深入理解计算机系统：程序的机器级表示（2）-优快云博客

本章基于两种相关的机器语言：Intel IA32和x86-64。前者是32位计算机上的语言，后者是前者在64位机器上的拓展。
32位计算机的虚拟内存有4GB，而64位计算机高达256TB。

程序编码

假设一个C程序有两个文件p1.c和p2.c，在32位计算机上用Unix命令行编译这些代码如下：

unix> gcc -01 -o p p1.c p2.c
   
   1

命令gcc就是Linux上的默认编译器：GCC C。编译选项-01告诉编译器使用第一级优化。
gcc命令调用了一系列程序，将源代码转化成可执行代码。

1. 预处理

首先，C预处理器拓展源代码，插入所有用#include 命令指定的文件，并拓展所有用#define声明指定的宏。

2. 编译

然后，编译器产生两个源代码的汇编代码，名字分别是p1.s和p2.s。

3. 汇编

接下来，汇编语言将汇编代码转换成二进制目标代码，文件名为p1.o和p2.o。目标代码是机器代码的一种形式，它包含所有指令的二进制表示，但是还没有填入地址的全局值。

4. 链接

最后，链接器将两个目标代码文件与实现库函数（例如printf）的代码合并，并产生最终的可执行代码文件p。

IA32机器代码和原始的C代码差别非常大，一些通常对C语言程序员隐藏的处理器状态是可见的：程序计数器（在IA32中用%eip表示）、整数寄存器文件、条件码寄存器等。

在命令行上使用“-S”选项，就能得到C语言编译器产生的汇编代码：

unix> gcc -01 -S code.c
   
   1

这会使GCC运行编译器，产生一个汇编文件code.s，但是不做其他进一步的工作。

如果我们使用“-c”命令行选项，GCC会编译并汇编该代码：

unix> gcc -01 -c code.c
   
   1

这就会产生目标代码文件code.o，它是二进制格式，所以无法直接查看。机器实际执行的程序只是对一系列指令进行编码的字节序列，机器对产生这些指令的源代码一无所知。
要查看目标代码文件的内容，最有价值的是反汇编器，它是基于机器代码文件中的字节序列来确定汇编代码。

生成一个实际可执行的代码需要对一组目标文件运行链接器，而这组目标代码文件中必须含有一个main函数。假设在文件main.c中有下面这样的函数：

int main() {
    return sum(1,3);
}
   
   1
2
3

然后，用如下方法生成可执行文件prog：

unix> gcc -01 -o prog code.o main.c
   
   1

生成的prog不仅包含两个过程的代码，还包含了用来启动和终止程序的信息，以及用来与操作系统交互的信息。

控制

循环

C语言提供了多种循环结构，即do-while、while和for。汇编中用条件测试和跳转结合起来实现。大多数汇编器根据一个循环的do-while形式来产生循环代码，即使do-while的形式用得相对较少。其他的循环会首先转换成do-while形式，然后再编译成机器代码。首先从do-while开始。

do-while循环

do-while的通用形式可以翻译成如下所示的条件和goto语句：

loop:
    body-statement
    t=test-expr;
    if(t)
        goto loop;
   
   1
2
3
4
5

每次循环，程序会执行循环体内的语句，然后执行测试表达式。如果测试为真，则回去再执行一次循环。

while循环

将while循环翻译成机器代码有很多种方法，常见的是使用条件分支，在需要时省略循环体的第一次执行，从而将代码转换成do-while循环，如下：

if(!test-expr)
    goto done;
do
    body-statement
    while (test-expr);
done:
   
   1
2
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4
5
6

接下来，这个代码可以直接翻译成goto代码，如下：

    t=test-expr;
    if(!t)
        goto done;
loop:
    body-statement
    t=test-expr;
    if(t)
        goto loop;
done:
   
   1
2
3
4
5
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8
9

for循环

for循环可以很容易转换成while循环，进而转换成do-while形式：

init-expr;
if(!test-expr)
    goto done;
do {
    body-statement
    update-expr;
} while (test-expr);
done:
   
   1
2
3
4
5
6
7
8

然后，将它转换成goto代码：

    init-expr;
    t=test-expr;
    if(!t)
        goto done;
loop:
    body-statement
    update-expr;
    t=test-expr;
    if(t)
        goto loop;
done:
   
   1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

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