hello程序是如何運(yùn)行的

這篇文章主要介紹“hello程序是如何運(yùn)行的”，在日常操作中，相信很多人在hello程序是如何運(yùn)行的問(wèn)題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”hello程序是如何運(yùn)行的”的疑惑有所幫助！接下來(lái)，請(qǐng)跟著小編一起來(lái)學(xué)習(xí)吧！

在開(kāi)始之前,我們先看一個(gè)最常見(jiàn)的程序:

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("hello,world\n");
    return 0;
}

本文就從上面這個(gè)最簡(jiǎn)單的hello程序展開(kāi),沿著它的生命周期展開(kāi)學(xué)習(xí).

程序的保存格式

上面的hello程序其實(shí)就是一個(gè)由值 0 和 1 組成的位（即比特）序列，8個(gè)位成一組，稱(chēng)為字節(jié)。我們輸入文本hello.c文件中的字符即用每個(gè)字節(jié)來(lái)表示（大部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是用ASCII標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表示字符，即把字節(jié)轉(zhuǎn)為整數(shù)值）。

總結(jié)： 信息=位+上下文

程序是如何運(yùn)行的

hello程序的誕生使用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的，好處是人可以讀懂，但是為了在系統(tǒng)上運(yùn)行，還是得轉(zhuǎn)化為一系列低級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言指令。

在Unix系統(tǒng)上，從源文件到目標(biāo)文件的轉(zhuǎn)化得靠編譯器， 下面記錄編譯過(guò)程：

1. hello.c需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理器讀取系統(tǒng)頭文件內(nèi)容并且插入到程序文本中得到一個(gè)新的C程序，一般以.i作為擴(kuò)展名；

2. 然后編譯器將文本文件hello.i 翻譯成匯編語(yǔ)言文本文件hello.s

3. 接下來(lái)，就該匯編器登場(chǎng)，將匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言指令，并保存到hello.o文件中，此時(shí)它是一個(gè)二進(jìn)制文件了

4. 最后鏈接階段，將程序中調(diào)用的c標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的函數(shù)合并到我們的hello.o程序中，結(jié)果就是一個(gè)可執(zhí)行文件，可以被加載到內(nèi)存中，由系統(tǒng)執(zhí)行。

系統(tǒng)的硬件組成

要真正了解程序時(shí)如何運(yùn)行的，首先要對(duì)系統(tǒng)的硬件組成有一個(gè)了解：

1. 總線(xiàn)：貫穿整個(gè)系統(tǒng)的電子管道，可以理解為所有的數(shù)據(jù)設(shè)備以及系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)都要接到總線(xiàn)上。

2. I/O設(shè)備：系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)系通道；比如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、磁盤(pán)、顯示器等；

   所有的I/O設(shè)置都要通過(guò)一個(gè)控制器或者適配器與I/O總線(xiàn)相連；

3. 主存：也就是我們常說(shuō)的內(nèi)存，這是一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備，在處理器執(zhí)行程序時(shí)，用來(lái)存放程序和處理的數(shù)據(jù)；

4. 處理器：也就是我們常說(shuō)的CPU，是解釋存儲(chǔ)在主存中指令的引擎；其核心是一個(gè)大小為一個(gè)字（定長(zhǎng)的字節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)不同確定）的寄存器，稱(chēng)為程序計(jì)數(shù)器（PC）。在程序運(yùn)行的過(guò)程中，PC都是指向主存中的一條機(jī)器語(yǔ)言指令。

   從系統(tǒng)通電開(kāi)始，直到系統(tǒng)斷電，處理器一直在不斷的執(zhí)行PC指向的指令，在更新PC，使其指向下一條指令；

   下面列舉幾個(gè)CPU在指令要求下可能執(zhí)行的操作：

   處理器看上去是它的指令集架構(gòu)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，但是現(xiàn)代處理器采用非常復(fù)雜的機(jī)制來(lái)加速程序的運(yùn)行。因此我們?cè)诶斫獾臅r(shí)候要將處理器的指令集架構(gòu) 和處理器的 微體系結(jié)構(gòu)分來(lái)：指令集架構(gòu)描述的是每條機(jī)器代碼指令的效果；微體系結(jié)構(gòu)描述的是處理器的實(shí)現(xiàn)；

• 加載：從主存復(fù)制一個(gè)字到寄存器，已覆蓋原有寄存器的內(nèi)容；

• 存儲(chǔ)：從寄存器復(fù)制一個(gè)字到主存的某個(gè)位置，以覆蓋這個(gè)位置的原有值；

• 操作：把兩個(gè)寄存器的內(nèi)容復(fù)制到ALU（算數(shù)/邏輯單元）,ALU對(duì)這兩個(gè)字做算數(shù)運(yùn)算，并將結(jié)果存放到一個(gè)寄存器中覆蓋原有的內(nèi)容；

• 跳轉(zhuǎn)：從指令本身抽取一個(gè)字，并將這個(gè)字復(fù)制到PC中，以覆蓋PC中原來(lái)的值；

運(yùn)行程序

當(dāng)我們?cè)趫?zhí)行 ./hello 后，其實(shí)發(fā)生的過(guò)程是：

剛開(kāi)始，shell程序執(zhí)行它的指令，等待我們輸入一個(gè)命令，當(dāng)我們輸入./hello 后，shell程序?qū)⒆址x入寄存器，在把它存放到內(nèi)存中；

當(dāng)你在敲回車(chē)時(shí)，shell程序就知道我們已經(jīng)結(jié)束了命令的輸入，然后shell執(zhí)行一系列指令來(lái)加載可執(zhí)行文件，將目前文件的代碼和數(shù)據(jù)復(fù)制到主存。注：利用直接存儲(chǔ)器（DMA）技術(shù)，數(shù)據(jù)可以不到處理器直接從磁盤(pán)到主存。

一旦加載到內(nèi)存中，處理器就開(kāi)始執(zhí)行程序的main機(jī)器指令，這些指令將“hello,world\n” 字符串中字節(jié)從主存復(fù)制到寄存器文件。再?gòu)募拇嫫魑募?fù)制到顯示設(shè)備，最終展示在屏幕上。

高速緩存

從上面的例子，我們可以總結(jié)出，hello程序經(jīng)歷了從開(kāi)始在磁盤(pán)上，加載時(shí)被復(fù)制到主存，處理器運(yùn)行時(shí)又從主存復(fù)制到處理器，最后又從處理器復(fù)制到顯示器。

這里從我們程序員角度講，這些復(fù)制就是開(kāi)銷(xiāo)，那么問(wèn)題來(lái)了，如何減小開(kāi)銷(xiāo)提高處理器效率呢？？？

從機(jī)械原理角度來(lái)看，存儲(chǔ)設(shè)備越大運(yùn)行越慢；處理器讀磁盤(pán)比讀內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)大1000萬(wàn)倍，而寄存器文件的讀取速度又比內(nèi)存塊幾乎100倍，加快處理器的運(yùn)行速度比加快主存運(yùn)行速度要容器的多。

針對(duì)處理器與主存之間的差異，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了更小更快的存儲(chǔ)設(shè)備，稱(chēng)之為高速緩存，存放處理器近期可能會(huì)需要的信息。這個(gè)其實(shí)和我們平時(shí)開(kāi)發(fā)程序是一樣的，采用多級(jí)緩存，存放熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)處理能力。 這里的原理是利用程序具有訪(fǎng)問(wèn)局部區(qū)域里的數(shù)據(jù)和代碼的趨勢(shì)，所以高速緩存中存放了可能經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)，這樣大部分操作就能在告訴緩存中完成。

請(qǐng)看下面的存儲(chǔ)器層次的結(jié)構(gòu)，相信你會(huì)一目了然：

如圖所示，上一層存儲(chǔ)器是下一層的高速緩存。

操作系統(tǒng)管理硬件

我們寫(xiě)的程序，沒(méi)有直接訪(fǎng)問(wèn)鍵盤(pán)、顯示器、磁盤(pán)等硬件，而是依賴(lài)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，所以可以把操作系統(tǒng)看成是應(yīng)用程序和硬件之間一層軟件。

操作系統(tǒng)有兩大功能：

1. 防止硬件被濫用；

2. 對(duì)應(yīng)用程序屏蔽底層復(fù)雜而通常又大不相同的硬件設(shè)備，提供簡(jiǎn)單一致的機(jī)制；

操作系統(tǒng)通常抽象出幾個(gè)概念：進(jìn)程、虛擬內(nèi)存、文件；

進(jìn)程

進(jìn)程是操作系統(tǒng)對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的應(yīng)用程序的抽象，一個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。

單核處理器一個(gè)時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)程序，而目前的多核處理器能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序。無(wú)論單核還是多核，一個(gè)CPU看上去都是在并發(fā)執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程，這是通過(guò)處理器在進(jìn)程間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種切換被稱(chēng)為 上下文切換；

進(jìn)程之間的切換是由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理的，內(nèi)核是操作系統(tǒng)常駐主存的部分。當(dāng)應(yīng)用程序需要操作系統(tǒng)的某些操作時(shí)，比如讀寫(xiě)文件，它就執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用指令，將控制權(quán)傳遞給內(nèi)核。然后內(nèi)核執(zhí)行被請(qǐng)求的操作并返回應(yīng)用程序。 注意，內(nèi)核不是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，它是系統(tǒng)管理所有進(jìn)程所用代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合。

線(xiàn)程

一個(gè)進(jìn)程實(shí)際上是由多個(gè)稱(chēng)為線(xiàn)程的執(zhí)行單元組成，每個(gè)線(xiàn)程都運(yùn)行在進(jìn)程的上下文中，并共享同樣的代碼和全局?jǐn)?shù)據(jù)。

優(yōu)點(diǎn)：比進(jìn)程之間更容易共享數(shù)據(jù)；一般來(lái)講也比進(jìn)程更高效；

虛擬內(nèi)存

這是一個(gè)抽象概念，它為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)假象，即每個(gè)進(jìn)程都在單獨(dú)使用主存，每個(gè)進(jìn)程看到的內(nèi)存都是一致的，稱(chēng)為虛擬地址空間，如下圖所示，地址是從小往上增大的：

文件

文件就是字節(jié)序列，所有的I/O設(shè)備，甚至網(wǎng)絡(luò)都可以看成是文件；

并發(fā)

多核處理器是將多個(gè)CPU集成到一個(gè)集成電路芯片上。多核處理器組織架構(gòu)如下：

超線(xiàn)程：稱(chēng)為同時(shí)多線(xiàn)程，允許一個(gè)CPU同時(shí)執(zhí)行多個(gè)并發(fā)流的技術(shù)。Intel Core i7 處理器可以讓每個(gè)核執(zhí)行兩個(gè)線(xiàn)程。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的抽象

在處理里，指令集架構(gòu)提供了對(duì)實(shí)際處理器硬件的抽象，使用這個(gè)抽象，機(jī)器代碼表現(xiàn)的好像運(yùn)行在一個(gè)一次只執(zhí)行一條指令的處理器上。不管底層多復(fù)雜精細(xì)，哪怕可以并發(fā)的執(zhí)行多條指令，擔(dān)又總是與那個(gè)簡(jiǎn)單有序的模型保持一致。只要模型一樣，不同的處理器實(shí)現(xiàn)也能執(zhí)行同樣的機(jī)器代碼，而又提供不同的開(kāi)銷(xiāo)和性能。這種抽象思想簡(jiǎn)直太重要了，在整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)中也隨處可見(jiàn)，比如java類(lèi)的生命和C語(yǔ)言的函數(shù)原型，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層。

看了上面這副圖可以總結(jié)為：

1. 文件是對(duì)I/O設(shè)置的抽象；

2. 虛擬內(nèi)存是對(duì)主存和磁盤(pán)的抽象；

3. 進(jìn)程是對(duì)處理器、主存和I/O設(shè)備的抽象；

至此，本章的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，主要對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和程序運(yùn)行有了大框架的認(rèn)知，后續(xù)繼續(xù)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。

擴(kuò)展問(wèn)題

1. 信息=位+上下文，什么是上下文？工作中有哪些例子？

每一段程序都有很多外部變量。只有像Add這種簡(jiǎn)單的函數(shù)才是沒(méi)有外部變量的。一旦你的一段程序有了外部變量，這段程序就不完整，不能獨(dú)立運(yùn)行。你為了使他們運(yùn)行，就要給所有的外部變量一個(gè)一個(gè)寫(xiě)一些值進(jìn)去。這些值的集合就叫上下文。 比如：C++的lambda表達(dá)式里面，[寫(xiě)在這里的就是上下文](int a, int b){ ... }

2. RISC指令集和CISC指令集有什么區(qū)別，它們的典型CPU有哪些？

• CSIC(Complex Instruction Set Computer) 復(fù)雜指令集的CPU; CISC體系的設(shè)計(jì)理念是用最少的指令來(lái)完成任務(wù)（譬如計(jì)算乘法只需要一條MUL指令即可），因此CISC的CPU本身設(shè)計(jì)復(fù)雜、工藝復(fù)雜，但好處是編譯器好設(shè)計(jì)。CISC出現(xiàn)較早，至今Intel還一直采用CISC設(shè)計(jì);

• RSIC(Reduced Instruction Set Computer) 精簡(jiǎn)指令集的CPU; RISC的設(shè)計(jì)理念是讓軟件來(lái)完成具體的任務(wù)，CPU本身僅提供基本功能指令集，即：指令集中指令的數(shù)量相對(duì)很少。這種設(shè)計(jì)理念相對(duì)于CISC的設(shè)計(jì)理念，CPU的設(shè)計(jì)和工藝簡(jiǎn)單了，但是編譯器的設(shè)計(jì)變復(fù)雜了

• 典型CPU: 一般典型CISC的CPU指令數(shù)在300條左右。ARM的CPU（作為典型的RISC的CPU）常用指令數(shù)在30條左右。 一般來(lái)說(shuō)，CISC的CPU的功耗更高，一般用在PC機(jī)和筆記本電腦中。相對(duì)來(lái)說(shuō)，RISC的CPU的功耗更低，一般用在嵌入式領(lǐng)域。

3. 基于棧的CPU和基于寄存器的CPU有什么區(qū)別？

這個(gè)問(wèn)題可以將JVM看成是一個(gè)基于棧的CPU，它在運(yùn)行程序的時(shí)候都是用棧，代碼必須使用這些指令來(lái)移動(dòng)變量(即push和pop)；

到此，關(guān)于“hello程序是如何運(yùn)行的”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)?lái)更多實(shí)用的文章！