)行交互的功能，都是通過(guò) API 提供的。

這也就是為什么 Windows 應(yīng)用程序不能直接移植到 Linux 操作系統(tǒng)上的原因，API 差異太大了。

在同類型的操作系統(tǒng)下，不論硬件如何，API 幾乎相同。但是，由于不同種類 CPU 的機(jī)器語(yǔ)言不同，因此本地代碼也不盡相同。

操作系統(tǒng)功能的歷史

操作系統(tǒng)其實(shí)也是一種軟件，任何新事物的出現(xiàn)肯定都有它的歷史背景，那么操作系統(tǒng)也不是憑空出現(xiàn)的，肯定有它的歷史背景。

在計(jì)算機(jī)尚不存在操作系統(tǒng)的年代，完全沒(méi)有任何程序，人們通過(guò)各種按鈕來(lái)控制計(jì)算機(jī)，這一過(guò)程非常麻煩。

于是，有人開(kāi)發(fā)出了僅具有加載和運(yùn)行功能的監(jiān)控程序，這就是操作系統(tǒng)的原型。通過(guò)事先啟動(dòng)監(jiān)控程序，程序員可以根據(jù)需要將各種程序加載到內(nèi)存中運(yùn)行。雖然仍舊比較麻煩，但比起在沒(méi)有任何程序的狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，工作量得到了很大的緩解。

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)诶帽O(jiān)控程序編寫(xiě)程序的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)很多程序都有公共的部分。例如，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行文字輸入，顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)展示等，如果每編寫(xiě)一個(gè)新的應(yīng)用程序都需要相同的處理的話，那真是太浪費(fèi)時(shí)間了。

因此，基本的輸入輸出部分的程序就被追加到了監(jiān)控程序中。初期的操作系統(tǒng)就是這樣誕生了。

類似的想法可以共用，人們又發(fā)現(xiàn)有更多的應(yīng)用程序可以追加到監(jiān)控程序中，比如硬件控制程序，編程語(yǔ)言處理器(匯編、編譯、解析)以及各種應(yīng)用程序等，結(jié)果就形成了和現(xiàn)在差異不大的操作系統(tǒng)，也就是說(shuō)，其實(shí)操作系統(tǒng)是多個(gè)程序的集合體。

Windows 操作系統(tǒng)的特征

Windows 操作系統(tǒng)是世界上用戶數(shù)量最龐大的群體，作為 Windows 操作系統(tǒng)的資深用戶，你都知道 Windows 操作系統(tǒng)有哪些特征嗎？下面列舉了一些 Windows 操作系統(tǒng)的特性

• Windows 操作系統(tǒng)有兩個(gè)版本：32位和64位
• 通過(guò) API 函數(shù)集成來(lái)提供系統(tǒng)調(diào)用
• 提供了采用圖形用戶界面的用戶界面
• 通過(guò) WYSIWYG 實(shí)現(xiàn)打印輸出，WYSIWYG 其實(shí)就是 What You See Is What You Get ，值得是顯示器上顯示的圖形和文本都是可以原樣輸出到打印機(jī)打印的。
• 提供多任務(wù)功能，即能夠同時(shí)開(kāi)啟多個(gè)任務(wù)
• 提供網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫(kù)功能
• 通過(guò)即插即用實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的自設(shè)定

這些是對(duì)程序員來(lái)講比較有意義的一些特征，下面針對(duì)這些特征來(lái)進(jìn)行分別的介紹

32位操作系統(tǒng)

這里表示的32位操作系統(tǒng)表示的是處理效率最高的數(shù)據(jù)大小。Windows 處理數(shù)據(jù)的基本單位是 32 位。這與最一開(kāi)始在 MS-DOS 等16位操作系統(tǒng)不同，因?yàn)樵?6位操作系統(tǒng)中處理32位數(shù)據(jù)需要兩次，而32位操作系統(tǒng)只需要一次就能夠處理32位的數(shù)據(jù)，所以一般在 windows 上的應(yīng)用，它們的最高能夠處理的數(shù)據(jù)都是 32 位的。

比如，用 C 語(yǔ)言來(lái)處理整數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，有8位的 char 類型，16位的short類型，以及32位的long類型三個(gè)選項(xiàng)，使用位數(shù)較大的 long 類型進(jìn)行處理的話，增加的只是內(nèi)存以及磁盤(pán)的開(kāi)銷，對(duì)性能影響不大。

現(xiàn)在市面上大部分都是64位操作系統(tǒng)了，64位操作系統(tǒng)也是如此。

通過(guò) API 函數(shù)集來(lái)提供系統(tǒng)調(diào)用

Windows 是通過(guò)名為 API 的函數(shù)集來(lái)提供系統(tǒng)調(diào)用的。API是聯(lián)系應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間的接口，全稱叫做 Application Programming Interface,應(yīng)用程序接口。

當(dāng)前主流的32位版 Windows API 也稱為 Win32 API，之所以這樣命名，是需要和不同的操作系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，比如最一開(kāi)始的 16 位版的 Win16 API，和后來(lái)流行的 Win64 API 。

API 通過(guò)多個(gè) DLL 文件來(lái)提供，各個(gè) API 的實(shí)體都是用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)。所以，在 C 語(yǔ)言環(huán)境下，使用 API 更加容易，比如 API 所用到的 MessageBox() 函數(shù)，就被保存在了 Windows 提供的 user32.dll 這個(gè) DLL 文件中。

提供采用了 GUI 的用戶界面

GUI(Graphical User Interface) 指得就是圖形用戶界面，通過(guò)點(diǎn)擊顯示器中的窗口以及圖標(biāo)等可視化的用戶界面，舉個(gè)例子：Linux 操作系統(tǒng)就有兩個(gè)版本，一種是簡(jiǎn)潔版，直接通過(guò)命令行控制硬件，還有一種是可視化版，通過(guò)光標(biāo)點(diǎn)擊圖形界面來(lái)控制硬件。

通過(guò) WYSIWYG 實(shí)現(xiàn)打印輸出

WYSIWYG 指的是顯示器上輸出的內(nèi)容可以直接通過(guò)打印機(jī)打印輸出。在 Windows 中，顯示器和打印機(jī)被認(rèn)作同等的圖形輸出設(shè)備處理的，該功能也為 WYSIWYG 提供了條件。

借助 WYSIWYG 功能，程序員可以輕松不少。最初，為了是現(xiàn)在顯示器中顯示和在打印機(jī)中打印，就必須分別編寫(xiě)各自的程序，而在 Windows 中，可以借助 WYSIWYG 基本上在一個(gè)程序中就可以做到顯示和打印這兩個(gè)功能了。

提供多任務(wù)功能

多任務(wù)指的就是同時(shí)能夠運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序的功能，Windows 是通過(guò)時(shí)鐘分割技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能的。時(shí)鐘分割指的是短時(shí)間間隔內(nèi)，多個(gè)程序切換運(yùn)行的方式。在用戶看來(lái)，就好像是多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，其底層是 CPU 時(shí)間切片，這也是多線程多任務(wù)的核心。

CPU分片，也是時(shí)鐘分割

提供網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫(kù)功能

Windows 中，網(wǎng)絡(luò)功能是作為標(biāo)準(zhǔn)功能提供的。數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器)功能有時(shí)也會(huì)在后面追加。

網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫(kù)功能雖然并不是操作系統(tǒng)不可或缺的，但因?yàn)樗鼈兒筒僮飨到y(tǒng)很接近，所以被統(tǒng)稱為中間件而不是應(yīng)用。意思是處于操作系統(tǒng)和應(yīng)用的中間層，操作系統(tǒng)和中間件組合在一起，稱為系統(tǒng)軟件。應(yīng)用不僅可以利用操作系統(tǒng)，也可以利用中間件的功能。

應(yīng)用可以使用操作系統(tǒng)和中間件

相對(duì)于操作系統(tǒng)一旦安裝就不能輕易更換，中間件可以根據(jù)需要進(jìn)行更換，不過(guò)，對(duì)于大部分應(yīng)用來(lái)說(shuō)，更換中間件的話，會(huì)造成應(yīng)用也隨之更換，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，更?換中間件也不是那么容易。

通過(guò)即插即用實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)設(shè)定

即插即用(Plug-and-Play)指的是新的設(shè)備連接(plug) 后就可以直接使用的機(jī)制，新設(shè)備連接計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)安裝和設(shè)定用來(lái)控制該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)是操作系統(tǒng)的一部分，提供了同硬件進(jìn)行基本的輸入輸出的功能。鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、磁盤(pán)裝置等，這些計(jì)算機(jī)中必備的硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，一般都是隨操作系統(tǒng)一起安裝的。

有時(shí) DLL 文件也會(huì)同設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件一起安裝。這些 DLL 文件中存儲(chǔ)著用來(lái)利用該新追加的硬件API，通過(guò) API ，可以制作出運(yùn)行該硬件的心應(yīng)用。

匯編語(yǔ)言和本地代碼

我們?cè)谥暗奈恼轮刑接戇^(guò)，計(jì)算機(jī) CPU 只能運(yùn)行本地代碼(機(jī)器語(yǔ)言)程序，用 C 語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼，需要經(jīng)過(guò)編譯器編譯后，轉(zhuǎn)換為本地代碼才能夠被 CPU 解釋執(zhí)行。

但是本地代碼的可讀性非常差，所以需要使用一種能夠直接讀懂的語(yǔ)言來(lái)替換本地代碼，那就是在各本地代碼中，附帶上表示其功能的英文縮寫(xiě)，比如在加法運(yùn)算的本地代碼加上add(addition) 的縮寫(xiě)、在比較運(yùn)算符的本地代碼中加上cmp(compare)的縮寫(xiě)等，這些通過(guò)縮寫(xiě)來(lái)表示具體本地代碼指令的標(biāo)志稱為 助記符，使用助記符的語(yǔ)言稱為匯編語(yǔ)言。這樣，通過(guò)閱讀匯編語(yǔ)言，也能夠了解本地代碼的含義了。

不過(guò)，即使是使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的源代碼，最終也必須要轉(zhuǎn)換為本地代碼才能夠運(yùn)行，負(fù)責(zé)做這項(xiàng)工作的程序稱為編譯器，轉(zhuǎn)換的這個(gè)過(guò)程稱為匯編。在將源代碼轉(zhuǎn)換為本地代碼這個(gè)功能方面，匯編器和編譯器是同樣的。

用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的源代碼和本地代碼是一一對(duì)應(yīng)的。因而，本地代碼也可以反過(guò)來(lái)轉(zhuǎn)換成匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼。把本地代碼轉(zhuǎn)換為匯編代碼的這一過(guò)程稱為反匯編，執(zhí)行反匯編的程序稱為反匯編程序。

本地代碼和匯編語(yǔ)言一對(duì)一的轉(zhuǎn)換

哪怕是 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的源代碼，編譯后也會(huì)轉(zhuǎn)換成特定 CPU 用的本地代碼。而將其反匯編的話，就可以得到匯編語(yǔ)言的源代碼，并對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查。不過(guò)，本地代碼變成 C 語(yǔ)言源代碼的反編譯，要比本地代碼轉(zhuǎn)換成匯編代碼的反匯編要困難，這是因?yàn)?，C 語(yǔ)言代碼和本地代碼不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

通過(guò)編譯器輸出匯編語(yǔ)言的源代碼

我們上面提到本地代碼可以經(jīng)過(guò)反匯編轉(zhuǎn)換成為匯編代碼，但是只有這一種轉(zhuǎn)換方式嗎？顯然不是，C 語(yǔ)言編寫(xiě)的源代碼也能夠通過(guò)編譯器編譯稱為匯編代碼，下面就來(lái)嘗試一下。

首先需要先做一些準(zhǔn)備，需要先下載 Borland C++ 5.5 編譯器，為了方便，我這邊直接下載好了讀者直接從我的百度網(wǎng)盤(pán)提取即可 （鏈接:https://pan.baidu.com/s/19LqVICpn5GcV88thD2AnlA  密碼:hz1u）

下載完畢，需要進(jìn)行配置，下面是配置說(shuō)明 （https://wenku.baidu.com/view/22e2f418650e52ea551898ad.html），教程很完整跟著配置就可以，下面開(kāi)始我們的編譯過(guò)程

首先用 Windows 記事本等文本編輯器編寫(xiě)如下代碼

// 返回兩個(gè)參數(shù)值之和的函數(shù)
int AddNum(int a,int b){
  return a + b;
}

// 調(diào)用 AddNum 函數(shù)的函數(shù)
void MyFunc(){
  int c;
  c = AddNum(123,456);
}

編寫(xiě)完成后將其文件名保存為 Sample4.c ，C 語(yǔ)言源文件的擴(kuò)展名，通常用.c 來(lái)表示，上面程序是提供兩個(gè)輸入?yún)?shù)并返回它們之和。

在 Windows 操作系統(tǒng)下打開(kāi) 命令提示符，切換到保存 Sample4.c 的文件夾下，然后在命令提示符中輸入

bcc32 -c -S Sample4.c

bcc32 是啟動(dòng) Borland C++ 的命令，-c 的選項(xiàng)是指僅進(jìn)行編譯而不進(jìn)行鏈接，-S 選項(xiàng)被用來(lái)指定生成匯編語(yǔ)言的源代碼

作為編譯的結(jié)果，當(dāng)前目錄下會(huì)生成一個(gè)名為Sample4.asm 的匯編語(yǔ)言源代碼。

匯編語(yǔ)言源文件的擴(kuò)展名，通常用.asm 來(lái)表示，下面就讓我們用編輯器打開(kāi)看一下 Sample4.asm 中的內(nèi)容

	.386p
	ifdef ??version
	if    ??version GT 500H
	.mmx
	endif
	endif
	model flat
	ifndef	??version
	?debug	macro
	endm
	endif
	?debug	S "Sample4.c"
	?debug	T "Sample4.c"
_TEXT	segment dword public use32 'CODE'
_TEXT	ends
_DATA	segment dword public use32 'DATA'
_DATA	ends
_BSS	segment dword public use32 'BSS'
_BSS	ends
DGROUP	group	_BSS,_DATA
_TEXT	segment dword public use32 'CODE'
_AddNum	proc	near
?live1@0:
   ;	
   ;	int AddNum(int a,int b){
   ;	
	push      ebp
	mov       ebp,esp
   ;	
   ;	
   ;	    return a + b;
   ;	
@1:
	mov       eax,dword ptr [ebp+8]
	add       eax,dword ptr [ebp+12]
   ;	
   ;	}
   ;	
@3:
@2:
	pop       ebp
	ret
_AddNum	endp
_MyFunc	proc	near
?live1@48:
   ;	
   ;	void MyFunc(){
   ;	
	push      ebp
	mov       ebp,esp
   ;	
   ;	    int c;
   ;	    c = AddNum(123,456);
   ;	
@4:
	push      456
	push      123
	call      _AddNum
	add       esp,8
   ;	
   ;	}
   ;	
@5:
	pop       ebp
	ret
_MyFunc	endp
_TEXT	ends
	public	_AddNum
	public	_MyFunc
	?debug	D "Sample4.c" 20343 45835
	end

這樣，編譯器就成功的把 C 語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成為了匯編代碼了。

不會(huì)轉(zhuǎn)換成本地代碼的偽指令

第一次看到匯編代碼的讀者可能感覺(jué)起來(lái)比較難，不過(guò)實(shí)際上其實(shí)比較簡(jiǎn)單，而且可能比 C 語(yǔ)言還要簡(jiǎn)單，為了便于閱讀匯編代碼的源代碼，需要注意幾個(gè)要點(diǎn)

匯編語(yǔ)言的源代碼，是由轉(zhuǎn)換成本地代碼的指令（后面講述的操作碼）和針對(duì)匯編器的偽指令構(gòu)成的。偽指令負(fù)責(zé)把程序的構(gòu)造以及匯編的方法指示給匯編器（轉(zhuǎn)換程序）。不過(guò)偽指令是無(wú)法匯編轉(zhuǎn)換成為本地代碼的。下面是上面程序截取的偽指令

_TEXT	segment dword public use32 'CODE'
_TEXT	ends
_DATA	segment dword public use32 'DATA'
_DATA	ends
_BSS	segment dword public use32 'BSS'
_BSS	ends
DGROUP	group	_BSS,_DATA

_AddNum	proc	near
_AddNum	endp

_MyFunc	proc	near
_MyFunc	endp

_TEXT	ends
	end

由偽指令 segment 和 ends 圍起來(lái)的部分，是給構(gòu)成程序的命令和數(shù)據(jù)的集合體上加一個(gè)名字而得到的，稱為段定義。段定義的英文表達(dá)具有區(qū)域的意思，在這個(gè)程序中，段定義指的是命令和數(shù)據(jù)等程序的集合體的意思，一個(gè)程序由多個(gè)段定義構(gòu)成。

上面代碼的開(kāi)始位置，定義了3個(gè)名稱分別為 _TEXT、_DATA、_BSS 的段定義，_TEXT 是指定的段定義，_DATA 是被初始化（有初始值）的數(shù)據(jù)的段定義，_BSS 是尚未初始化的數(shù)據(jù)的段定義。這種定義的名稱是由 Borland C++ 定義的，是由 Borland C++ 編譯器自動(dòng)分配的，所以程序段定義的順序就成為了 _TEXT、_DATA、_BSS ，這樣也確保了內(nèi)存的連續(xù)性

_TEXT	segment dword public use32 'CODE'
_TEXT	ends
_DATA	segment dword public use32 'DATA'
_DATA	ends
_BSS	segment dword public use32 'BSS'
_BSS	ends

段定義( segment ) 是用來(lái)區(qū)分或者劃分范圍區(qū)域的意思。匯編語(yǔ)言的 segment 偽指令表示段定義的起始，ends 偽指令表示段定義的結(jié)束。段定義是一段連續(xù)的內(nèi)存空間

而group 這個(gè)偽指令表示的是將 _BSS和_DATA 這兩個(gè)段定義匯總名為 DGROUP 的組

DGROUP	group	_BSS,_DATA

圍起 _AddNum 和 _MyFun 的 _TEXT segment 和 _TEXT  ends ，表示_AddNum 和 _MyFun 是屬于 _TEXT 這一段定義的。

_TEXT	segment dword public use32 'CODE'
_TEXT	ends

因此，即使在源代碼中指令和數(shù)據(jù)是混雜編寫(xiě)的，經(jīng)過(guò)編譯和匯編后，也會(huì)轉(zhuǎn)換成為規(guī)整的本地代碼。

_AddNum proc 和 _AddNum endp 圍起來(lái)的部分，以及_MyFunc proc 和 _MyFunc endp 圍起來(lái)的部分，分別表示 AddNum 函數(shù)和 MyFunc 函數(shù)的范圍。

_AddNum	proc	near
_AddNum	endp

_MyFunc	proc	near
_MyFunc	endp

編譯后在函數(shù)名前附帶上下劃線_ ，是 Borland C++ 的規(guī)定。在 C 語(yǔ)言中編寫(xiě)的 AddNum 函數(shù)，在內(nèi)部是以 _AddNum 這個(gè)名稱處理的。偽指令 proc 和 endp 圍起來(lái)的部分，表示的是 過(guò)程(procedure) 的范圍。在匯編語(yǔ)言中，這種相當(dāng)于 C 語(yǔ)言的函數(shù)的形式稱為過(guò)程。

末尾的 end 偽指令，表示的是源代碼的結(jié)束。

匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法是 操作碼 + 操作數(shù)

在匯編語(yǔ)言中，一行表示一對(duì) CPU 的一個(gè)指令。匯編語(yǔ)言指令的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)是 操作碼 + 操作數(shù)，也存在只有操作碼沒(méi)有操作數(shù)的指令。

操作碼表示的是指令動(dòng)作，操作數(shù)表示的是指令對(duì)象。操作碼和操作數(shù)一起使用就是一個(gè)英文指令。比如從英語(yǔ)語(yǔ)法來(lái)分析的話，操作碼是動(dòng)詞，操作數(shù)是賓語(yǔ)。比如這個(gè)句子 Give me money這個(gè)英文指令的話，Give 就是操作碼，me 和 money 就是操作數(shù)。匯編語(yǔ)言中存在多個(gè)操作數(shù)的情況，要用逗號(hào)把它們分割，就像是 Give me,money 這樣。

能夠使用何種形式的操作碼，是由 CPU 的種類決定的，下面對(duì)操作碼的功能進(jìn)行了整理。

本地代碼需要加載到內(nèi)存后才能運(yùn)行，內(nèi)存中存儲(chǔ)著構(gòu)成本地代碼的指令和數(shù)據(jù)。程序運(yùn)行時(shí)，CPU會(huì)從內(nèi)存中把數(shù)據(jù)和指令讀出來(lái)，然后放在 CPU 內(nèi)部的寄存器中進(jìn)行處理。

如果 CPU 和內(nèi)存的關(guān)系你還不是很了解的話，請(qǐng)閱讀作者的另一篇文章 程序員需要了解的硬核知識(shí)之CPU 詳細(xì)了解。

寄存器是 CPU 中的存儲(chǔ)區(qū)域，寄存器除了具有臨時(shí)存儲(chǔ)和計(jì)算的功能之外，還具有運(yùn)算功能，x86 系列的主要種類和角色如下圖所示

指令解析

下面就對(duì) CPU 中的指令進(jìn)行分析

最常用的 mov 指令

指令中最常使用的是對(duì)寄存器和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的 mov 指令，mov 指令的兩個(gè)操作數(shù)，分別用來(lái)指定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地和讀出源。

操作數(shù)中可以指定寄存器、常數(shù)、標(biāo)簽(附加在地址前)，以及用方括號(hào)([]) 圍起來(lái)的這些內(nèi)容。如果指定了沒(méi)有用([]) 方括號(hào)圍起來(lái)的內(nèi)容，就表示對(duì)該值進(jìn)行處理；如果指定了用方括號(hào)圍起來(lái)的內(nèi)容，方括號(hào)的值則會(huì)被解釋為內(nèi)存地址，然后就會(huì)對(duì)該內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的值進(jìn)行讀寫(xiě)操作。讓我們對(duì)上面的代碼片段進(jìn)行說(shuō)明

	mov       ebp,esp
	mov       eax,dword ptr [ebp+8]

mov ebp,esp 中，esp 寄存器中的值被直接存儲(chǔ)在了 ebp 中，也就是說(shuō)，如果 esp 寄存器的值是100的話那么 ebp 寄存器的值也是 100。

而在 mov eax,dword ptr [ebp+8] 這條指令中，ebp 寄存器的值 + 8 后會(huì)被解析稱為內(nèi)存地址。如果 ebp

寄存器的值是100的話，那么 eax 寄存器的值就是 100 + 8 的地址的值。dword ptr 也叫做 double word pointer 簡(jiǎn)單解釋一下就是從指定的內(nèi)存地址中讀出4字節(jié)的數(shù)據(jù)

對(duì)棧進(jìn)行 push 和 pop

程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)在內(nèi)存上申請(qǐng)分配一個(gè)稱為棧的數(shù)據(jù)空間。棧（stack）的特性是后入先出，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)是從內(nèi)存的下層（大的地址編號(hào)）逐漸往上層（小的地址編號(hào)）累積，讀出時(shí)則是按照從上往下進(jìn)行讀取的。

棧是存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)的區(qū)域，它的特點(diǎn)是通過(guò) push 指令和 pop 指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀出。向棧中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)稱為 入棧 ，從棧中讀出數(shù)據(jù)稱為 出棧，32位 x86 系列的 CPU 中，進(jìn)行1次 push 或者 pop，即可處理 32 位（4字節(jié)）的數(shù)據(jù)。

函數(shù)的調(diào)用機(jī)制

下面我們一起來(lái)分析一下函數(shù)的調(diào)用機(jī)制，我們以上面的 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼為例。首先，讓我們從MyFunc 函數(shù)調(diào)用AddNum 函數(shù)的匯編語(yǔ)言部分開(kāi)始，來(lái)對(duì)函數(shù)的調(diào)用機(jī)制進(jìn)行說(shuō)明。棧在函數(shù)的調(diào)用中發(fā)揮了巨大的作用，下面是經(jīng)過(guò)處理后的 MyFunc 函數(shù)的匯編處理內(nèi)容

_MyFunc 	 proc 	 near
	push 			ebp		  ; 將 ebp 寄存器的值存入棧中                                      (1)
	mov				ebp,esp ; 將 esp 寄存器的值存入 ebp 寄存器中	                      (2)
	push			456			; 將 456 入棧							      (3)
	push 			123			; 將 123 入棧							      (4)
	call			_AddNum ; 調(diào)用 AddNum 函數(shù)							      (5)
	add				esp,8		; esp 寄存器的值 + 8					      (6)
	pop				ebp			; 讀出棧中的數(shù)值存入 esp 寄存器中		      (7)
	ret 							; 結(jié)束 MyFunc 函數(shù)，返回到調(diào)用源		      (8)
_MyFunc 		endp
          

代碼解釋中的(1)、(2)、(7)、(8)的處理適用于 C 語(yǔ)言中的所有函數(shù)，我們會(huì)在后面展示 AddNum 函數(shù)處理內(nèi)容時(shí)進(jìn)行說(shuō)明。這里希望大家先關(guān)注(3) - (6) 這一部分，這對(duì)了解函數(shù)調(diào)用機(jī)制至關(guān)重要。

(3) 和 (4) 表示的是將傳遞給 AddNum 函數(shù)的參數(shù)通過(guò) push 入棧。在 C 語(yǔ)言源代碼中，雖然記述為函數(shù) AddNum(123,456)，但入棧時(shí)則會(huì)先按照 456，123 這樣的順序。也就是位于后面的數(shù)值先入棧。這是 C 語(yǔ)言的規(guī)定。

(5) 表示的 call 指令，會(huì)把程序流程跳轉(zhuǎn)到 AddNum 函數(shù)指令的地址處。在匯編語(yǔ)言中，函數(shù)名表示的就是函數(shù)所在的內(nèi)存地址。AddNum 函數(shù)處理完畢后，程序流程必須要返回到編號(hào)(6) 這一行。call 指令運(yùn)行后，call 指令的下一行(也就指的是 (6) 這一行)的內(nèi)存地址(調(diào)用函數(shù)完畢后要返回的內(nèi)存地址)會(huì)自動(dòng)的 push 入棧。該值會(huì)在 AddNum 函數(shù)處理的最后通過(guò) ret 指令 pop 出棧，然后程序會(huì)返回到 (6) 這一行。

(6) 部分會(huì)把棧中存儲(chǔ)的兩個(gè)參數(shù) (456 和 123) 進(jìn)行銷毀處理。雖然通過(guò)兩次的 pop 指令也可以實(shí)現(xiàn)，不過(guò)采用 esp 寄存器 + 8 的方式會(huì)更有效率(處理 1 次即可)。對(duì)棧進(jìn)行數(shù)值的輸入和輸出時(shí)，數(shù)值的單位是4字節(jié)。因此，通過(guò)在負(fù)責(zé)棧地址管理的 esp 寄存器中加上4的2倍8，就可以達(dá)到和運(yùn)行兩次 pop 命令同樣的效果。雖然內(nèi)存中的數(shù)據(jù)實(shí)際上還殘留著，但只要把 esp 寄存器的值更新為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址前面的數(shù)據(jù)位置，該數(shù)據(jù)也就相當(dāng)于銷毀了。

我在編譯 Sample4.c 文件時(shí)，出現(xiàn)了下圖的這條消息

圖中的意思是指 c 的值在 MyFunc 定義了但是一直未被使用，這其實(shí)是一項(xiàng)編譯器優(yōu)化的功能，由于存儲(chǔ)著 AddNum 函數(shù)返回值的變量 c 在后面沒(méi)有被用到，因此編譯器就認(rèn)為 該變量沒(méi)有意義，進(jìn)而也就沒(méi)有生成與之對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言代碼。

下圖是調(diào)用 AddNum 這一函數(shù)前后棧內(nèi)存的變化

函數(shù)的內(nèi)部處理

上面我們用匯編代碼分析了一下 Sample4.c 整個(gè)過(guò)程的代碼，現(xiàn)在我們著重分析一下 AddNum 函數(shù)的源代碼部分，分析一下參數(shù)的接收、返回值和返回等機(jī)制

_AddNum 		proc		near
	push			ebp			               (1)
	mov				ebp,esp                          (2)
	mov				eax,dword ptr[ebp+8]     (3)
	add				eax,dword ptr[ebp+12]   (4)
	pop				ebp				       (5)
	ret				                                       (6)
_AddNum			endp
 

ebp 寄存器的值在(1)中入棧，在(5)中出棧，這主要是為了把函數(shù)中用到的 ebp 寄存器的內(nèi)容，恢復(fù)到函數(shù)調(diào)用前的狀態(tài)。

(2) 中把負(fù)責(zé)管理?xiàng)５刂返?esp 寄存器的值賦值到了 ebp 寄存器中。這是因?yàn)?，?mov 指令中方括號(hào)內(nèi)的參數(shù)，是不允許指定 esp 寄存器的。因此，這里就采用了不直接通過(guò) esp，而是用 ebp 寄存器來(lái)讀寫(xiě)棧內(nèi)容的方法。

(3) 使用[ebp + 8] 指定棧中存儲(chǔ)的第1個(gè)參數(shù)123，并將其讀出到 eax 寄存器中。像這樣，不使用 pop 指令，也可以參照棧的內(nèi)容。而之所以從多個(gè)寄存器中選擇了 eax 寄存器，是因?yàn)?eax 是負(fù)責(zé)運(yùn)算的累加寄存器。

通過(guò)(4) 的 add 指令，把當(dāng)前 eax 寄存器的值同第2個(gè)參數(shù)相加后的結(jié)果存儲(chǔ)在 eax 寄存器中。[ebp + 12] 是用來(lái)指定第2個(gè)參數(shù)456的。在 C 語(yǔ)言中，函數(shù)的返回值必須通過(guò) eax 寄存器返回，這也是規(guī)定。也就是 函數(shù)的參數(shù)是通過(guò)棧來(lái)傳遞，返回值是通過(guò)寄存器返回的。

(6) 中 ret 指令運(yùn)行后，函數(shù)返回目的地內(nèi)存地址會(huì)自動(dòng)出棧，據(jù)此，程序流程就會(huì)跳轉(zhuǎn)返回到(6) (Call _AddNum) 的下一行。這時(shí)，AddNum 函數(shù)入口和出口處棧的狀態(tài)變化，就如下圖所示

全局變量和局部變量

在熟悉了匯編語(yǔ)言后，接下來(lái)我們來(lái)了解一下全局變量和局部變量，在函數(shù)外部定義的變量稱為全局變量，在函數(shù)內(nèi)部定義的變量稱為局部變量，全局變量可以在任意函數(shù)中使用，局部變量只能在函數(shù)定義局部變量的內(nèi)部使用。下面，我們就通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)看一下全局變量和局部變量的不同之處。

下面定義的 C 語(yǔ)言代碼分別定義了局部變量和全局變量，并且給各變量進(jìn)行了賦值，我們先看一下源代碼部分

// 定義被初始化的全局變量
int a1 = 1;
int a2 = 2;
int a3 = 3;
int a4 = 4;
int a5 = 5;

// 定義沒(méi)有初始化的全局變量
int b1,b2,b3,b4,b5;

// 定義函數(shù)
void MyFunc(){
  // 定義局部變量
  int c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,c9,c10;
  
  // 給局部變量賦值
  c1 = 1;
  c2 = 2;
  c3 = 3;
  c4 = 4;
  c5 = 5;
  c6 = 6;
  c7 = 7;
  c8 = 8;
  c9 = 9;
  c10 = 10;
  
  // 把局部變量賦值給全局變量
  a1 = c1;
  a2 = c2;
  a3 = c3;
  a4 = c4;
  a5 = c5;
  b1 = c6;
  b2 = c7;
  b3 = c8;
  b4 = c9;
  b5 = c10;
}

上面的代碼挺暴力的，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，能夠便于我們分析其匯編源碼就好，我們用 Borland C++ 編譯后的匯編代碼如下，編譯完成后的源碼比較長(zhǎng)，這里我們只拿出來(lái)一部分作為分析使用（我們改變了一下段定義順序，刪除了部分注釋）

_DATA segment dword public use32 'DATA'
   align 4
  _a1 label dword
   			dd 1
   align 4
  _a2 label dword
   			dd 2
   align 4
  _a3 label dword
   			dd 3
   align 4
  _a4 label dword
   			dd 4
   align 4
  _a5 label dword
   			dd 5
_DATA ends

_BSS segment dword public use32 'BSS'
 align 4
  _b1 label dword
   			db 4 dup(?)
   align 4
  _b2 label dword
   			db 4 dup(?)
   align 4
  _b3 label dword
   			db 4 dup(?)
   align 4
  _b4 label dword
   			db 4 dup(?)
   align 4
  _b5 label dword
   			db 4 dup(?)
_BSS ends

_TEXT segment dword public use32 'CODE'
_MyFunc proc near

 push      ebp
 mov       ebp,esp
 add       esp,-20
 push      ebx
 push      esi
 mov       eax,1
 mov       edx,2
 mov       ecx,3
 mov       ebx,4
 mov       esi,5
 mov       dword ptr [ebp-4],6
 mov       dword ptr [ebp-8],7
 mov       dword ptr [ebp-12],8
 mov       dword ptr [ebp-16],9
 mov       dword ptr [ebp-20],10
 mov       dword ptr [_a1],eax
 mov       dword ptr [_a2],edx
 mov       dword ptr [_a3],ecx
 mov       dword ptr [_a4],ebx
 mov       dword ptr [_a5],esi
 mov       eax,dword ptr [ebp-4]
 mov       dword ptr [_b1],eax
 mov       edx,dword ptr [ebp-8]
 mov       dword ptr [_b2],edx
 mov       ecx,dword ptr [ebp-12]
 mov       dword ptr [_b3],ecx
 mov       eax,dword ptr [ebp-16]
 mov       dword ptr [_b4],eax
 mov       edx,dword ptr [ebp-20]
 mov       dword ptr [_b5],edx
 pop       esi
 pop       ebx
 mov       esp,ebp
 pop       ebp
 ret
 
_MyFunc   endp
_TEXT 	ends

編譯后的程序，會(huì)被歸類到名為段定義的組。

• 初始化的全局變量，會(huì)匯總到名為 _DATA 的段定義中

_DATA segment dword public use32 'DATA'
...
_DATA ends

• 沒(méi)有初始化的全局變量，會(huì)匯總到名為 _BSS 的段定義中

_BSS segment dword public use32 'BSS'
 ...
_BSS ends

• 被段定義 _TEXT 圍起來(lái)的匯編代碼則是 Borland C++ 的定義

_TEXT segment dword public use32 'CODE'
_MyFunc proc near
...
_MyFunc   endp
_TEXT 	ends

我們?cè)诜治錾厦鎱R編代碼之前，先來(lái)認(rèn)識(shí)一下更多的匯編指令，此表是對(duì)上面部分操作碼及其功能的接續(xù)

我們首先來(lái)看一下 _DATA 段定義的內(nèi)容。_a1 label dword 定義了 _a1 這個(gè)標(biāo)簽。

標(biāo)簽表示的是相對(duì)于段定義起始位置的位置。由于_a1 在 _DATA 段定義的開(kāi)頭位置，所以相對(duì)位置是0。_a1 就相當(dāng)于是全局變量a1。編譯后的函數(shù)名和變量名前面會(huì)加一個(gè)(_)，這也是 Borland C++ 的規(guī)定。dd 1 指的是，申請(qǐng)分配了4字節(jié)的內(nèi)存空間，存儲(chǔ)著1這個(gè)初始值。dd指的是 define double word表示有兩個(gè)長(zhǎng)度為2的字節(jié)領(lǐng)域(word)，也就是4字節(jié)的意思。

Borland C++ 中，由于int 類型的長(zhǎng)度是4字節(jié)，因此匯編器就把 int a1 = 1 變換成了 _a1 label dword 和 dd 1。同樣，這里也定義了相當(dāng)于全局變量的 a2 - a5 的標(biāo)簽 _a2 - _a5，它們各自的初始值 2 - 5 也被存儲(chǔ)在各自的4字節(jié)中。

接下來(lái)，我們來(lái)說(shuō)一說(shuō) _BSS 段定義的內(nèi)容。這里定義了相當(dāng)于全局變量 b1 - b5 的標(biāo)簽 _b1 - _b5。其中的db 4dup(?) 表示的是申請(qǐng)分配了4字節(jié)的領(lǐng)域，但值尚未確定（這里用 ? 來(lái)表示）的意思。db(define byte) 表示有1個(gè)長(zhǎng)度是1字節(jié)的內(nèi)存空間。因而，db 4 dup(?) 的情況下，就是4字節(jié)的內(nèi)存空間。

注意：db 4 dup(?) 不要和 dd 4 混淆了，前者表示的是4個(gè)長(zhǎng)度是1字節(jié)的內(nèi)存空間。而 db 4 表示的則是雙字節(jié)( = 4 字節(jié)) 的內(nèi)存空間中存儲(chǔ)的值是 4

臨時(shí)確保局部變量使用的內(nèi)存空間

我們知道，局部變量是臨時(shí)保存在寄存器和棧中的。函數(shù)內(nèi)部利用棧進(jìn)行局部變量的存儲(chǔ)，函數(shù)調(diào)用完成后，局部變量值被銷毀，但是寄存器可能用于其他目的。所以，局部變量只是函數(shù)在處理期間臨時(shí)存儲(chǔ)在寄存器和棧中的。

回想一下上述代碼是不是定義了10個(gè)局部變量？這是為了表示存儲(chǔ)局部變量的不僅僅是棧，還有寄存器。為了確保 c1 - c10 所需的域，寄存器空閑的時(shí)候就會(huì)使用寄存器，寄存器空間不足的時(shí)候就會(huì)使用棧。

讓我們繼續(xù)來(lái)分析上面代碼的內(nèi)容。_TEXT段定義表示的是 MyFunc 函數(shù)的范圍。在 MyFunc 函數(shù)中定義的局部變量所需要的內(nèi)存領(lǐng)域。會(huì)被盡可能的分配在寄存器中。大家可能認(rèn)為使用高性能的寄存器來(lái)替代普通的內(nèi)存是一種資源浪費(fèi)，但是編譯器不這么認(rèn)為，只要寄存器有空間，編譯器就會(huì)使用它。由于寄存器的訪問(wèn)速度遠(yuǎn)高于內(nèi)存，所以直接訪問(wèn)寄存器能夠高效的處理。局部變量使用寄存器，是 Borland C++ 編譯器最優(yōu)化的運(yùn)行結(jié)果。

代碼清單中的如下內(nèi)容表示的是向寄存器中分配局部變量的部分

mov       eax,1
mov       edx,2
mov       ecx,3
mov       ebx,4
mov       esi,5

僅僅對(duì)局部變量進(jìn)行定義是不夠的，只有在給局部變量賦值時(shí)，才會(huì)被分配到寄存器的內(nèi)存區(qū)域。上述代碼相當(dāng)于就是給5個(gè)局部變量 c1 - c5 分別賦值為 1 - 5。eax、edx、ecx、ebx、esi 是 x86 系列32位 CPU 寄存器的名稱。至于使用哪個(gè)寄存器，是由編譯器來(lái)決定的 。

x86 系列 CPU 擁有的寄存器中，程序可以操作的是十幾，其中空閑的最多會(huì)有幾個(gè)。因而，局部變量超過(guò)寄存器數(shù)量的時(shí)候，可分配的寄存器就不夠用了，這種情況下，編譯器就會(huì)把棧派上用場(chǎng)，用來(lái)存儲(chǔ)剩余的局部變量。

在上述代碼這一部分，給局部變量c1 - c5 分配完寄存器后，可用的寄存器數(shù)量就不足了。于是，剩下的5個(gè)局部變量c6 - c10 就被分配給了棧的內(nèi)存空間。如下面代碼所示

mov       dword ptr [ebp-4],6
mov       dword ptr [ebp-8],7
mov       dword ptr [ebp-12],8
mov       dword ptr [ebp-16],9
mov       dword ptr [ebp-20],10

函數(shù)入口 add esp,-20 指的是，對(duì)棧數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的 esp 寄存器(棧指針)的值做減20的處理。為了確保內(nèi)存變量 c6 - c10 在棧中，就需要保留5個(gè) int 類型的局部變量（4字節(jié) * 5 = 20 字節(jié)）所需的空間。

mov ebp,esp這行指令表示的意思是將 esp 寄存器的值賦值到 ebp 寄存器。之所以需要這么處理，是為了通過(guò)在函數(shù)出口處 mov esp ebp 這一處理，把 esp 寄存器的值還原到原始狀態(tài)，從而對(duì)申請(qǐng)分配的?？臻g進(jìn)行釋放，這時(shí)棧中用到的局部變量就消失了。這也是棧的清理處理。在使用寄存器的情況下，局部變量則會(huì)在寄存器被用于其他用途時(shí)自動(dòng)消失，如下圖所示。

 mov       dword ptr [ebp-4],6
 mov       dword ptr [ebp-8],7
 mov       dword ptr [ebp-12],8
 mov       dword ptr [ebp-16],9
 mov       dword ptr [ebp-20],10

這五行代碼是往?？臻g代入數(shù)值的部分，由于在向棧申請(qǐng)內(nèi)存空間前，借助了 mov ebp, esp這個(gè)處理，esp 寄存器的值被保存到了 esp 寄存器中，因此，通過(guò)使用[ebp - 4]、[ebp - 8]、[ebp - 12]、[ebp - 16]、[ebp - 20] 這樣的形式，就可以申請(qǐng)分配20字節(jié)的棧內(nèi)存空間切分成5個(gè)長(zhǎng)度為4字節(jié)的空間來(lái)使用。

例如，mov dword ptr [ebp-4],6 表示的就是，從申請(qǐng)分配的內(nèi)存空間的下端(ebp寄存器指示的位置)開(kāi)始向前4字節(jié)的地址([ebp - 4]) 中，存儲(chǔ)著6這一4字節(jié)數(shù)據(jù)。

循環(huán)控制語(yǔ)句的處理

上面說(shuō)的都是順序流程，那么現(xiàn)在就讓我們分析一下循環(huán)流程的處理，看一下 for 循環(huán)以及 if 條件分支等 c 語(yǔ)言程序的 流程控制是如何實(shí)現(xiàn)的，我們還是以代碼以及編譯后的結(jié)果為例，看一下程序控制流程的處理過(guò)程。

// 定義MySub 函數(shù)
void MySub(){
  // 不做任何處理
  
}

// 定義MyFunc 函數(shù)
void Myfunc(){
  int i;
  for(int i = 0;i < 10;i++){
    // 重復(fù)調(diào)用MySub十次
    MySub();
  }
}

上述代碼將局部變量 i 作為循環(huán)條件，循環(huán)調(diào)用十次MySub 函數(shù)，下面是它主要的匯編代碼

		xor 		ebx, ebx 	; 將寄存器清0
@4  call		_MySub		; 調(diào)用MySub函數(shù)
		inc			ebx				; ebx寄存器的值 + 1
		cmp			ebx,10		;	將ebx寄存器的值和10進(jìn)行比較
		jl			short @4	; 如果小于10就跳轉(zhuǎn)到 @4

C 語(yǔ)言中的 for 語(yǔ)句是通過(guò)在括號(hào)中指定循環(huán)計(jì)數(shù)器的初始值(i = 0)、循環(huán)的繼續(xù)條件(i < 10)、循環(huán)計(jì)數(shù)器的更新(i++) 這三種形式來(lái)進(jìn)行循環(huán)處理的。與此相對(duì)的匯編代碼就是通過(guò)比較指令(cmp) 和 跳轉(zhuǎn)指令(jl)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

下面我們來(lái)對(duì)上述代碼進(jìn)行說(shuō)明

MyFunc 函數(shù)中用到的局部變量只有 i ，變量 i 申請(qǐng)分配了 ebx 寄存器的內(nèi)存空間。for 語(yǔ)句括號(hào)中的 i = 0 被轉(zhuǎn)換為 xor ebx,ebx 這一處理，xor 指令會(huì)對(duì)左起第一個(gè)操作數(shù)和右起第二個(gè)操作數(shù)進(jìn)行 XOR 運(yùn)算，然后把結(jié)果存儲(chǔ)在第一個(gè)操作數(shù)中。

由于這里把第一個(gè)操作數(shù)和第二個(gè)操作數(shù)都指定為了 ebx，因此就變成了對(duì)相同數(shù)值的  XOR 運(yùn)算。也就是說(shuō)不管當(dāng)前寄存器的值是什么，最終的結(jié)果都是0。類似的，我們使用 mov ebx,0 也能得到相同的結(jié)果，但是 xor 指令的處理速度更快，而且編譯器也會(huì)啟動(dòng)最優(yōu)化功能。

XOR 指的就是異或操作，它的運(yùn)算規(guī)則是 如果a、b兩個(gè)值不相同，則異或結(jié)果為1。如果a、b兩個(gè)值相同，異或結(jié)果為0。

相同數(shù)值進(jìn)行 XOR 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為0。XOR 的運(yùn)算規(guī)則是，值不同時(shí)結(jié)果為1，值相同時(shí)結(jié)果為0。例如 01010101 和 01010101 進(jìn)行運(yùn)算，就會(huì)分別對(duì)各個(gè)數(shù)字位進(jìn)行 XOR 運(yùn)算。因?yàn)槊總€(gè)數(shù)字位都相同，所以運(yùn)算結(jié)果為0。

ebx 寄存器的值初始化后，會(huì)通過(guò) call 指定調(diào)用 _MySub 函數(shù)，從 _MySub 函數(shù)返回后，會(huì)執(zhí)行inc ebx 指令，對(duì) ebx 的值進(jìn)行 + 1 操作，這個(gè)操作就相當(dāng)于 i++ 的意思，++ 表示的就是當(dāng)前數(shù)值 + 1。

這里需要知道 i++ 和 ++i 的區(qū)別

i++ 是先賦值，復(fù)制完成后再對(duì) i執(zhí)行 + 1 操作

++i 是先進(jìn)行 +1 操作，完成后再進(jìn)行賦值

inc 下一行的 cmp 是用來(lái)對(duì)第一個(gè)操作數(shù)和第二個(gè)操作數(shù)的數(shù)值進(jìn)行比較的指令。cmp ebx,10 就相當(dāng)于 C 語(yǔ)言中的 i < 10 這一處理，意思是把 ebx 寄存器的值與10進(jìn)行比較。匯編語(yǔ)言中比較指令的結(jié)果，會(huì)存儲(chǔ)在 CPU 的標(biāo)志寄存器中。不過(guò)，標(biāo)志寄存器的值，程序是無(wú)法直接參考的。那如何判斷比較結(jié)果呢？

匯編語(yǔ)言中有多個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，這些跳轉(zhuǎn)指令會(huì)根據(jù)標(biāo)志寄存器的值來(lái)判斷是否進(jìn)行跳轉(zhuǎn)操作，例如最后一行的 jl，它會(huì)根據(jù) cmp ebx,10 指令所存儲(chǔ)在標(biāo)志寄存器中的值來(lái)判斷是否跳轉(zhuǎn)，jl 這條指令表示的就是 jump on less than(小于的話就跳轉(zhuǎn))。發(fā)現(xiàn)如果 i 比 10 小，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到 @4 所在的指令處繼續(xù)執(zhí)行。

那么匯編代碼的意思也可以用 C 語(yǔ)言來(lái)改寫(xiě)一下，加深理解

		i ^= i;
L4: MySub();
		i++;
if(i < 10) goto L4;

代碼第一行 i ^= i 指的就是 i 和 i 進(jìn)行異或運(yùn)算，也就是 XOR 運(yùn)算，MySub() 函數(shù)用 L4 標(biāo)簽來(lái)替代，然后進(jìn)行 i 自增操作，如果i 的值小于 10 的話，就會(huì)一直循環(huán) MySub() 函數(shù)。

條件分支的處理方法

條件分支的處理方式和循環(huán)的處理方式很相似，使用的也是 cmp 指令和跳轉(zhuǎn)指令。下面是用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的條件分支的代碼

// 定義MySub1 函數(shù)
void MySub1(){

 // 不做任何處理
}

// 定義MySub2 函數(shù)
void MySub2(){
  
 // 不做任何處理
}

// 定義MySub3 函數(shù)
void MySub3(){

 // 不做任何處理
}

// 定義MyFunc 函數(shù)
void MyFunc(){

 int a = 123;
 // 根據(jù)條件調(diào)用不同的函數(shù)
 if(a > 100){
  MySub1();
 }
 else if(a < 50){
  MySub2();
 }
 else
 {
  MySub3();
 }

}

很簡(jiǎn)單的一個(gè)實(shí)現(xiàn)了條件判斷的 C 語(yǔ)言代碼，那么我們把它用 Borland C++ 編譯之后的結(jié)果如下

_MyFunc proc near
 push      ebp				
 mov       ebp,esp
 mov       eax,123			; 把123存入 eax 寄存器中
 cmp       eax,100			; 把 eax 寄存器的值同100進(jìn)行比較
 jle       short @8			; 比100小時(shí)，跳轉(zhuǎn)到@8標(biāo)簽
 call      _MySub1			; 調(diào)用MySub1函數(shù)
 jmp 			 short @11 		; 跳轉(zhuǎn)到@11標(biāo)簽
@8:
 cmp       eax,50				; 把 eax 寄存器的值同50進(jìn)行比較
 jge       short @10		; 比50大時(shí)，跳轉(zhuǎn)到@10標(biāo)簽
 call      _MySub2			; 調(diào)用MySub2函數(shù)
 jmp			 short @11		; 跳轉(zhuǎn)到@11標(biāo)簽
@10:
 call      _MySub3			; 調(diào)用MySub3函數(shù)
@11:
 pop       ebp
 ret
_MyFunc endp

上面代碼用到了三種跳轉(zhuǎn)指令，分別是jle(jump on less or equal) 比較結(jié)果小時(shí)跳轉(zhuǎn)，jge(jump on greater or equal) 比較結(jié)果大時(shí)跳轉(zhuǎn)，還有不管結(jié)果怎樣都會(huì)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的jmp，在這些跳轉(zhuǎn)指令之前還有用來(lái)比較的指令 cmp，構(gòu)成了上述匯編代碼的主要邏輯形式。

了解程序運(yùn)行邏輯的必要性

通過(guò)對(duì)上述匯編代碼和 C 語(yǔ)言源代碼進(jìn)行比較，想必大家對(duì)程序的運(yùn)行方式有了新的理解，而且，從匯編源代碼中獲取的知識(shí)，也有助于了解 Java 等高級(jí)語(yǔ)言的特性，比如 Java 中就有 native 關(guān)鍵字修飾的變量，那么這個(gè)變量的底層就是使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的，還有一些 Java 中的語(yǔ)法糖只有通過(guò)匯編代碼才能知道其運(yùn)行邏輯。在某些情況下，對(duì)于查找 bug 的原因也是有幫助的。

上面我們了解到的編程方式都是串行處理的，那么串行處理有什么特點(diǎn)呢？

串行處理最大的一個(gè)特點(diǎn)就是專心只做一件事情，一件事情做完之后才會(huì)去做另外一件事情。

計(jì)算機(jī)是支持多線程的，多線程的核心就是 CPU切換，如下圖所示

我們還是舉個(gè)實(shí)際的例子，讓我們來(lái)看一段代碼

// 定義全局變量
int counter = 100;

// 定義MyFunc1()
void MyFunc(){
  counter *= 2;
}

// 定義MyFunc2()
void MyFunc2(){
  counter *= 2;
}

上述代碼是更新 counter 的值的 C 語(yǔ)言程序，MyFunc1() 和 MyFunc2() 的處理內(nèi)容都是把 counter 的值擴(kuò)大至原來(lái)的二倍，然后再把 counter 的值賦值給 counter 。這里，我們假設(shè)使用多線程處理，同時(shí)調(diào)用了一次MyFunc1 和 MyFunc2 函數(shù)，這時(shí)，全局變量 counter 的值，理應(yīng)編程 100 * 2 * 2 = 400。如果你開(kāi)啟了多個(gè)線程的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn) counter 的數(shù)值有時(shí)也是 200，對(duì)于為什么出現(xiàn)這種情況，如果你不了解程序的運(yùn)行方式，是很難找到原因的。

我們將上面的代碼轉(zhuǎn)換成匯編語(yǔ)言的代碼如下

mov eax,dword ptr[_counter] 	; 將 counter 的值讀入 eax 寄存器
add eax,eax										; 將 eax 寄存器的值擴(kuò)大2倍。
mov dword ptr[_counter],eax		; 將 eax 寄存器的值存入 counter 中。

在多線程程序中，用匯編語(yǔ)言表示的代碼每運(yùn)行一行，處理都有可能切換到其他線程中。因而，假設(shè) MyFun1 函數(shù)在讀出 counter 數(shù)值100后，還未來(lái)得及將它的二倍值200寫(xiě)入 counter 時(shí)，正巧 MyFun2 函數(shù)讀出了 counter 的值100，那么結(jié)果就將變?yōu)?200 。

為了避免該bug，我們可以采用以函數(shù)或 C 語(yǔ)言代碼的行為單位來(lái)禁止線程切換的鎖定方法，或者使用某種線程安全的方式來(lái)避免該問(wèn)題的出現(xiàn)。

現(xiàn)在基本上沒(méi)有人用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序了，因?yàn)?C、Java等高級(jí)語(yǔ)言的效率要比匯編語(yǔ)言快很多。不過(guò)，匯編語(yǔ)言的經(jīng)驗(yàn)還是很重要的，通過(guò)借助匯編語(yǔ)言，我們可以更好的了解計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)制。

上述就是小編為大家分享的Java 程序員必須了解的計(jì)算機(jī)底層知識(shí)了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識(shí)，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。