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計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行你寫的代碼

Q4MP_gh_c472c21 ? 來源:編程技術(shù)宇宙 ? 作者:軒轅之風(fēng)O ? 2021-09-12 09:33 ? 次閱讀
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計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行你寫的代碼?知乎上有人提問:電腦怎樣執(zhí)行編程語言的?

很多剛剛?cè)肟拥男“卓赡軐Υ送耆珱]有概念,或者模模糊糊知道個(gè)大概,我們寫下的一行行代碼,計(jì)算機(jī)到底是如何在執(zhí)行的呢?

我們以x86架構(gòu)的CPU為研究對象,從一個(gè)例子出發(fā),來嘗試解答這個(gè)問題。

1、高級語言為了方便編程,偉大的計(jì)算機(jī)先驅(qū)們發(fā)明了一個(gè)又一個(gè)的編程語言,使得我們可以用人類最容易理解的語法規(guī)則去告訴計(jì)算機(jī)完成我們想要的功能。

比如,一個(gè)C語言程序員寫下了一行代碼:

int sum = a + b;

一句簡單的不能再簡單的C語言語句。

但即便是如此簡單,聰明絕頂?shù)挠?jì)算機(jī)卻還是看不懂:這是弄啥捏?

這時(shí)候就需要一個(gè)翻譯,負(fù)責(zé)把人類編寫的高級語言“翻譯”成計(jì)算機(jī)能看得懂的東西,這個(gè)翻譯就是編譯器。

2、編譯鏈接上面的高級語言語句經(jīng)過編譯器編譯鏈接后,生成了一個(gè)目標(biāo)運(yùn)行平臺為x86架構(gòu)的可執(zhí)行程序exe/elf,使用反編譯工具IDA進(jìn)行分析,可以看到這行代碼編譯后的樣子是這樣的:

5de95ec8-1354-11ec-8fb8-12bb97331649.png

mov eax, a : 將變量a的值存入eax寄存器

add eax, b : 把變量b的值和eax寄存器的值相加,并將結(jié)果保存在eax寄存器中

mov sum, eax : 將計(jì)算結(jié)果從eax寄存器寫入sum變量

看到了嗎,就像把大象關(guān)進(jìn)冰箱需要分三步,計(jì)算機(jī)完成程序員的一條加法語句,也分了三步:取出被加數(shù)、加上加數(shù)、寫入結(jié)果。

3、機(jī)器指令上面的匯編指令只是為了人類理解方便的助記符,計(jì)算機(jī)同樣也不認(rèn)識這玩意,那幾條指令在內(nèi)存中實(shí)際上是這樣的一串?dāng)?shù)據(jù):

十六進(jìn)制:

8B 45 EC 03 45 E0 89 45 F8

十六進(jìn)制是為了書寫方便,計(jì)算機(jī)真正能看到的只有二進(jìn)制的比特流:

10001011 01000101 11101100 00000011 01000101 11100000 10001001 01000101 11111000

接下來,計(jì)算機(jī)要做的事情就是識別這些二進(jìn)制流都是什么意思,轉(zhuǎn)換成一條條的指令來執(zhí)行。

在開始執(zhí)行之前,先來了解一下指令格式。

4、指令格式x86架構(gòu)CPU指令集中的指令格式如下:

主要有六個(gè)部分:

[非必需] 指令前綴:我們經(jīng)常用到的原子操作指令前面有一個(gè)lock前綴,就屬于指令前綴。

[必需] 操作碼:指令最核心的部分,標(biāo)識這條指令是什么功能。

[非必需] ModR/M:內(nèi)存/寄存器操作數(shù)字節(jié)

[非必需] SIB:索引尋址描述字節(jié)

[非必需] Displacement:常數(shù)偏移字節(jié)/半字/字

[非必需] Immediate:立即數(shù)字節(jié)/半字/字

需要注意的是,并不是每一條指令都包含上面的所有部分,許多指令只包含其中一部分字段。

根據(jù)操作碼的長度不同,指令分為單字節(jié)操作碼指令、雙字節(jié)操作碼指令、三字節(jié)操作碼指令。

5、執(zhí)行指令計(jì)算機(jī)中真正負(fù)責(zé)指令執(zhí)行的核心部件是中央處理器CPU,在CPU中有一個(gè)指令寄存器IP,全稱是Instruction Pointer,在32位下,它叫EIP,在64位下它叫RIP。

下面開始執(zhí)行:

指令寄存器EIP指向了第一條指令,開始讀取第一個(gè)字節(jié):10001011,也就是0x8B。

開始指令譯碼,翻譯出這是一條什么指令。

下面是x86架構(gòu)的CPU指令操作碼表:

CPU中的指令譯碼模塊拿到手一看,呀,不是指令前綴,是個(gè)單字節(jié)操作碼的mov指令,要往eax寄存器里面塞數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)從哪來呢?

再往后一看,0x45,再來譯碼:

好家伙,原來是根據(jù)ebp寄存器的值+一個(gè)8位的偏移來讀取數(shù)據(jù)。

再往后讀取一個(gè)字節(jié),就是偏移值:EC。

現(xiàn)在第一條指令就譯碼出來了:將ebp+0xEC位置處的4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)取出來,放到eax寄存器中。,這就是這一條指令要干的事情。

同時(shí)CPU還得出了另一個(gè)信息:這一條指令長度是3個(gè)字節(jié),下一條指令的起始地址是在3個(gè)字節(jié)之后,隨后,指令寄存器EIP向后撥動(dòng),指向下一條指令的地址:$+3。

指令譯碼完成之后,開始來正式執(zhí)行它。

執(zhí)行完一條以后,又來到指令寄存器EIP指向的地方,隨后再次指令譯碼、執(zhí)行,不斷重復(fù)這個(gè)過程,依次執(zhí)行每一條指令。

這其實(shí)就是CPU工作最基本的原理。

拓展上面描述的過程是CPU在硬件電路層面完成的,但這種設(shè)計(jì)思想在軟件領(lǐng)域也同樣適用。

大家如果去研究Java虛擬機(jī)JVM和Python的解釋器源代碼時(shí),也會發(fā)現(xiàn)有相似之處:JVM和解釋器通過定義一套自己的“指令集”,然后它們的編譯器使用這套指令集將Java和Python代碼編譯成對應(yīng)的程序。

運(yùn)行的時(shí)候也類似,虛擬機(jī)或者解釋器不斷識別每一條指令,譯碼、執(zhí)行,和CPU執(zhí)行指令的過程頗有幾分相似。

C/C++語言編譯的程序,最后是直接編譯成了CPU的指令,所以跨平臺能力差,如果換到ARM架構(gòu)平臺,原來的程序?qū)o法執(zhí)行,需要重新編譯成新的平臺的程序。

而Java、Python這類語言,是自己在軟件層面的指令集,因?yàn)槠渥陨硪呀?jīng)開發(fā)了針對不同CPU平臺的虛擬機(jī)、解釋器,所以這些語言編寫的程序移植性好,真正做到一次編寫,到處運(yùn)行。

總結(jié)我們使用高級語言C、C++編寫的程序代碼,經(jīng)過編譯器的編譯鏈接,最終變成CPU可以理解的機(jī)器指令,隨后CPU在執(zhí)行時(shí)通過不斷的譯碼、執(zhí)行,最終實(shí)現(xiàn)高級語言所描述的功能。

現(xiàn)在你知道你用編程語言寫下的程序是如何跑起來的了嗎?

責(zé)任編輯:haq

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原文標(biāo)題:一行代碼,揭開CPU執(zhí)行原理!

文章出處:【微信號:gh_c472c2199c88,微信公眾號:嵌入式微處理器】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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