打卡第六天：01 | 程序的运行过程：从代码到机器运行

（2021年11月3日打卡第六天）

你知道程序是如何运行的吗？
因此今天，作者将带领你从“Hello World”起，扎实基本功，探索程序如何运行的所有细节和原理。

#include "stdio.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
  printf("Hello World!\n");
  return 0;
}

计算机硬件是无法直接运行这个 C 语言文本程序代码的，需要 C 语言编译器，把这个代码编译成具体硬件平台的二进制代码。再由具体操作系统建立进程，把这个二进制文件装进其进程的内存空间中，才能运行。

1、程序编译过程

使用命令：gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 或者 gcc ./HelloWorld.c -o ./HelloWorld ，就可以编译这段代码。其实，GCC 只是完成编译工作的驱动程序，它会根据编译流程分别调用预处理程序、编译程序、汇编程序、链接程序来完成具体工作。
下图就是编译这段代码的过程：

其实，我们也可以手动控制以上这个编译流程，从而留下中间文件方便研究：

• gcc HelloWorld.c -E -o HelloWorld.i 预处理：加入头文件，替换宏。
• gcc HelloWorld.c -S -c -o HelloWorld.s 编译：包含预处理，将 C 程序转换成汇编程序。
• gcc HelloWorld.c -c -o HelloWorld.o 汇编：包含预处理和编译，将汇编程序转换成可链接的二进制程序。
• gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 链接：包含以上所有操作，将可链接的二进制程序和其它别的库链接在一起，形成可执行的程序文件。
  
  

2、程序装载执行

根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：

• 把程序和数据装入到计算机中；
• 必须具有长期记住程序、数据的中间结果及最终运算结果；
• 完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理；
• 根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；
• 能够按照要求将处理的数据结果显示给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件：

• 装载数据和程序的输入设备；
• 记住程序和数据的存储器；
• 完成数据加工处理的运算器；
• 控制程序执行的控制器；
• 显示处理结果的输出设备。

根据冯诺依曼的理论，我们只要把图灵机的几个部件换成电子设备，就可以变成一个最小核心的电子计算机，如下图：

靠地址总线寻找对应的“纸带格子”。读取写入数据由数据总线完成，而动作的控制就是控制总线的职责了。

3、更形象地将 HelloWorld 程序装入原型计算机

下面，我们尝试将 HelloWorld 程序装入这个原型计算机，在装入之前，我们先要搞清楚 HelloWorld 程序中有什么。

我们可以通过 gcc -c -S HelloWorld 得到（只能得到其汇编代码，而不能得到二进制数据）。我们用 objdump -d HelloWorld 程序，得到 /lesson01/HelloWorld.dump，其中有很多库代码（只需关注 main 函数相关的代码），如下图：

接下来，我们把这段代码数据装入最小电子计算机，状态如下图：

4、重点回顾

现代电子计算机正是通过内存中的信息（指令和数据）做出相应的操作，并通过内存地址的变化，达到程序读取数据，控制程序流程（顺序、跳转对应该图灵机的读头来回移动）的功能。