计算机是如何跑起来的百度云,《程序是怎样跑起来的》（下）

学习笔记

第8章从源文件到可执行文件

本章问题：

问题

本章重点：

编译器的功能；程序从源代码到可执行文件的流程；程序运行时的堆和栈。

8.1 计算机只能运行本地代码

一个例子1

一个例子2

图中栗子的源代码文件命名为Sample1.c。

源代码需要转换成本地代码才能运行

8.2 本地代码的内容

直接用记事本打开本地代码：

记事本打开本地代码

把本地代码Dump一下，每一个字节用2位16进制数(每个16进制数代表4位二进制数，2位16进制数恰好代表8位即1字节)来表示：

本地代码的真是面目是数值的罗列

8.3 编译器负责转换源代码

不同的语言有各自的编译器；

不同类的CPU有不同的机器语言，需要不同的编译器；

编译器也是应用程序，也需要运行环境；

存在交叉编译器，在某一环境下运行，可以生成另一环境下的本地代码。

通过命令行编译上面的栗子

8.4 仅靠编译是无法得到可执行文件的

编译生成的是.obj文件(目标文件)，而不是.exe文件，无法直接运行；

如果源代码中引用了其它的函数(如上面例子中的sprintf()、MessageBox())，就需要把储存着这些函数的目标文件与此目标文件相结合；

完成此工作的是链接器，最后生成.exe文件

链接上面的栗子

8.5 启动及库文件

在链接的命令中，c0w32.obj记述的是同所有程序起始位置相结合的处理内容，称为程序的启动，即使未调用其它目标文件的函数，也必须要进行链接，并和启动结合起来；

扩展名为.lib的文件称为库文件，是多个目标文件的集合。链接器指定库文件后，会把需要的函数从库文件中提取出来，例子中的sprintf()储存在cw32.lib中，MessageBox()实际上是储存在user32.dll中(会在后面说明原因)；

库文件可以简化链接过程，当需要很多个库函数时，只需要链接数个库文件就可以了；

sprintf()等函数，不通过源代码而是通过库函数和编译器一起提供，称之为标准函数，标准函数以目标文件形式集合在库文件中，不会暴露源码，可以避免造成商业损失。

8.6 DLL文件及导入库

Windows以函数的形式为应用提供了各种功能，称之为API(Application Programming Interface)，上面的栗子中MessageBox()就是Windows提供的一种API；

Windows中的API并非储存在通常的库函数中，而是储存在DLL(动态链接库)中，DLL是程序运行时动态结合的文件；

与DLL相反，存储目标文件的实体，并直接与EXE结合的称之为静态链接库，例如cw32.lib;

通过导入库文件，EXE在执行时会从DLL调出函数的信息就会写在EXE中。

用下图总结下：

Windows中编译和链接机制

8.7 可执行文件运行时的必要条件

EXE文件中函数和变量的内存地址是如何来表示的呢？

在EXE文件的开头给函数和变量分配了虚拟内存地址，程序运行时，虚拟内存地址会转换为实际内存地址；

链接器会在开头，追加转换内存地址所必需的信息，这个信息称为再配置信息；

在配置信息，就成了函数和变量的相对地址；

在源代码中，函数和变量是分散记数的，在链接后的EXE中，函数和变量就会变成连续排列的组，这样就可以用相对于起始地址的偏移量来表示函数和变量。

链接后EXE的构造

8.8 程序加载时会生成堆和栈

程序加载到内存后，会生成栈和堆；

栈存储局部变量，堆用来存储程序运行时的任意数据及对象的内存区域；

栈中对数据进行存储和舍弃的代码，由编译器自动生成，而堆的内存空间则需要程序员明确申请分配或者释放，在高级语言中，编译器会自动生成指定栈和堆大小的代码；

加载到内存中的程序由4部分组成

8.9 有点难度的Q&A

问题答案：

答案

第9章操作系统和应用的关系

本章问题：

问题

本章重点

9.1 操作系统功能的历史

操作系统的前身是监控程序，作用是加载和运行程序；

后来人们发现很多程序都有共同的部分，例如用键盘输入、用显示屏输出等，于是把这些程序也加入了监控程序当中；

于是，更多的有用程序被加入了监控程序中，渐渐变身成为了操作系统..........

监控程序是操作系统的雏形

初期的操作系统 = 监控系统 + 输入输出程序

操作系统是多个程序的集合体

9.2 要意识到操作系统的存在

应用程序通过操作系统间接向硬件发送指令。

比如printf()、time()函数运行的结果，是面向操作系统而非硬件的，操作系统接到指令后，首先解释这些指令，然后会对时钟IC和显示器的IO进行控制。

应用程序通过操作系统间接控制硬件

9.3 系统调用和高级编程语言的移植性

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提供的，这些函数及调用这些函数的行为统称为系统调用；

C语言等高级语言一般不依赖于操作系统，因为认为希望不会因为操作系统的不同而重写大量的代码；所以高级语言使用独立的函数名，然后在编译时转换成相应的系统调用；

高级语言也可以直接进行系统调用，不过会影响可移植性；

高级编程语言的函数调用在编译后变成了系统调用

9.4 操作系统和高级编程语言使硬件抽象化

操作系统的系统调用，给程序的编写带来的巨大的方便。

9.5 Windows操作系统的特征

32位操作系统(书有点过时了)：在过去的16位操作系统中，处理32位的数据类型相当于处理两次16位数据类型，要花费更多的时间；有了32位

系统，处理一次就够了，因此使用32位数据类型不会降低运行速度；

通过API函数集实现系统调用：API通过多个DLL文件来提供；

提供采用了GUI的用户界面：编写GUI较为困难，因为操作流程是由用户决定而非程序员决定，因此要考虑所有可能的情况；

通过WYSIWYG来打印输出；

提供多任务功能；

提供网络功能及数据库功能；

通过即插即用实现设备驱动的自动设定；

问题答案:

问题答案

第10章通过汇编语言了解程序的实际构成

本章问题：

问题

本章重点：

当然是汇编。

10.1 汇编语言和本地代码是一一对应的

使用汇编语言有助于理解本地代码。直接打开本地代码只能看到数值的罗列，通过添加助记符，如加法运算add，比较运算cmp等，可以更好地理解本地代码。使用助记符的语言被称为汇编语言，通过查看汇编语言的源代码，可以更容易地理解本地代码。

汇编语言和本地代码是一一对应的，所以可以通过本地代码反汇编得到汇编代码。但是高级语言和本地代码不是一一对应的，所以反编译到高级语言比较困难，而且完全还原是不太可能的。

10.2 通过编译器输出汇编语言的源代码

原书作者通过编译命令把源代码输出为汇编代码，汇编文件的后缀为.asm(assemble)。

源代码

汇编

10.3 不会转换成本地代码的伪指令

汇编语言的源代码，是由转换成本地代码的指令(操作码)和针对汇编器的伪指令组成的。

伪指令负责把程序的构造及汇编的方法指示给汇编器，但是伪指令本身是无法转换成本地代码的。

伪指令

其中由伪指令segment和ends围起来的部分，是程序中命令和数据的集合体，称之为段定义。_TEXT、_DATA、_BSS是段定义的名称。

group表示把_BSS和_DATA这两个段定义汇总名为DGROUP的组。

_AddNum proc 和 _AddNum endp围起来的部分，是函数AddNum的范围，同理_MyFunc proc和MyFunc endp 围起来的部分表示函数MyFunc的范围。这两个函数都置于_TEXT中，表示属于_TEXT段定义。虽然源代码中的指令和数据比较混乱，但是通过段定义，汇编之后会转换成划分整齐的本地代码。

end表示源代码的结束。

10.4 汇编语言的意思是“操作码”+“操作数”

操作码是指令动作，操作数是指令对象。

常用操作码

主要寄存器

10.5 最常用的mov指令

mov指令中有两个操作数，分别指定数据的存储地和来源。

如果操作数没有用[]围起来，就表示对其值进行操作，否则的话会把值解释为内存地址，然后对相应地址中的值进行操作。

两种情况

10.6 对栈进行push和pop

栈是存储临时数据的区域，数据的读取要符合先进后出原则。

栈模型

10.7 函数调用机制

函数调用需要依赖栈的作用。

下图为在MyFunc函数中调用AddNum函数的处理内容：

函数调用

(1)、(2)、(7)、(8)的处理适用于C语言中所有函数。

(3)和(4)表示传递给AddNum的函数通过push入栈。

(5)的call指令把程序流程跳转到了操作数中指定的AddNum函数所在的内存地址，AddNum处理完毕后，程序流程会必须回到(6)这一行。可以在调用AddNum之前把(6)指令的内存地址入栈，调用完毕后ret指令再把(6)指令的内存地址pop出来，从而使程序流程回到(6)；

(6)是把栈指针向高位移动两位，实际上就是使123和456出栈；

源代码中有个变量c指向AddNum(123,456)的运算结果，但是c变量在之后并没有用到，所以编译器就会自动优化，没有生成与之相关的汇编代码。

10.8 函数内部的处理

下图为call AddNum后AddNum函数内部的处理过程。

函数内部的处理

ebp在(1)、(5)中入栈、出栈，是为了把ebp的值还原到函数调用前的状态，因为ebp之前可能在其它地方被使用；

指令(2)中把栈指针寄存器esp的值赋给ebp，这是因为在mov指令中方括号[]中的参数不允许使用esp，所以要用ebp来代替；

使用栈中的数据是通过方括号中的ebp + 相应字节数来实现的，比如(3)中通过[ebp + 8]指定栈中的123，并用mov存储在eax中；

指令(4)中的add指令把123和456相加存储在eax中；

函数的参数通过栈来传递，返回值是通过寄存器来返回；

指令(6)的ret运行后，函数返回目的地的内存地址会自动出栈，程序流程就会跳至函数调用的下一行；

可按照图10-4、10-5中a、b、c、d、e、f的顺序来看函数调用时栈的状态变化。

10.9 始终确保全局变量用的内存空间

简单地说，在Borland C++中，初始化和非初始化的全局变量分别被划到两个不同的段定义中，未被初始化的变量都会被设定为0进行初始化。

10.10 临时确保局部变量用的内存空间

临时变量储存在寄存器和栈中。

由于寄存器的访问速度较快，寄存器空闲时就使用寄存器来存储局部变量，否则就用栈。

函数调用完毕后，栈中局部变量的值就会被销毁(通过恢复栈指针的方式)。

10.11循环处理的实现方法

循环源代码：

循环源代码

循环汇编代码

对ebx执行xor异或运算，使ebx清零，这比mov ebx 0 要快，ebx清零其实就等价于i=0；

ebx初始化后调用MySub，然后返回，进行第三行指令，把ebx加一；

cmp是把ebx的值与10比较，结果存储在标志寄存器中

jl 是jump on less than ，如果前面的比较指令的值是“小”的话，就跳转至@4处的指令，从而实现了循环。

10.12 条件分支的实现方法

与循环类似。

条件分支C++源代码：

条件分支汇编代码：

10.13 了解程序运行方式的必要性

了解程序运行方式有助于我们更好的理解程序出错的原因。

下面的代码是两个函数更新同一个全局变量：

实际的汇编代码：

可以看出，counter的值乘2是把counter的值读入累加寄存器后实现的。MyFunc1和MyFunc2都是把counter的值乘2，最后理应是4倍，但是MyFunc1运行时如果尚未来的及把eax中两倍的数值写入到counter中去MyFunc2就读取了counter的值，最后运算的结果是counter的值只变为了原来的两倍。

因此为了避免这种错误，我们可以采用以函数或者C语言代码的行为单位来禁止线程切换的锁定方法。

问题答案：

答案

第11章硬件控制方法

本章提问：

问题

11.1 应用和硬件无关？

Windows应用通过调用Windows操作系统的API(系统调用)来间接控制硬件。

应用通过操作系统间接控制硬件

下面是一个

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