「深入理解计算系统」从Hello World开始
从 hello world 开始
Table of Contents
1 程序源文件
#include <stdio.h>
int main() {
printf ("hello, world\n");
return 0;
}
2 程序源文件是什么
程序以0,1串的形式存储在磁盘上，每一个字符有对应的ascii码，每一个ascill码有对应 的0,1串
使用od命令查看源程序ascii码，十进制形式
$ od -Ax -tcd1 hello.c
000000 # i n c l u d e < s t d i o .
35 105 110 99 108 117 100 101 32 60 115 116 100 105 111 46
000010 h > \n \n i n t m a i n ( ) {
104 62 10 10 105 110 116 32 109 97 105 110 40 41 32 123
000020 \n p r i n t f ( " h e
10 32 32 32 32 112 114 105 110 116 102 32 40 34 104 101
000030 l l o , w o r l d \ n " ) ; \n
108 108 111 44 32 119 111 114 108 100 92 110 34 41 59 10
000040 r e t u r n 0 ; \n } \n
32 32 32 32 114 101 116 117 114 110 32 48 59 10 125 10
000050
3 程序被编译
程序要被机器读懂，需要转换成机器可以读懂的过程，这个过程叫做编译,编译的过程如下
- 预处理
gcc -E hello.c -o hello.i
这一步实际上将include指令，宏指令等展开
- 编译
gcc -S hello.i -o hello.s
这一步将宏展开后的文件编译成汇编文件
- 汇编
gcc -c hello.s -o hello.o
这一步将汇编文件编译成二进制文件
- 链接
gcc hello.o -o hello
这一步将一些库包含进来，例如我们没有编写printf函数的库，但是却可以使用它的功能。 就是在这一步将其信息包含进来。
4 程序运行
4.1 读取命令
在shell中键入 ./hello 时，首先hello这个字符串要到达内存，这样shell才知道你要执行 什么程序，这个过程有两种方式实现，一个是从键盘到CPU寄存器再到内存的过程，另外一个 是通过直接存储器存取(DMA)，不经过CPU直接进入内存。两种方式如下图所示：
4.2 读取指令内容
hello进入内存后，shell知道我们要执行./hello程序，就将磁盘上的hello文件中以二进制 形式存储的机器指令取到内存，再送入CPU执行。
4.3 执行过程
执行的过程是显示"hello world", 这个过程是将这个字符串从内存复制到CPU寄存器，再从 CPU寄存器到达显示设备的过程。
5 进程
5.1 进程切换
操作系统对所有正在运行的程序作了抽象，这种抽象就叫进程。每一个进程都好像是只有 它自己在使用操作系统。而事实上操作系统控制各个进程不停地切换，让每个进程看起来 同时在运行，例如shell与hello两个程序切换过程。
5.2 虚拟地址空间
之所以提出虚拟地址空间的概念是为了简化编程，使得程序看起来独占了整个内存。例如 hello程序的虚拟地址空间如下所示：
Execuable file 区域对应原来磁盘上的二进制hello文件(注意不是源程序，是编译后 的二进制文件),它被完整地映射到了代码和数据区。 Run-time heap 区域是程序运行时动态管理的内存区域，像malloc分配的内存空间就在这一块。 Shared libraries 区域存放的是共享库代码，想一想你同时运行多个程序，它们都包含了 printf函数，这时候printf函数代码就可以被多个程序共享。 User stack 区域用于函数调用，每次调用一个函数时，就把这个函数相关的信息压入栈中， 等函数退出时再弹出栈。 最上面的 Kernel virtual memory区域是内核代码，也为所有程序共享。
特别注意这是一个虚拟地址空间，这些区域在这里看起来是连续的，但是实际在物理内存中 可能就不是连续的了。这只是提供了一种抽象，使得进程之间相互独立，又可以共享一些共 有的东西，操作系统负责将这些虚拟地址映射到实际的物理地址，而程序不直接接触物理 地址，只需要关心虚拟地址就好了。
参考：《深入理解计算机系统》
图片均来自此书电子版。
