程序是怎样跑起来的

清疚 2022-05-11 04:04 262阅读 0赞

不知道大家有没有思考过，为什么同样是会使用C\#，.NET或者是java开发，为什么有的人写出来的代码很容易就运行起来了？现在的软件都很容易上手，达到会用的层次是很简单的，但是为什么却很难再提升自己的技能了呢？为什么拥有编程能力，能够写出来源程序的人却寥寥无几？为什么很多公司面试，会问到底层的东西，甚至到源码级别？

因为如果你想要成为一位优秀的程序员，只知道所以然，而不知道之所以然，是远远不够的。对于一个程序员来说，仅仅知道“双击程序图标，程序开始运行”这样的层次，肯定是不能写出一手高质量的代码的。我们还需要知道，加载到内存中的机器语言程序，由CPU经过怎样的解析和运行，进而使得计算机系统整体的控制和数据运算开始运行起来，最终使得程序跑起来。最起码，下面这张图，应该有些许认识：  
![在这里插入图片描述][70]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><font> 这篇文章大概结构</font></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这篇文章的讲解结构大概是这样的：

![在这里插入图片描述][70 1]

*  对程序员来说CPU是什么
 *  CPU（Central Processing Unit）怎么描述它呢？是不是第一反应是，它是计算机的大脑。那么，对于程序员来说，CPU是什么呢？CPU是寄存器的集合体。学过计算机系统知识的我们都知道，CPU是由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分构成的，那么为什么独独说，CPU是寄存器的集合体呢？  
    因为程序是把寄存器作为对象来描述的。那么我们就不得不来说一说，寄存器的主要种类和功能：
    
    <table> 
     <thead> 
      <tr> 
       <th>种类</th> 
       <th>功能</th> 
      </tr> 
     </thead> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td>累加寄存器（accumulator register）</td> 
       <td>存储执行运算的数据和运算后的数据</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>标志寄存器（flag register）</td> 
       <td>存储运算处理后的CPU的状态</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>程序计数器（program counter）</td> 
       <td>存储下一条指令所在内存的地址</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>基址寄存器（base register）</td> 
       <td>存储数据内存的起始地址</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>变址寄存器（index register）</td> 
       <td>存储基址寄存器的相对地址</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>通用寄存器（general purpose register）</td> 
       <td>存储任意数据</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>指令寄存器（instruction register）</td> 
       <td>存储指令。CPU内部使用，程序员无法通过程序对该寄存器进行读写操作</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>栈寄存器（stack register）</td> 
       <td>存储栈区域的起始地址</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table>
    
    而在以上列举的寄存器中，因为程序计数器存储着下一条指令所在内存的地址，所以它决定着程序流程。说到程序流程，我们应该能够想到，程序流程分为三种：顺序执行、条件分支和循环。顺序执行就不用说了，就是按照地址内容的顺序依次执行命令即可。循环就是程序重复执行同一地址的指令。而条件分支，就是根据条件执行任意地址的指令。  
    到这里，CPU大概就介绍完了。你会发现，CPU处理其实挺简单的，它能够做的处理非常少。少到下面一张表，就能够描述完整：
    
    <table> 
     <thead> 
      <tr> 
       <th>类型</th> 
       <th>功能</th> 
      </tr> 
     </thead> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td>数据转送指令</td> 
       <td>寄存器和内存、内存和内存、寄存器和外围设备之间的数据读写操作</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>运算指令</td> 
       <td>用累加寄存器执行算术运算、逻辑运算、比较运算和移位运算</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>跳转指令</td> 
       <td>实现条件分支、循环、强制跳转等</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>call/return指令</td> 
       <td>函数的调用/返回调用前的地址</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table>
 *  数据使用二进制数表示的
 *  对于数据是使用二进制数表示的，我觉得咱们应该是可以达成这个共识的。在这里，想说一下移位运算。移位运算指的就是，将二进制数值的各数位进行左右移位的运算。  
    咱们先来看看左移运算：  
    ![在这里插入图片描述][70 2]  
    在十进制的基础上，我们知道，如果一个数向左移动两位，比如1向左移动两位变为100，扩大了10的2次方倍。那么同理，使用二进制来表示时，向左移动两位，那么应该扩大为原来的2的2次方倍。移位前是39，移位后为156，正好是4倍。反之，二进制数右移之后，则会变为原来的1/2,1/4,1/8…这也是为什么移位运算能够代替乘法运算和除法运算的原因。  
    介绍完之后左移，我们来看一下右移：  
    按照左移的规则，那么我们应该很容易就想到，所谓的右移就是这样：  
    ![在这里插入图片描述][70 3]  
    有没有发现，为什么我右移两位之后，同样空出来的位用0补齐，它的数值大小不是原来的1/4呢？因为我们一般使用最高位来标识一个数的符号位，如果不加判断就使用0去补齐的话，那么就破坏了这种规则。这种右移方法在逻辑上是成立的，但是在算术上不成立，所以这种右移方法称为逻辑右移。接下来我们看看算术右移：  
    ![在这里插入图片描述][70 4]  
    这样我们发现，使用这种方法右移之后，结果就是正确的了。关于数据是用二进制数来表示的相关内容就说到这里了。
 *  计算机进行小数运算时出错的原因
 *  通过上面，我们知道计算机是使用二进制数来表示的。那么，在它运行过程中会出错也是在所难免的了。为什么这样说呢，我们来看一张表：
    
    <table> 
     <thead> 
      <tr> 
       <th>二进制数</th> 
       <th>对应的十进制数</th> 
      </tr> 
     </thead> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td>0.0000</td> 
       <td>0</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>0.0001</td> 
       <td>0.0625</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>0.0010</td> 
       <td>0.125</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>0.0011</td> 
       <td>0.1875</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>0.0100</td> 
       <td>0.25</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table>
    
    能看出来点儿什么嘛？因为计算机是使用二进制数来表示的，所以在进行小数运算时，它会出错。因为在二进制中，0.0001和0.0010是连续的，但是它们所表示的十进制数并不连续。这样的差别就造成了计算机在进行小数运算时，出错。  
    那么我们应该如何避免呢？首先就是会比策略，即无视这些错误。因为有的时候，这些微小的偏差是不会造成什么的问题的。但是如果非要精确到这种程度，也未尝不可。既然计算机在进行小数运算时会出错，那么我们在运算时，可以将小数转换成整数来计算，这样计算机就不会出错了。
 *  熟练使用有棱有角的内存
 *  已经经历过拆装机的我们，对于内存肯定是不陌生的：  
    ![在这里插入图片描述][70 5]  
    那么，内存的逻辑模型是什么呢？  
    ![在这里插入图片描述][70 6]  
    如果能够了解内存的逻辑模型，就比较容易理解“数据是内存的使用方法的基础”这句话。因为数组的结构和内存的构造是一样的。所以，使用数组能够使编程工作变得更加高效。
 *  内存和磁盘的亲密关系
 *  说到内存，我们就不得不说到磁盘。磁盘中存储的程序，必须要加载到内存后才能运行，这是因为负责解析和运行程序内容的CPU，需要通过内部程序计数器来指定内存地址，然后才能读出程序。基于此，内存和磁盘的关系其实是非常亲密的。  
    首先，磁盘缓存机制。磁盘缓存实际上是内存，这种机制的存在，加快了对磁盘访问的速度。其次是虚拟内存。虚拟内存是将磁盘的一部分作为假想的内存来使用。磁盘缓存是假想的磁盘（实际上是内存），虚拟内存是假想的内存（实际上是磁盘）有没有被绕晕~  
    我们都知道，程序会经常被内存不足，而导致运行缓慢。如何解决呢？首先最简单粗暴的办法就是增加内存容量。当然了这样的前提是，你得有钱，有银子~  
    还有另外两种办法：1）调用DLL文件实现函数共有。2）通过调用\_stdcall来减小程序文件的大小  
    接下来说一说磁盘的物理结构，这样才能引出压缩数据。  
    磁盘时通过把它物理表面划分成多个空间来使用的，划分方式分为扇区方式和可变长方式两种，而Windows计算机采用的都是扇区方式。扇区方式是指，将磁盘划分为固定长度的空间，它是以簇为单位进行读写的。也就是说，只要我进行写入，不管1簇的区域有没有被填满，这1簇都不会再被别的程序使用。
 *  亲自尝试压缩数据
 *  知道磁盘的存储方式之后，我们来看看数据是如何进行压缩的。  
    在任何情况下，文件中的字节数据都是连续存储的。  
    压缩数据是通过算法来实现的，RLE算法，二叉树实现哈夫曼编码之类的，具体我也不太懂，但是原理是：所有存储的内容，在计算机看来只有两种方式“0”和“1”。所有，所谓压缩数据，就是将排列的“0”与“1”尝试进行压缩。  
    哈夫曼算法能够大幅提升压缩比率，所以啊，数据结构还是要好好学，哈夫曼算法还是要好好理解。
 *  程序是在何种环境中运行的
 *  程序都有运行环境，那么什么是运行环境？运行环境=操作系统+硬件  
    CPU只能解释其自身固有的机器语言，机器语言的程序称为本地代码，文本文件在任何环境下都能显示和编辑，我们称之为源代码，通过对源代码进行编译，就能得到本地代码。一般的应用软件包，就是本地代码，而不是源代码。  
    在这一块想说一说Java虚拟机（JVM，Java Visual Machine）。Java虚拟机的存在，使得它能够提供不依赖特定硬件及操作系统的程序运行环境，因为它是一边将java字节代码逐一转换成本地代码，一边运行的。所以java就比较火，因为它能够在任何环境下运行。  
    但是其实这样也有问题，那就是不同的java虚拟机之间是没办法进行完整互换的，因为想让所有的字节代码在任意java虚拟机上都能运行起来是比较苦难的。还有就是运行速度问题。因为java虚拟机每次运行时都要把字节代码变换成本机代码。所以这也是需要优化的一块。
 *  从源文件到可执行文件
 *  通过上面我们知道，计算机只能运行本地代码。使用某种编程语言编写的程序就成为源代码，源代码到本地代码需要有机器来转换一下，计算机才能运行起来。  
    编译器负责转换源代码。编译器首先读入代码内容，然后再把源代码转换成本地代码。读入的源代码经过语法解析，句法解析，语义解析等，生成本地代码，使得计算机能够运行起来。  
    但是编译器转换源代码后，还是无法直接运行的，还需要进行“链接”处理。链接有静态链接库，动态链接库。就是常见的DLL文件。  
    到这里，才有些明白，为什么都要有DLL文件~
 *  操作系统和应用的关系
 *  应用想要控制硬件，比如使用网易云音乐播放音乐时，需要让音响发出声音，那么就需要去控制硬件，但是如何控制呢？通过操作系统。  
    操作系统的硬件控制功能，通常是通过一些小的函数集合体的形式来提供的，这些函数及调用函数的行为统称为系统调用。
 *  通过汇编语言了解程序的实际构成
 *  在这里，想说说栈。栈（stack）有“干草堆积如山”的意思。就像名称所表示的那样，数据在存储时是从内存的下层逐渐往上层累积，读出时则是按照从上往下的顺序进行的。  
    栈是存储临时数据的区域，它是通过push指令和pop指令进行数据的存储和读出。所以栈是“后进先出”的机制。
 *  硬件控制方法
 *  相信大家对DMA（Direct Memory Access）机制来进行对硬件的控制的。通过利用DMA机制，大量数据可以在短时间内转送到主内存，是因为CPU作为中介的时间被节省了。  
    还记得DMAC（Direct Memory Access Center）嘛，外围设备想要获得主动权时，通过DMAC向CPU发送请求，CPU同意之后，DMA便可以自己去控制外围设备的工作。使得效率显著提高。
 *  让计算机“思考”
 *  当下最火的莫过于AI（Artificial Intelligence），但是自我感觉计算机本身并不智能，它只是运行了表现人类思考方式的程序而已。所以让计算机“思考”的前提，是程序体现了人类思考方式的习惯。
    
    <table> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td><font> 最后结语</font></td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table>
    
    自我感觉这篇文章篇幅确实是有些长了些，但是如果分开写的话，感觉就不是一个整体了，所以就冒了一个险，写了这么长的一篇文章。如果你有耐心读到这里，请先接受我崇高的敬意~  
    这篇文章，内容参考《程序是怎样跑起来的》，我读完之后收获挺大的，就看这篇文章应该也能看出来。这篇博客，短短的一篇就想说明白一本书想要讲的内容，那不是天方夜谭嘛~所以，如果读完这篇文章能够激发起你想要去探索的欲望，那我的目的也就达到了。  
    在草稿箱里躺了好久，经过了这几天的总结，终于能够在今天发表出来了~对了，今天我感觉还是挺特殊的一天，2018102，发现了嘛，倒着看也是2018102，哈哈哈，神奇的一天  
    因为在刚开始上了一张总体图，所以我就不画整体的思维导图了~  
    最后非常感谢您的阅读~

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