程序是怎么跑起来的

简介

• 作者： 矢泽久雄

CPU

1. 程序运行流程

    graph TD
    A[高级语言编写程序] -->|编译| B[机器语言的EXE文件]
    B --> C[程序运行时,内存中生成EXE副本]
    C --> D[CPU解释并执行]
   

2. CPU构成

   • 寄存器 用来暂存指令、数据
   • 控制器 把内存上的指令、数据读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算器
   • 运算器 运算从内存读入寄存器的数据
   • 时钟 发出CPU开始计时的时钟信号
3. 机器语言 -> 汇编语言 -> 高级语言 函数的调用机制： 栈
   • call指令
   • return指令
4. 程序在内存里的构成
   • 指令区域
   • 数据区域
   • 栈区域

数据

1. 进制
   • 基数
   • 位权

2. 移位运算

3. 补码 = 反码 + 1 用来表示负数

   补码 + 源码 = 0

浮点数

1. 构造 \(\pm m \times n^e\)

   • 符号 正数或者负数

   • 尾数 m 尾数部分采用将小数点前部分固定位1的方式

   • 基数 n 指数部分采用Excess系统，表示负数时不使用符号位

   • 指数 e

2. 具体情况

   • double 1位符号位 + 11位基数位 + 52位尾数位
   • float 1位符号位 + 8位基数位 + 23位尾数位

3. 如何保证小数无误差

   • 转换为整数计算
   • 使用4位来表示0-9的1位数字

内存

1. 内存地址 指针
2. 常见数据结构
   • 数组
   • 栈
   • 队列
   • 环形缓冲区
   • 链表
   • 二叉查找树

磁盘

1. 磁盘缓存

2. 虚拟内存

3. 动态链接和静态链接

   动态链接 程序运行时动态加载Library，多个应用共有一个DLL文件，从而节约内存,同时也可以通过只更新DLL，无需更新整个exe文件来更新程序。

4. 物理构造

   • 磁道
   • 簇 Windows 逻辑读写的最小单位
   • 扇区 磁盘物理读写的最小单位

5. 单位

   信息存储单位

   • bit 位
   • byte B 字节 = 8 bit
   • word 字 CPU占据一个单独的地址 = 8 byte (x64) or 4 byte (x86) 类似 golang的 int

   存储容量单位

   • byte B 字节
   • KB
   • MB
   • GB
   • TB
   • PB

6. 压缩算法

   案例

   • RLE 行程长度算法
   • 哈夫曼编码

   分类

   可逆 不可逆

运行环境

1. 操作系统

   作用

   • 克服了CPU以外的硬件差异
   • 提供了API来操作硬件

   如何克服硬件和操作系统差异

   • FreeBSD Ports 根据硬件环境来编译应用的源代码 移植
   • 虚拟机
   • 字节码 + 虚拟机 如 Java，dotnet, golang

   BIOS 启动操作系统

2. 硬件

如何得到可执行文件（c语言）

1. 编译 源代码 -> 目标文件

2. 链接 目标文件 + 静态链接库 + 导入库 -> 可执行文件

3. 执行 可执行文件 + 动态链接库

   EXE 文件中给变量以及函数分配了虚拟的内存地址

内存分区

• 操作系统

• 复制EXE文件

  • 用于变量的空间
  • 用于函数的空间

• 程序运行时分配的空间

  • 用于栈的空间

    存储函数内部临时使用的变量，以及函数调用所用的参数的内存区域

  • 用于堆的空间

    用来存储程序运行时的任意数据以及对象的内存领域

操作系统和应用的关系

应用程序经过OS间接的控制硬件

• 系统调用
• API

通过汇编理解函数执行过程

CPU将内存中的指令和数据读出，存储到CPU内部的寄存器中进行处理。

• x86主要寄存器

  寄存器名	名称	主要工作
  eax	累加寄存器	运算
  ebx	基址寄存器	存储内存地址
  ecx	计数寄存器	计算循环次数
  edx	数据寄存器	存储数据
  esi	源基址寄存器	存储数据发送源的内存地址
  edi	目标基址寄存器	存储数据发送目标的内存地址
  ebp	扩展基址指针寄存器	存储数据存储领域基点的内存地址
  esp	扩展栈指针寄存器	存储栈最高位数据的内存地址

• 常见指令

  • mov
  • cmp jmp 条件 循环
  • push pop
  • in out 处理某端口号硬件的输入输出

• 中断 用来处理实时数据

• DMA 数据不经过CPU，直接从外设到主内存

• 显示

  • VRAM
  • GPU

随机数生成

• 伪随机数
• 种子
• 随机数生成算法