簡單！代碼原來是這樣被CPU跑起來的

CPU對我們來說既熟悉又陌生，熟悉的是我們知道代碼是被CPU執行的，當我們的線上服務出現問題時可能首先會查看CPU負載情況，陌生的是我們并不知道CPU是如何執行代碼的，它對我們的代碼做了什么，本文意在簡單解釋我們代碼的生命周期，以及代碼是如何在CPU上跑起來的，

編譯-讓計算機認識我

一個漂亮 control+c 加上一個漂亮的 control+v，啪～，我們愉快的寫下了代碼，當代碼被保存后，它就被存在我們磁盤的某個地方，它可能是像java或者python這些高級語言寫的，也可能是像c這種古老語言寫的，但是現在它肯定沒法被運行，因為計算機不認識它們，計算機只認識0、1這樣的二進制，簡稱機器碼，那為什么我們不直接寫機器碼？如果你有這樣的思考，我只能呵呵了，請你幫我翻譯下以下機器碼：

001010100101001001001
100100101000101010101

很明顯作為高質量人類的我們也無法識別出這段代碼寫的是什么，于是出現類似java這樣的高級語言，它們給機器碼穿上了一層外衣，然后交給偉大的程式員來創造未來，

所以反過來我們的代碼需要被替換成機器碼，這樣才能被計算機認識，計算機才能幫我們干事，這個轉換的程序我們通常叫編譯，

#include <studio.h>
int main() 
{
   printf("Hello World\n");
   return 0;
}

這是一段應該每個程式員都寫過的代碼（hello.c），在Linux下，當我們使用GCC來編譯Hello World程式時，只需要最簡單的命令：

gcc hello.c
./hello
# Hello World

看似很簡單的一行，但是其實編譯的程序很復雜，并不是我們想象中的編譯，真實是分為4個步驟，分別是預處理(Prepressing)、編譯(Compliation)、匯編(Assertmbly)和鏈接(Linking)，

1. 預編譯：這個程序主要是處理源代碼中以“#”開始的預編譯指令，比如“#include”、“define”等，

2. 編譯：這個程序就是把預處理完的檔案進行詞法分析、語法分析、語意分析及優化后生產成相應的匯編代碼，這個程序是最復雜的，

3. 匯編：這個程序就是將匯編代碼轉換成機器碼，也就是上圖的目標檔案hello.o

4. 鏈接：我們的代碼程式經常是由多個代碼檔案組成的，當每個檔案都被匯編成“.o”檔案時，需要一套機制將它們組裝在一起，這個程序就叫做鏈接，

好吧，原來編譯是這么回事，通過這一整套的編譯操作，我們代碼終于能執行了，我們簡簡單單的運行./hello.out即可輸出Hello World，等等，這個簡簡單單的程序發生了什么？

連接-中轉站和高速公路

ok，ok，通過編譯，我們的程式終于能執行了，接下來讓我們站在CPU的視角來看看Hello World是如何被列印出來的，

首先編譯好的檔案是存在磁盤上的，得先加載到記憶體中，這里你可能會問：為什么CPU不能直接讀取磁盤的程式運行而要經過記憶體？答案是慢，緩慢的磁盤會影響我們程式執行的速度，因此需要更加快速、離CPU更近的存盤，那就是記憶體，

記憶體是一大塊存盤空間，可以存盤很多資料資訊，那么如何找到我們要寫的程式呢？答案是地址，其實每個位元組在記憶體中都有一個地址，這樣當CPU去記憶體中讀我們的程式時，只需要根據對應的地址就可以知道我們程式的具體內容，

等等...，這里似乎又有個問題，CPU是如何與我們的記憶體、磁盤通信的？應該有個媒介之類的吧，沒錯，這個媒介就是主板上的總線和芯片組，總線好理解，就像高速公路，資料資訊可以通過這條高速公路傳遞到CPU中，這個芯片組是個什么玩意？電腦主板上芯片很多，這里說的主要是南橋芯片和北橋芯片，先來個解釋：

1. 北橋芯片：北橋負責高速設備和CPU之間的溝通，主要就是CPU和記憶體、顯卡之間的通信，但是隨著技術的迭代，主板上的北橋芯片已經被內置到了CPU里了，

2. 南橋芯片：南橋負責低速設備和北橋之間的通信，主要負責I/O總線之間的通信，如USB、LAN、ATA、SATA、音頻控制器、鍵盤控制器、實時時鐘控制器、高級電源管理等，

嗯... 為什么CPU與高速設備、低速設備之間的通信需要這兩個芯片？CPU自己不能干嗎？這里還是類似拆分任務的功能，如果把所有的任務都交給CPU來處理，CPU會太忙了，還有比較重要的一點，如果南橋芯片壞了，那么我們可以直接更換南橋，而不用換掉整個CPU，

終于CPU通過總線和芯片打通了磁盤、記憶體之間的通信了，接下來的一切開始交給CPU，

CPU-最強大腦

CPU全稱是Central Processing Unit，即中央處理單元，它的本質就是一塊超大規模的集成電路，從邏輯上來分，它的內部是由暫存器、控制器、運算器和時鐘組成的，下面來解釋下各個組成是干什么的，

• 暫存器：CPU內部其實有很多型別的暫存器，我們只需了解暫存器就是暫存資料、指令等資訊的，它的本質是臨時存盤，由于是直接集成在CPU內部，所以讀寫它們的速度很快，一般一個CPU內部會有20-100個暫存器，這里給大家列舉下常用暫存器與其功能，

  1. 累加暫存器：存盤執行運算的資料和運算后的資料

  2. 標志暫存器：存盤運算處理后的CPU的狀態

  3. 程式計數器：存盤下一條指令所在記憶體的地址

  4. 基址暫存器：存盤資料記憶體的起始地址

  5. 變址暫存器：存盤基址暫存器的相對地址

  6. 通用暫存器：存盤任意資料

  7. 指令暫存器：存盤指令，CPU內部使用，程式員無法通程序式對該暫存器進行讀寫操作

  8. 堆疊暫存器：存盤堆疊區域的起始地址

• 控制器：控制器負責把資料讀出或者寫入暫存器，并根據指令的結果來控制計算機，

• 運算器：從名字就可以猜出來，運算器的主要作業就是運算，運算從記憶體讀入暫存器的值

• 時鐘：它并不是我們見的鐘表概念，它代表了你的CPU的作業頻率，頻率越高說明你的CPU處理的速度越快，但是越快就會帶來另一個問題：散熱，

綜上所述，CPU的大致作業流程如下：在時鐘信號到來的時候，就開始作業，通過控制器把記憶體的資料讀到各個暫存器中，然后如果有計算相關的邏輯，就交給運算器，發現沒有，CPU的作業其實挺簡單的，本質就是不停的讀指令、執行指令，但是CPU是如何讀到我們的代碼指令的，以及我們的代碼里面的if else、函式呼叫都是如何執行分支判斷、函式跳轉的，我們來看個例子：

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
}

這是段非常簡單的偽代碼，有分支判斷、有函式跳轉，我們來從CPU的角度看看它是如何執行的：

1. 首先每段程式都有個開始的地址0x0010，也就是CPU讀取程式的入口

2. 把a=1這個數字讀入通用暫存器中，程式計數器（PC暫存器）自動加1，即指向下一條指令 0x0011

3. 指令暫存器拿到程式計數器的指令地址，把b=2這個數字讀入通用暫存器中，程式計數器（PC暫存器）自動加1，即指向下一條指令0x0012

4. 指令暫存器發現此處是比較邏輯，會執行a-b，此時可能會有三個結果分別是大于0，等于0，小于0，然后把這個結果存到標志暫存器里，這里有個小知識，我們經常說的是CPU是64位或者32位，其實也表示了標志暫存器的長度

1. 很明顯，a是小于b的，CPU根據標志暫存器的狀態值應該跳轉到else里面，注意這時程式計數器的值不是加1，而是設定成else的地址 0x0014，當執行到0x0015的時候，需要發生函式跳轉，程式計數器會被設定成 0x0020，但是這里并不是簡單的函式跳轉（專業術語叫做call），因為在函式執行完畢之后，還要回傳，也就是程式計數器需要從0x0020再變成0x0017，call執行的時候會把后續要執行的指令地址0x0017存到堆疊中，

2. 當我們的add函式執行完畢之后，會有個return，return的時候會把上一步驟存入堆疊中的地址0x0017寫入程式計數器中

3. 指令暫存器根據程式計數器當前的地址執行最后的列印（end），結束，

順序執行的指令代碼，程式計數器會自動累加（當然不一定累加的是1），然后找到下一條要執行的指令，

分支判斷的時候，程式計數器不是簡單的累加地址，需要地址的跳轉，

函式呼叫不僅僅需要跳轉地址，還要把函式執行完畢之后要執行的地址存下來，方便折回繼續執行，

其實還有個回圈執行，也就是我們代碼中的for、while之類的，這時程式計數器會不停的在某些地址之間來回切換，

最后，微信搜【假裝懂編程】，與作者零距離交流，一起學習，一起牛逼，