极简版《计算机原理》

2023-12-20 16:08:51

极简版《计算机原理》

这两周读了日本作者矢泽久雄写的《程序是怎么跑起来的》，解开了我这个作为通信专业的软件从业者的很多困惑，为了避免日后遗忘，将一些看了这本书之后的问题的解答记录下来。

Q：电脑的 CPU 中包含哪些部分？各自的作用有哪些？
A：CPU 包含寄存器，控制器，时钟和运算器四种主要的结构。如下图所示

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  • 控制器负责将内存上的指令、数据等读入到寄存器，并根据运算的结果控制整个计算机；
  • 寄存器用来暂存数据、指令等处理对象，一般 CPU 包含 20～100 个不同的寄存器；
  • 时钟负责 CPU 开始计时的时钟信号；
  • 运算器负责运算从内存读入寄存器的数据

从程序员的角度来说，CPU 可以看作寄存器的集合。CPU 中包含不同种类的寄存器，各自有不同的功能，如下表所示：

种类 功能 数目
累加寄存器 存储运算中和运算后的数据 1
标志寄存器 存储运算后的 CPU 状态 1
程序计数器 存取下一条指令的内存地址 1
基址寄存器 存储数据内存的起始地址 多个
变址寄存器 存储基址寄存器的相对地址 多个
通用寄存器 存储任意数据 多个
指令寄存器 存储指令。CPU 内部使用，程序员无法通过程序对寄存器进行读写操作 多个
栈寄存器 存储栈区域的起始地址 多个

Q：一个典型的 C 语言源代码在电脑中运行的基本流程是怎样的？
A：C 语言写成的源代码是高级语言程序，但是 CPU 运行的代码是本地机器语言，因此 C 的源代码并不能立即运行。实际上，一个 C 的源代码需要经过编译、和链接生成. exe 的可执行文件之后，电脑会将. exe 文件的副本复制到内存中再运行，基本的流程如下图所示：

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Q：内存内部结构如何？内存的数据存取都有哪些数据结构？
A：内存是计算机的主存储器，通过芯片与计算机相连，主要负责存储指令和数据，CPU 通过基址寄存器和变址寄存器读取和写入内存中的数据。内存由连续的长度为 8bit（1 个字节）的基本元素构成，程序启动之后 CPU 的控制寄存器根据时钟信号从内存中读取指令和数据。

存取内存的数据结构包括数组、栈、堆、队列、链表和二叉树。我们可以通过指针直接访问和改变对应内存地址中的变量的数值。

  • 数组是多个同样类型的数据在内存中连续的排列的形式，可以通过数组的索引访问数组元素；
  • 栈可以不通过指定地址和索引对数组元素进行读写。栈由栈底、栈顶描述，一般用来临时保存运算过程中的数据、连接在计算机设备上或者输入输出的数据；
  • 队列与栈相似，栈的元素是 FILO，但是队列是 FIFO，队列一般用环形缓冲区实现；
  • 链表与数组不同，它在内存中不是连续存储的，每个元素都有一个直接后继，像串珠一样将每个元素串联起来，最大优势是增减元素方便快捷；
  • 二叉树中除了最终的子节点之外，每个元素都有两个后继结点，有序二叉树使得搜索变得更有效

Q：数据和程序是如何保存在计算机中的？
A：程序和数据是保存在计算机的硬盘中的，但是程序运行需要将机器语言的程序加载到内存，因为 CPU 的程序计数器指定内存地址才能读出程序内容。内存和磁盘因为自身特点的差异，它们之间具有紧密的联系。

  • 磁盘缓存。由于磁盘的读取速度较慢，为了加快程序的运行，将磁盘中的部分数据加载到内存中缓存起来，之后在访问同一个数据的时候就直接从内存中读取数据，这样的机制叫磁盘缓存；

  • 虚拟内存。虚拟内存刚好与之相反，在运行比较大的程序或者内存资源比较紧张可以将部分磁盘当作假想的内存来用。实现虚拟内存机制需要在磁盘为内存预留空间，并在程序运行时与内存中的内容进行置换（swap），window 中提过分页式虚拟内存机制，如下图所示

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一般虚拟内存的大小与内存相当或者是内存的两倍。

Q：什么是动态链接和静态链接？二者有何不同？
A：DLL（Dynamic link libary）是在程序运行时候动态加载的文件，*中的解释是

動態連結函式庫（英语：Dynamic-link library，缩写为 DLL）是微软公司在微软视窗操作系统中实现共享函数库概念的一种实作方式。这些函式庫函数的扩展名是.DLL、.OCX（包含 ActiveX 控制的函式庫）或者.DRV（舊式的系统驱动程序)。

所謂動態链接，就是把一些經常會共用的程式碼（靜態链接的 OBJ 程式庫）製作成 DLL 檔，當執行檔呼叫到 DLL 檔內的函數時，Windows 作業系統才會把 DLL 檔載入記憶體內，DLL 檔本身的結構就是可執行檔，當程式需求函數才進行链接。透過動態链接方式，記憶體浪費的情形將可大幅降低。靜態連結函式庫則是直接連結到執行檔。

DLL 的文件格式与视窗 EXE 文件一样——也就是说，等同于 32 位视窗的可移植执行文件（PE）和 16 位视窗的 New Executable（NE）。作为 EXE 格式，DLL 可以包括原始碼、数据和资源的多种组合。

简单来说，已经编译成汇编语言的程序文件，在进一步链接时如果直接将库文件链接进 exe 可执行文件，则该链接文件就是静态库，如果仅仅在程序运行时才进行链接称为动态链接，链接的目标文件就是动态链接库（windows 中为 dll 文件）。需要说明的是，在链接之后，exe 文件中包含了静态链接库的所有内容，所以会比较大，而动态链接库相对轻巧，并且动态链接库可以在被多个同时运行的程序所共有，并且保证内存中只有一个 dll 文件中调用函数的副本，这样就节省了程序运行的空间。实际上 window 操作系统的大部分 API 目标文件是动态链接库，动态链接库一般由导入库导入，导入库中并不存在目标函数的实体，仅仅保存目标函数所在的动态链接库的名称及路径。下面的表格是对两者的总结。

链接类型 何时链接 是否可共享 文件类型 资源占用
静态 编译后链接时 否 .a/.lib 多
动态 程序运行时 可被多个程序共享 .dll/.so 少

关于动态链接和静态链接的详细介绍请参考博文 C++ 静态库与动态库。

Q：一个 C 语言源程序是如何变成可执行文件（exe）的？又是如何在操作系统中运行的？ A：这是个比较大的问题，作者在书中举了个 C 语言的例子。大体来说，C 的源程序需要通过编译器编译成汇编语言（asm 文件），进一步链接需要的库文件（dll 文件）生成可执行文件（exe 文件），最后点击 exe 将可执行文件导入内存运行程序。以Sample.c文件为例

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

char *title = "messgae box";
double average(double a, double b)
{
    return (a + b)/2.0;
}

int WINAPI WinMain(HINSTANCE h, HINSTANCE d, LPSTR s, int m)
{
    double ave;
    char buff[80];
    ave = average(123,456);

    sprintf(buff, "average value is %f", ave);

    MessageBox(NULL, buff, title, MB_OK);

    return 0;
}
  1. 编译该文件，在源文件目录上运行命令bcc32 -W -c Sample.c，生成 sample.obj 目标文件；
  2. 链接需要的库文件，运行命令ilink32 -Tpe -c -x -aa c0w32.obj Sample.obj, Sample.exe,, import32.lib cw32.lib

需要说明的是，c0w32.obj 文件是与所有程序起始位置相结合的处理内容，称为程序的启动。在源程序中，我们调用了系统函数 sprintf 和 messagebox，因此，需要将这两个函数对应的库函数（其中的内容与 exe 文件相同，都是本地代码）链接进来，告诉链接器去哪里找这两个函数对应的本地代码。

sprintf 的本地代码在 cwlib32.lib 中，编译之后会将它的目标函数合成到 exe 文件中，称为静态链接；而 messagebox 的本地代码在库文件 user32.dll 里，使用 import32.dll 是为了告诉连接器 “messagebox 在库文件 user32.dll 中，以及 user32.dll 在哪里”，所以 import32.dll 称为导入库。程序运行时，执行从 DLL 文件调出的 MessageBox() 函数这一信息就会和 exe 文件结合，称为动态链接。

源程序到可执行文件的流程如下所示：

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Q：可执行文件包含哪些内容？它加载到内存中是什么样子？
A：可执行文件中包含了源程序的变量和函数的虚拟地址，在加载到内存之后需要必要的信息将虚拟地址转换成实际地址，转换需要的信息就在 exe 文件开始的部分，称为再配置信息。exe 文件被加载到内存之后，就将这些虚拟内存转换成实际内存，程序运行中会生成栈和堆，因此在内存中的样子如下图所示

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Q：c，o，a，lib，obj，dll 这些文件分别是什么？他们之间是什么关系？
A：c 是 C 语言的源文件，如博文 Linux 的. a、.so 和. o 文件 中所述

lib,dll,exe 都算是最终的目标文件，是最终产物。而 c/c++ 属于源代码。源代码和最终目标文件中过渡的就是中间代码 obj，实际上之所以需要中间代码，是你不可能一次得到目标文件。比如说一个 exe 需要很多的 cpp 文件生成。而编译器一次只能编译一个 cpp 文件。这样编译器编译好一个 cpp 以后会将其编译成 obj，当所有必须要的 cpp 都编译成 obj 以后，再统一 link 成所需要的 exe，应该说缺少任意一个 obj 都会导致 exe 的链接失败。而 .o, 是 Linux 目标文件, 相当于 windows 中的. obj 文件，.so 文件为共享库, 是 shared object, 用于动态连接的, 相当于 windows 下的 dll,.a 为静态库, 是好多个. o 合在一起, 用于静态链接

Q：什么是_BSS 段和_DATA 段？全局变量和局部变量在程序运行时有何不同？
A：这是汇编语言的概念，编译器将高级语言源程序转换成汇编文件 (.asm 文件)，有如下的源文件sample2.c

int AddNum(int a, int b)
{
    return a + b;
}

void MyFun()
{
    int c;
    c = AddNum(123,456);
}

经过编译之后的汇编文件（软件环境 win10，gcc 编译器）内容如下：

    .file    "sample.c"
    .text
    .globl    _AddNum
    .def    _AddNum;    .scl    2;    .type    32;    .endef
_AddNum:
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    movl    8(%ebp), %edx
    movl    12(%ebp), %eax
    addl    %edx, %eax
    popl    %ebp
    ret
    .globl    _MyFun
    .def    _MyFun;    .scl    2;    .type    32;    .endef
_MyFun:
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $24, %esp
    movl    $456, 4(%esp)
    movl    $123, (%esp)
    call    _AddNum
    movl    %eax, -4(%ebp)
    leave
    ret
    .ident    "GCC: (tdm-1) 4.9.2"

汇编程序最接近机器语言，而且其与 C 语言一一对应，所以通过汇编文件就可以了解程序运行的大体情况。从上面的汇编文件，可以看到如下的结果

  1. 寄存器 esp 指向栈顶元素地址，每个元素占据 4 个字节的数据；
  2. 在每个函数开始的时候，都要将寄存器 ebp 的数据压入栈中进行保护；
  3. 上述程序中隐藏的一个关键步骤是在第 21 行，call AddNum 时，计算机已经将 MyFun 函数的下一个指令的地址压入栈中，在调用完 AddNum 时（第 12 行），返回函数 Myfun 时候会自动将栈中的返回指令的地址出栈交给 CPU 的程序计数器，这样就可以实现在调用函数之后仍然返回原来的调用的地方；
  4. 函数的入参被保存在栈中，返回值被保存在寄存器里。
int a;
int b;
float fl;

int c = 9;
int d = 10;
int e = 11;
int f = 12;

void MyFun(void)
{
    int a1,b1,c1;
    float fl1;
    a1 = 1;
    b1 = -1;
    fl1 = -99.34;
    c1 = -87;

    a1 = a;
    b1 = b;
    fl1 = fl;
    c1 = c;
}

以上的 C 源代码转换成汇编语言是

    .file    "sample2.c"
    .comm    _a, 4, 2
    .comm    _b, 4, 2
    .comm    _fl, 4, 2
    .globl    _c
    .data
    .align 4
_c:
    .long    9
    .globl    _d
    .align 4
_d:
    .long    10
    .globl    _e
    .align 4
_e:
    .long    11
    .globl    _f
    .align 4
_f:
    .long    12
    .text
    .globl    _MyFun
    .def    _MyFun;    .scl    2;    .type    32;    .endef
_MyFun:
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $16, %esp
    movl    $1, -4(%ebp)
    movl    $-1, -8(%ebp)
    movl    LC0, %eax
    movl    %eax, -12(%ebp)
    movl    $-87, -16(%ebp)
    movl    _a, %eax
    movl    %eax, -4(%ebp)
    movl    _b, %eax
    movl    %eax, -8(%ebp)
    movl    _fl, %eax
    movl    %eax, -12(%ebp)
    movl    _c, %eax
    movl    %eax, -16(%ebp)
    leave
    ret
    .section .rdata,"dr"
    .align 4
LC0:
    .long    -1027166700
    .ident    "GCC: (tdm-1) 4.9.2"

从中可以看出全局变量保存在. comm 和. globl 段，局部变量保存在寄存器中，因此在程序运行的整个过程中，全局变量可以随时访问，但是局部变量却会在用过之后消失。

关于 windows 的汇编的内容可进一步参考文章汇编与逆向分析

以上是此书最干货的部分，书中该介绍了计算机二进制数，和计算机硬件的部分内容，在此略过不提。

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