你知道你寫的代碼是怎樣執行起來的嗎

寫這篇博客就是想要解釋一個我自己在學習程序中比較困惑的問題：我們所寫的C語言代碼是如何在計算機中運行起來的？首先需要的知識儲備就是計算機里有哪些硬體，這些硬體之間是怎么配合著執行一條指令的，然后再分析，我們所寫的代碼有哪些指令構成，這些指令是怎么執行的，

一、計算機的硬體結構

說明：這里cpu內我沒有把暫存器單獨畫出來，而是將一部分主要的暫存器畫在了各個硬體里

總的來說：主存是用來存盤資料的，運算器是用來執行算術邏輯運算的，控制器可以控制各個硬體，負責從記憶體中取出指令，對指令進行分析，從而指揮指令有條不紊的執行，

具體來看各個部件：

1、運算器：運算器里主要執行算術、邏輯運算的是ALU,而ACC、MQ、X都是暫存器，用來存盤參與運算的運算元或者ALU執行運算后的結果，（具體哪些可以用來存結果，哪些可以用來存運算元等知識這里不贅述）

２、控制器：控制器里對指令進行分析進而控制運行的是CU，PC是程式計數器，存放的是下一條要執行的指令的地址，會自動＋１，IR是指令暫存器，存放具體的指令

３、主存：也就是通常所說的記憶體，除了用于存盤資料的存盤單元以外，還有MAR和 MDR兩個暫存器，要想從記憶體中讀取資料，需要將資料的地址放進MAR中，記憶體再將MAR中地址對應的資料放進MDR中（寫操作類似）

二、各個硬體是怎樣配合著執行一條指令的

首先，我們所寫C/C++這樣的代碼會經過編譯、鏈接產生一個可執行檔案（二進制的機器指令）存在我們的磁盤中，在執行前會被加載到記憶體中（執行時二進制的機器指令和資料一樣，都是存放在記憶體中的，每一條指令也有其對應的地址）

以執行這條指令為例，康康各個硬體執行時市怎樣配合作業的：

ｙ＝a*b+ｃ；

假設記憶體布局如下圖：

與之對應得執行步驟為：

1、pc＝0（指向第一條指令），將pc的內容賦給MAR暫存器，使得MAR＝０，且控制器告訴記憶體，此次執行讀操作

2、記憶體找到MAR存盤的地址所對應的存盤單元，將該單元內的資料放進MDR中，使得MDR=0000010000000101

３、MDR中所存盤的內容賦給IR暫存器，使得IR＝0000010000000101

前三步完成了取指令操作

４、IR將操作碼部分（000001）傳遞給CU，由CU分析出該條指令是要進行取數

５、IR將運算元部分（0000000101）傳遞給MAR

６、記憶體找到與MAR存盤的地址對應的存盤單元，并將該存盤單元的內容放進MDR，使得MDR=0000000000000010

７、將MDR中的內容放入ACC暫存器中

此時，第一條指令執行完，pc＝１（指向第二條指令），下面的步驟與上面類似都是：取值、分析、在控制器的控制下執行，在此不再贅述，

三、函式堆疊幀的創建和銷毀

上面分析了單獨一條指令在計算機中是怎樣執行的，但是我們平時所寫的C代碼都至少有一個主函式，函式在執行函式體指令之前，會創建函式堆疊幀，也就是說：我們所寫的C代碼，經過編譯之后所產生的二進制代碼，不僅僅包含函式體部分所對應的指令，還在函式體指令前面多出一部分指令，這一部分指令就是為函式創立堆疊幀用的，函式呼叫結束后創建的堆疊幀會自動銷毀，VS編譯器除錯環境中的反匯編，可以通過匯編代碼清楚的看到，函式堆疊幀創建和銷毀動作是怎樣完成的（本人使用的是VS2010，不同編譯器可能存在略微差異）

下面將通過一個例子分析來說明，函式堆疊幀創建、銷毀以及函式傳參的程序：

補充：push是壓堆疊操作，pop是出堆疊操作，ebp是堆疊底指標，esp是堆疊頂指標（會自動+1），可以通過下圖中呼叫堆疊視窗發現，main()函式是由_tmainCRTStartup()呼叫的，

假設 _tmainCRTStartup()呼叫main()函式前，堆疊底指標和堆疊頂指標如下圖：

開始執行main()函式之后，首先執行的三步是（匯編指令前的地址是該條指令的地址）：

00641400 push ebp ：將ebp內容壓入堆疊幀
00641401 mov ebp,esp ：將esp內容放入ebp中
00641403 sub esp,0E4h ：esp減去0E4h

執行完這3步之后，記憶體布局如下圖

00641409 push ebx
0064140A push esi
0064140B push edi ：三個壓堆疊操作
0064140C lea edi,[ebp-0E4h] ：將三個壓堆疊操作之前的堆疊頂指標加載到edi中

執行完這4步之后，記憶體布局如下圖

00641412 mov ecx,39h
00641417 mov eax,0CCCCCCCCh
0064141C rep stos dword ptr es:[edi]

這3步的作用是將main函式堆疊幀空間內的資料都改為：0CCCCCCCCh，這也就是為什么我們定義一個區域變數，如果不進行初始化，里面的隨機的為CCCCCCCC這樣的值，執行完之后的記憶體如下圖所示：

前面這些步驟執行完后，才開始真正執行我們所寫的代碼 （每句C代碼下面是其對應的匯編代碼）

int a=10;
0064141E mov dword ptr [a],0Ah
int b=20;
00641425 mov dword ptr [b],14h
int c=0;
0064142C mov dword ptr [c],0

這3步就是給a,b,c變數對應地址內的值改為變數的值（怎樣為變數分配地址跟編譯器有關，不同編譯器可能不同，其實我的編譯器兩個變數之間地址是相差8個位元組的，為了方便我畫成了4個位元組）

下面的代碼是呼叫add函式，但是通過下面的匯編代碼可以看出，在呼叫函式之前先傳遞引數，并且傳參的順序是由右向左

mov eax,dword ptr [b]
push eax
mov ecx,dword ptr [a]
push ecx

下面在除錯環境下按F11逐陳述句執行發現：在進入 add函式之前，call指令會先把下一條指令的地址壓堆疊，從我第一張截圖可以看到，call指令的地址是：0064143B，call指令的下一條指令的地址是：00641440，也即call指令會把00641440這個地址壓堆疊，然后進入add函式內，記憶體布局變為：

進入add函式后的匯編代碼如下圖：

函式體內 步驟與進入main()函式時一致，這里return z 這個操作是把z變數的值放入eax暫存器中，執行完之后，記憶體布局如下圖：

006413E1 pop edi
006413E2 pop esi
006413E3 pop ebx ：三個出堆疊操作
006413E4 mov esp,ebp ：堆疊空間銷毀
006413E6 pop ebp ：出堆疊，內容放進ebp
006413E7 ret ：來到call指令的下一條指令（之前將call指令的下一條指令地址壓堆疊就是為了函式呼叫結束后能回傳）

上述代碼執行完之后的記憶體布局變為：

緊接著回到call指令的下一條指令依次執行，本代碼中下一條指令為：

add esp,8 ：銷毀形參

mov dword ptr [c],eax：將eax中存放的z的值，放入變數c中

執行之后記憶體布局為：

接下來就是main()執行結束后，堆疊空間的銷毀，跟前面add函式堆疊空間銷毀的步驟一樣，就不再贅述啦，