编译-让计算机认识我一个漂亮的control+v啪

CPU对我们来说既熟悉又陌生。熟悉的是，我们知道代码是由 CPU 执行的。当我们的在线服务出现问题时，我们可能会首先检查 CPU 负载。奇怪的是，我们不知道 CPU 是如何执行代码的，它对我们的代码做了什么。本文意在简要说明我们代码的生命周期以及代码是如何在 CPU 上运行的。

编译——让电脑认识我

一个漂亮的control+c加上一个漂亮的control+v，slap~，我们愉快的写了代码，代码保存的时候，存储在我们磁盘的某个地方，可能是java或者python之类的东西level 语言，也可能是c这样的古语言写的，但是现在一定不能运行，因为计算机不知道它们，计算机只知道0、1这样的二进制，简称机器代码，那我们为什么不直接写机器码呢？如果你有这种想法，我只能呵呵，请帮我翻译以下机器码：

001010100101001001001
100100101000101010101
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显然，作为高素质的人类，我们无法识别这段代码是写什么的，于是就有了像java这样的高级语言，给机器码披上了一层外衣，然后交给伟大的程序员去创造未来.

所以反过来，我们的代码也需要换成机器码，这样电脑才能识别，电脑才能帮我们做事。这个转换过程通常称为编译。

#include 
int main() 
{
   printf("Hello World\n");
   return 0;
}
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这是每个程序员都应该编写的一段代码（hello.c）。在 Linux 下，当我们使用 GCC 编译 Hello World 程序时，我们只需要最简单的命令：

gcc hello.c
./hello
# Hello World
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看似简单的一行，其实编译过程非常复杂。这不是我们想象的编译。它实际上分为4个步骤，即Prepressing、Compliation、Assertmbly和Linking。（链接）。

预编译：这个过程主要处理源代码中以“#”开头的预编译指令，如“#include”、“define”等。 编译：这个过程是经过词法分析、语法分析、预处理文件的语义分析和优化。这个过程是最复杂的。汇编：这个过程是将汇编代码转换成机器码，也就是上图中的目标文件hello.o链接：我们的代码程序往往是由多个代码文件组成的，当每个文件被汇编成“.o”文件时，您需要一种机制将它们组装在一起，这个过程称为链接。

嗯，原来的编译是这样的。通过这整套编译操作，我们的代码终于可以执行了。我们只需运行 ./hello.out 即可输出 Hello World。等等，这个简单的过程发生了什么？

连接 – 换乘站和高速公路

ok，ok，编译完成后，我们的程序终于可以执行了，我们从CPU的角度来看看Hello World是怎么打印出来的。

首先，编译后的文件存放在磁盘上，必须先加载到内存中。在这里你可能会问：为什么CPU不能直接读取磁盘程序运行而是通过内存来运行？答案是慢，慢的磁盘会影响我们程序执行的速度，所以我们需要一个更靠近CPU的更快的存储，也就是内存。

内存是一个很大的存储空间，可以存储大量的数据信息，那么如何找到我们要写的程序呢？答案是地址。其实每个字节在内存中都有一个地址，所以CPU在内存中读取我们的程序时，只需要根据对应的地址知道我们程序的具体内容即可。

等等……，这里似乎还有一个问题，CPU是如何与我们的内存、磁盘通信的？一定有媒介什么的。是的，这个媒介就是主板上的总线和芯片组。公共汽车很容易理解，就像高速公路一样。数据信息可以通过这条高速路传输到CPU。这是什么芯片组？电脑主板上有很多芯片，主要是南桥芯片和北桥芯片。我先解释一下：

北桥芯片：北桥负责高速设备与CPU之间的通信伪代码用什么软件写，主要是CPU、内存、显卡之间的通信，但随着技术的迭代，主板上的北桥芯片已经内置于中央处理器。南桥芯片：南桥负责低速设备与北桥的通信，主要负责I/O总线之间的通信，如USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器, 高级电源管理等。

嗯……为什么CPU和高速设备、低速设备之间的通信需要这两个芯片？CPU不能自己做吗？这还是类似于拆分任务的功能。如果所有任务都交给 CPU，CPU 就会太忙。还有一点很重要的是，如果南桥芯片坏了，那么我们可以直接更换南桥，而无需更换整个CPU。

最后，CPU通过总线和芯片打通了磁盘和内存的通信，接下来的一切都交给了CPU。

CPU——最强大脑

CPU的全称是Central Processing Unit，也就是中央处理器，其本质是一个非常大规模的集成电路。从逻辑上讲，它的内部由寄存器、控制器、运算符和时钟组成。让我们解释一下每个组件的作用。

综上所述，CPU的一般工作流程如下：时钟信号到来时，开始工作，通过控制器将内存中的数据读入各个寄存器，然后如果有与计算相关的逻辑，它被移交给操作员。发现没有，CPU的工作其实挺简单的，本质就是不停的读取和执行指令。但是CPU是如何读取我们的代码指令的，以及我们代码中的if else和函数调用是如何进行分支判断和函数跳转的，我们来看一个例子：

a = 1 #0x0010
b = 2 #0x0011
if a > b { #0x0012
	printf("%s","a") #0x0013
} else { 
	add(a,b) #0x0014
} 
printf("%s","end") #0x0017
func add(int a,int b) { #0x0020
  return a+b
}
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这是一个非常简单的伪代码，带有分支判断和函数跳转。让我们从 CPU 的角度看看它是如何执行的：

首先，每个程序都有一个起始地址0x0010，是CPU读取程序的入口，将数字a=1读入通用寄存器，程序计数器（PC寄存器）自动加1，即指向下一条指令0x0011指令寄存器获取程序计数器的指令地址，将数字b=2读入通用寄存器，程序计数器（PC寄存器）自动加1，即指向到下一条指令 0x0012 指令寄存器发现这是比较逻辑，会执行ab，这可能有大于0、等于0、小于0的三个结果，然后将结果存入flag登记。这里有一点小知识。我们常说的CPU是64位还是32位，

显然a小于b，CPU应该根据标志寄存器的状态值跳转到else。注意程序计数器的值不是加1，而是设置为else的地址0x0014。当它执行到0x0015时，如果需要发生函数跳转，程序计数器会设置为0x0020，但这不是简单的函数跳转（专业术语叫call），因为函数执行后，会返回伪代码用什么软件写，即程序计数器需要再次从0x0020改变。变为 0x0017。调用执行时，后面要执行的指令的地址0x0017存放在栈上。当我们的 add 函数执行时，会有一个返回。回来的时候，将上一步存储在堆栈中的地址 0x0017 写入程序计数器的指令寄存器，并根据程序计数器的当前地址执行最后的打印（结束）。结束。

对于顺序执行的指令代码，程序计数器会自动累加（当然不一定是累加1），然后找到下一条要执行的指令。

在判断分支时，程序计数器不是简单的地址累加，而是需要进行地址跳转。

函数调用不仅需要跳转地址，还保存了函数执行后要执行的地址，方便返回继续执行。

其实在我们的代码中还有一个循环执行，也就是for、while等。此时，程序计数器会不断在某些地址之间来回切换。