编译器是如何运作的

1.1　编译器是如何运作的（1）

大多数程序员在日常编程中很少会直接用到CPU 中的指令（即机器语言）。这主要是因为直接使用机器语言比较繁琐，所以我们选择人类更容易理解的语言来编程，然后再通过编译器将其翻译成机器语言。但是，编译器能否准确地将人类的逻辑思维转换为相应的机器语言呢？在这里，我们先来研究一下编译器到底是如何运作的。

比如，使用GCC按以下步骤将程序编译为目标代码（即汇编语言程序）。

1. 读取源程序并进行解析。将字符分离出来整理成较容易统计的形式，收集参数与函数名等标识符。

2. 对收集到的参数与标识符进行内存地址分配（即后文将提到的寄存器），将内存地址与参数或函数对应起来。

3. 根据逻辑程序生成汇编语言程序。

接下来，汇编编译器将已生成的汇编语言转换成机器语言的目标程序，链接器将目标程序和外部模块连接起来（图1-2）。

（点击查看大图）图1-2　从源程序到执行代码的实现过程

近代的编译器实现了在编译过程中，让所生成的程序在更短的时间内得到相同的结果，达到更高的效率。其实现的方法多种多样，比如说，编译器扫描程序后，将多余的操作忽略，修改指令的运行顺序以使CPU 处理得更快等。

优化与程序的调优有着密不可分的关联，在后面的章节中将会提到。

编译后的汇编语言程序

我们来看看由GCC 生成的汇编语言程序。程序1-1 是为检验而编写的小程序。

程序1-1　10 次加1 运算的程序

 
#include <stdio.h> 
int a, b;  
main()  
{  
a = 0;  
do {  
b += a + 1;  
a++;  
} while (a < 11);  
} 

如果在编译此程序时加上-S 选项，如“gcc -S test.c”，就会出现如程序1-2 这样的汇编语言程序（该程序在X86 系列64 位环境下进行编译）。

程序1-2　编译后的汇编语言程序（部分）

 
.text  
.globl main  
.type main, @function  
main:  
.LFB2:  
pushq %rbp  
.LCFI0:  
movq %rsp, %rbp  
.LCFI1:  
movl $0, a(%rip) ……变量a 赋值为0  
.L2:  
movl a(%rip), %eax ……变量a 的值放到寄存器%eax 中  
leal 1(%rax), %edx ……（变量a）+1 的值放入%edx(%rdx 的低32 位) 中  
movl b(%rip), %eax ……将变量b 的值放入%eax（%rax 的低32 位）中  
leal (%rdx,%rax), %eax ……%rdx 和%rax 的和放入%eax 中  
movl %eax, b(%rip) ……%eax 的结果赋值给变量b  
movl a(%rip), %eax ……变量a 的值放入%eax 中  
addl $1, %eax ……对%eax 进行加1 运算  
movl %eax, a(%rip) ……%eax 的结果赋值给变量a  
movl a(%rip), %eax ……变量a 的值放入%eax 中  
cmpl $10, %eax ……将%eax 的值与10 进行比较  
jle .L2 ……小于等于10 的话跳到L2  
leave ……释放栈中的变量  
ret ……程序跳出  
.LFE2:  
.size main, .-main  
.comm a,4,4 ……分配给a 以4 为边界基准的4 字节内存  
.comm b,4,4 ……分配给b 以4 为边界基准的4 字节内存  
… 
 

  

 
 

  

 
 

  

 
 

  
1.2　编译器是如何运作的（2）
  
大致上，左边是标签，中间是CPU 指令，右边是操作目标。以“.”开始的字符串表示指定汇编程序集的函数名。以“:”结束的字符行是标识符的定义。函数名和标识符以外的部分是实际被执行的指令集，与CPU 的机器语言相对应。以“%”开头的是寄存器名，以“$”开头的是常量。
  
“a(%rip)”表示外部变量a，“b(%rip)”表示外部变量b，外部变量引用以%rip 标识的寄存器（程序计数器标识程序接下来该执行的指令）所指的地址中相对应的位置。
  
从标识符.L2 到jle 指令是程序的循环部分，相当于C 语言源程序的“do~while(a<11)”。即使没有使用过汇编语言，一看到程序当中的备注也能大致理解其运行原理。
  
X86 系列CPU 的寄存器
  
CPU 内部有若干个高速存储单元，也就是常说的寄存器，它可以用来储存数据，还可以作为指示其储存地址的指针来使用。在下面的表格中，我们列举了X86 系列CPU 中常用的寄存器。
  
一直以来，32 位的CPU 中所使用的寄存器为32 位寄存器，64 位CPU 中则使用扩展到64 位的寄存器，更甚者追加到寄存器r8~r15。扩展后的64 位寄存器可以在64 位模式下使用。
  
在64 位环境中，通过使用增加的寄存器，可完成程序中函数参数的传递。rax 被用于存放返回值，rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9 分别用于存放第1~6 个整数型参数。
  
在32 位环境中，将函数写入栈中，这样可以缩短执行时间。另外，对部分寄存器来说，寄存器的一部分也可进行数据存储和计算操作。比如，寄存器rax 的低32 位是eax，eax 的低16 位是ax ；ax 的高8 位是ah，ax 的低8 位是al 等。
  
x86/x64 系列CPU 的主要寄存器
  
  
*1 函数变量仅在64 位模式下使用。
  
*2 寄存器变量在某些时候被分配为操作用寄存器。

  
  

  
添加优化选项后的结果
  
想必即使是不熟悉汇编语言的读者也能看出，前面所生成的代码太过冗余。虽然在计算时将内存上变量a 和b 的内容复制到了寄存器%eax 上，但是如果能将变量a 和b 分别放在不同的寄存器上，然后仅对寄存器进行操作，这样岂不是更合理？
  
接下来，我们将添加优化选项（-O），执行“gcc -S -O3 example.c”指令后再来编译看看。其结果如程序1-3 所示，可以看得出所生成的代码更为简练。
  
程序1-3　优化选项的效果
  
   
.text  
.p2align 4,,15  
.globl main  
.type main, @function  
main:  
.LFB13:  
movl b(%rip), %edx ……变量b 的值放到寄存器%edx 中  
movl $0, a(%rip) ……变量a 赋值为0  
xorl %eax, %eax ……将寄存器%eax 清零  
.p2align 4,,7  
.L2:  
addl $1, %eax ……对寄存器%edx 做加1 运算  
addl %eax, %edx ……寄存器%edx 与%eax 相加  
cmpl $10, %eax ……将寄存器%eax 的值与10 相比  
jle .L2 ……小于等于10 则跳到L2  
movl %edx, b(%rip) ……将加法运算的结果赋值给变量b  
movl $11, a(%rip) ……变量a 赋值为11  
ret  
.LFE13:  
.size main, .-main  
.comm a,4,4  
.comm b,4,4  
… 
  
前面冗余的代码在循环内对外部变量逐一计算并赋值，但是在优化后的代码中，我们用寄存器代替了外部变量，最后灵活地将变量a 赋值为11，并且在循环代码前面使用了能缩短执行时间的逻辑操作指令xorl（XOR），这也是为了提高效率。
  
这只是编译器进行优化的一个小小例子，但我们可以从中看出，直接生成的代码和优化后的代码之间存在哪些区别。
  

 
 

  							学习自：51CTO.com