程序的表示、转换与链接

最新推荐文章于 2021-01-22 16:59:35 发布

欧阳田

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分类专栏：计算机基础知识文章标签：计算机基础 C语言程序的表示链接

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笔记内容来自：程序的表示、转换与链接

作为理解计算机基础概念的指导路径。理解如下核心概念。

用“系统思维"分析问题

例子1

ISO C90标准下，在32位系统上以下C表达式的结果是什么？
-2147483648 < 2147483647

false(与事实不符)！ Why?

以下关系表达式结果呢？
int i = -2147483648;
i < = 2147483647

true! Why?

-2147483648 - 1 < 2147483647,结果怎样？

如何理解该问题呢？

编译器如何处理字面量
高级语言中运算规则
高级语言与指令之间的对应
机器指令的执行过程
机器级数据的表示和运算

例子2


sum (int a[], unsigned len)
{
    int i, sum = 0;
    for(i = 0; i<= len-1; i++>)
        sum += a[i];
    return sum;
}

当参数len为0时，返回值应该是0，单身在机器上执行时，却发生访问异常。但当len为int型时则正常。Why?

如何才能理解？

高级语言中运算规则
机器指令的含义和执行
计算机内部的运算电路
异常的检查和处理
虚拟地址空间

例子3

若x和y为int型，当x=65535时，y=x*x;y的值为多少呢？

#include <stdio.h>
 
static int multi(int a, int b)
{
    return a*b;
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
    int a = 65535;
    int b = 65535;
    int c;
	
    c = multi(a, b);
    printf(" %d * %d = %d\n", a, b, c);
	
    return c;
}

结果是65535 * 65535 = -131071
现实世界中，x的平方是大于等于0的，但是在计算机接收中并不一定成立。

对于任何int型变量x和y,(x>y) == (-x < -y>)总成立吗？
当x=-2147483648,y任意（除-2147483648）时不成立，Why?

现实世界中成立，但是在计算机世界中是不一定成立的。

如何才能理解

机器级数据的表示
机器指令的执行
计算机内部的运算电路

例子4

main.c

int d=100;
int x=200;
int main()
{
    p1();
    printf("d=%d, x=%d\n", d, x);
    return 0;
}

p1.c

double d;
void p1()
{
    d = 1.0;
}

打印的结果是什么？
d=0, x=1 072 693 248
Why？

如何才能理解

机器级数据的表示
变量的存储空间分配
数据的大端/小端存储方式
连接器的符合解析规则

例子5

/*复制数组到堆中，count为数组元素个数*/
int copy_array(int *array, int count){
    int i;
    /* 在堆中申请一块内存*/
    int *myarray = (int*)malloc(count*sizeof(int));
    if(myarray == NULL)
        return -1;
    for(i = 0; i < count; i++)
        myarray[i] = array[i];
    return count;
}

当count等于2的30次方加一的时候，程序会发生什么情况？

当参数count很大时，则countsizeof(int)会溢出。如count等于2的30次方加一时，countsizeof(int)=4。则堆（heap）中大量数据被破坏。

如何才能理解

乘法运算及溢出
虚拟地址空间
存储空间映射

例子6

int a = 0x80000000;
int b = a / -1;
printf("%d\n", b);

运行结果为-2147483648

objdump反汇编代码，得知除以-1被优化成去负指令neg，故未发生除法溢出。

int a = 0x80000000;
int b = -1;
int c= a/b;
printf("%d\n", c);

运行结果为Flfoating point exception,显然CPU检测到了溢出异常。

为什么两者结果不同

**a/b用除法指令IDIV实现，但它不生成OF标志，那么如何判断溢出异常的呢？**实际上是，“除法错”，异常#DE（类型0）
Linux中，对#DE类型发SIGFPE信号。

如何理解

编译器如何优化
机器级数据的表示
机器指令的含义和执行
计算机内部的运算电路
除法异常的处理

例子7

main()
{
    double a = 10;
    printf("a = %d\n", a);
}

在IA-32上运行时，打印结果为a=0
在X86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值
为什么？

如何才能理解

IEEE 754的表示
X87 FPU的体系结构
IA-32和x86-64中过程调用的参数传递
计算机内部的运算电路

例子8

double fun(int i)
{
    volatile doubel d[1] = {3.14};
    volatile long int a[2];
    a[i] = 1073741824;/*Possibly out of bounds*/
    return d[0];
}

对上述C语言函数，i=0~4时，fun(i)分分别返回什么值

fun(0) —> 3.14
fun(1) —> 3.14
fun(2) —> 3.1399998664856
fun(3) —> 2.00000061035156
fun(4) —> 3.14，然后存储保护错
为什么？

如何才能理解

机器级数据的表示
过程调用机制
栈帧中数据的布局

例子9

void copyij(int src[2048][2048], int dst[2048][2048])
{
    int i,j;
    for(i = 0; i< 2048; i++)
        for(j = 0; j< 2048; j++)
            dst[i][j]= src[i][j];
}

void copyij(int src[2048][2048], int dst[2048][2048])
{
    int i,j;
    for(j = 0; j< 2048; j++)
        for(i = 0; i< 2048; i++)
            dst[i][j]= src[i][j];
}

以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空间复杂度完全一样，执行时间一样吗？

实际上按行优先是按列优先的21倍快。

如何才能理解

数组的存放方式
Cache机制
访问局部性

例子10

int main(int argc, char* argv[])
{
    int a=10;
    double *p(double*)&a;
    printf("%f\n",*p);              //结果为0.0000000
    println("%f\n",(double(a)));    //结果为10.000000

    return 0;
}

关键差别在于一条指令：fldl 和 fildl