計(jì)算機(jī)系統(tǒng)源程序編譯的方法是什么

計(jì)算機(jī)中的信息

對(duì)于程序員來說，HelloWorld 程序再熟悉不過了，下面是 C 語言寫的 HelloWorld 程序。

#include<stdio.h>

int main()
{
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

這段程序很簡單，僅僅是在屏幕上輸出hello world，對(duì)于程序員很容易閱讀，但是從計(jì)算機(jī)的角度來看，也是這么簡單嗎？

我們都知道，計(jì)算機(jī)的世界只有 0 和 1組成的位（比特），這對(duì)于人類來說太不友好了，因此計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了 ASCⅡ 碼來表示現(xiàn)實(shí)世界的符號(hào)。每 8 個(gè)位構(gòu)成一個(gè)組（稱為一個(gè)字節(jié)），用一個(gè)組來表示一個(gè)符號(hào)，上面的 C 程序用 ASCⅡ 表示就是下面的樣式。

因此對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，所有的數(shù)據(jù)都是由一串比特表示的，要區(qū)分這些數(shù)據(jù)對(duì)象的唯一方法就是讀到它們時(shí)的上下文。

信息 = 位 + 上下文

源程序編譯

雖然我們把 C 語言程序編寫完成了，但是它并不能運(yùn)行，因?yàn)樗壳斑€僅僅是由 ASCⅡ 字符構(gòu)成的文本文件，計(jì)算機(jī)并不能運(yùn)行文本文件。

想要得到 HelloWorld 的可執(zhí)行文件，需要經(jīng)過預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接四個(gè)階段。

預(yù)處理階段，預(yù)處理器會(huì)根據(jù)以字符#開頭的命令去修改源程序，預(yù)處理器去讀取系統(tǒng)頭文件stdio.h中的內(nèi)容，并將其直接插入程序文本中，結(jié)果就得到了另一個(gè) C 程序—— hello.i。

編譯階段，編譯器會(huì)把 hello.i 程序翻譯成匯編語言程序 hello.s，匯編語言本質(zhì)上就是機(jī)器語言，此時(shí)的程序仍然是文本文件。

匯編階段，匯編器會(huì)將 hello.s 翻譯成機(jī)器語言指令，保存在 hello.o 文件中，此時(shí)得到的就是二進(jìn)制文件了。

程序中使用了 printf 函數(shù)，這是由編譯器提供的標(biāo)準(zhǔn) C 庫中的函數(shù)，它存儲(chǔ)在 printf.o 文件中，鏈接器會(huì)將這個(gè)文件合并到 hello.o 中，結(jié)果就得到一個(gè)可執(zhí)行的 hello 文件，存儲(chǔ)于磁盤中。

系統(tǒng)組成及程序運(yùn)行

在運(yùn)行可執(zhí)行文件 hello 文件之前，應(yīng)該先了解一下系統(tǒng)的硬件組成，一個(gè)典型系統(tǒng)的硬件組織如下圖所示。

為了運(yùn)行 hello 程序，我們需要在 shell 中輸入指令./hello，指令通過鍵盤經(jīng) I/O 總線 --> I/O 橋 --> 總線接口 --> 寄存器 --> I/O 橋存于主存中，當(dāng)敲擊回車鍵時(shí)，等于告訴 shell 程序，命令的屬于已經(jīng)結(jié)束， shell 將會(huì)執(zhí)行一系列指令來加載 hello 文件。

利用直接存取（DMA）技術(shù)，hello 文件不需要通過寄存器就能到達(dá)主存，當(dāng)目標(biāo)文件 hello 到達(dá)主存中，處理器就開始執(zhí)行 hello 程序的機(jī)器指令。其指令即將 "hello, world\n" 字符串的字節(jié)從主存復(fù)制到寄存器，再從寄存器復(fù)制到顯示設(shè)備中，最終顯示在屏幕上面。

我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)簡單的 HelloWorld 程序會(huì)讓系統(tǒng)花費(fèi)大量的時(shí)間把信息從一個(gè)地方挪到另一個(gè)地方，而我們都清楚，寄存器、主存、磁盤之間的訪問速度是相互差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的，而這種復(fù)制的開銷會(huì)嚴(yán)重減慢程序的運(yùn)行，為了加快這些復(fù)制操作的速度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者就引入了高速緩存。

抽象的重要性

計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為重要的概念之一就是抽象，指令集提供了對(duì)硬件處理器的抽象，操作系統(tǒng)同樣通過進(jìn)程、虛擬內(nèi)存、文件（磁盤、鍵盤、網(wǎng)絡(luò)都可以看成文件）這幾個(gè)抽象概念為應(yīng)用程序提供簡單一致的機(jī)制來控制低級(jí)硬件設(shè)備，同時(shí)防止硬件被失控的應(yīng)用程序?yàn)E用。

進(jìn)程是對(duì)正在運(yùn)行的程序的抽象，在一個(gè)系統(tǒng)上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，但是每個(gè)進(jìn)程看起來都好像在獨(dú)占的使用硬件，CPU 看上去是在并發(fā)的執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程，這就需要操作系統(tǒng)進(jìn)行上下文切換。

在我們還沒有輸入./hello之前，只有 shell 進(jìn)程在運(yùn)行，當(dāng)我們讓其運(yùn)行 hello 程序時(shí)，shell 會(huì)通過系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行我們的請(qǐng)求。操作系統(tǒng)首先保存 shell 進(jìn)程的上下文（PC、寄存器等信息），然后創(chuàng)建一個(gè)新的 hello 進(jìn)程，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給 hello 進(jìn)程。