程式的編譯過程

為了說明程式的編譯過程，我們用經典的hello world程式作為例子

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello world!!!\n");
    return 0;
}

在linux系統中，我們用GCC編譯器將源程式檔案helloworld.c編譯成可執行目標檔案helloworld。

zengwh@zengwh:~/test_code$ gcc helloworld.c -o hello
zengwh@zengwh:~/test_code
 
$ ./hello
hello world!!!

這個過程經過四個階段，分別是預處理階段，編譯階段，彙編階段和連結階段。執行這個四個階段的程式分別是前處理器，編譯器，彙編器和連結器，一起構成了編譯系統。

• 預處理階段：前處理器（cpp）根據‘#’包含的標頭檔案，將標頭檔案的內容加進源程式中。得到新的程式檔案文字，以“.i”為副檔名。比如說helloworld程式包含stdio.h標頭檔案，這個階段將這個標頭檔案的內容插進源程式中
• 編譯階段：編譯器（ccl）將文字檔案hello.i翻譯成彙編程式hello.S。也就是將高階語言翻譯成彙編程式碼，低階的機器語言指令。
• 彙編階段：彙編器（as）將彙編程式hello.S翻譯成機器指令，將這些指令打包成可重定位目標程式的格式，並把結果儲存在hello.o檔案中，hello.o是個二進位制檔案。
• 連結階段：連結器（ld）將會把一個工程中所有的.o檔案連結合併成一個可執行目標檔案，可以被載入在記憶體中，由系統執行。

系統硬體組成

快取記憶體（Caches）

快取記憶體用來存放處理器近期可能需要的資訊，用來加快程式在CPU的執行，下圖是一個典型系統中的快取記憶體儲存器。

位於處理器晶片上的L1快取記憶體訪問速度跟訪問暫存器的速度幾乎一樣快，L2快取記憶體通過一條特殊的匯流排連線到CPU，訪問速度比L1慢5倍左右，但比訪問主存要快5-10倍。更新的系統還會有L3快取記憶體，他們都是用一種SRAM的硬體技術實現的。這樣，系統就可以獲得很大的一塊儲存器，而且訪問速度也很快。
程式具有訪問區域性區域裡的資料和程式碼的趨勢。通過將可能經常訪問的資料儲存在快取記憶體中的方法，大部分的儲存器操作都將在快速的快取記憶體中完成，程式效能大大提升。

作業系統管理硬體

在處理器中，指令集結構是對實際處理器硬體的抽象，在作業系統中，檔案是對I/O的抽象，虛擬儲存器是對程式儲存器的抽象，程序是對一個正在執行的程式的抽象，虛擬機器則是對整個計算機（包括作業系統，處理器和程式）的抽象

程序

程序是作業系統中對一個正在執行的程式的一個抽象。一個系統可以同時執行多個程序程式，而每個程序都好像獨佔使用硬體。併發執行則是說一個程序的指令和另一個程序的指令是交錯執行的。

執行緒

一個程序可以由多個執行緒組成，每個執行緒執行在程序的上下文中，並共享同樣的程式碼和全域性資料。

虛擬儲存器

虛擬儲存器是一個抽象概念，為每個程序提供一個假象，即每個程序好像在獨佔使用主存。每個程序看到的是一致的儲存器，即是虛擬地址空間。圖中的地址是從下往上增大。

• 程式程式碼和資料：對所有程序來說，程式碼都是從同一固定地址開始，接著就是全域性變數對應的資料位置。程式碼和資料區一開始執行就已經規定大小。
• 堆：堆可以執行的時候動態地擴充套件和收縮，比如呼叫malloc或free函式的時候。
• 共享庫：大約在地址中間，用來存放像C標準庫或數學庫這樣共享的程式碼和資料區域。
• 棧：位於使用者虛擬地址空間頂部的是棧，編譯器同它來實現函式呼叫。和堆一樣，在程式執行期間可以動態地擴充套件和收縮。每呼叫函式，棧增長，函式返回，棧收縮。
• 核心虛擬儲存器：地址空間頂部區域是為核心保留的，不允許應用程式讀寫這個區域的內容或者直接呼叫核心程式碼定義的函式。