編譯器的任務，是要生成能夠在計算機上運行的代碼，但要生成代碼，我們必須對程序的運行環(huán)境和運行機制有比較透徹的了解。

你要知道，大型的、復雜一點兒的系統(tǒng)，比如像淘寶一樣的電商系統(tǒng)、搜索引擎系統(tǒng)等等，都存在一些技術任務，是需要你深入了解底層機制才能解決的。比如淘寶的基礎技術團隊就曾經(jīng)貢獻過，JAVA 虛擬機即時編譯功能中的一個補丁。

這反映出掌握底層技術能力的重要性，所以，如果你想進階成為這個層次的工程師，不能只學學上層的語法，而是要把計算機語言從上層的語法到底層的運行機制都了解透徹。

文本我會對計算機程序如何運行，做一個解密，話題分成兩個部分：

1. 了解程序運行的環(huán)境，包括 CPU、內(nèi)存和操作系統(tǒng)，探知它們跟程序到底有什么關系。
2. 了解程序運行的過程。比如，一個程序是怎么跑起來的，代碼是怎樣執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)的，又是如何管理內(nèi)存的。

首先，我們先來了解一下程序運行的環(huán)境。

程序運行的環(huán)境

程序運行的過程中，主要是跟兩個硬件（CPU 和內(nèi)存）以及一個軟件（操作系統(tǒng)）打交道。

本質(zhì)上，我們的程序只關心 CPU 和內(nèi)存這兩個硬件。你可能說：“不對啊，計算機還有其他硬件，比如顯示器和硬盤啊。”但對我們的程序來說，操作這些硬件，也只是執(zhí)行某些特定的驅(qū)動代碼，跟執(zhí)行其他代碼并沒有什么差異。

1. 關注CPU和內(nèi)存

CPU 的內(nèi)部有很多組成部分，對于本文來說，我們重點關注的是寄存器以及高速緩存，它們跟程序的執(zhí)行機制和優(yōu)化密切相關。

寄存器是 CPU 指令在進行計算的時候，臨時數(shù)據(jù)存儲的地方。CPU 指令一般都會用到寄存器，比如，典型的一個加法計算（c=a+b）的過程是這樣的：

指令 1（mov）：從內(nèi)取 a 的值放到寄存器中；指令 2（add）：再把內(nèi)存中 b 的值取出來與這個寄存器中的值相加，仍然保存在寄存器中；指令 3（mov）：最后再把寄存器中的數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存中 c 的地址。

寄存器的速度也很快，所以能用寄存器就別用內(nèi)存。盡量充分利用寄存器，是編譯器做優(yōu)化的內(nèi)容之一。

而高速緩存可以彌補 CPU 的處理速度和內(nèi)存訪問速度之間的差距。所以，我們的指令在內(nèi)存讀一個數(shù)據(jù)的時候，它不是老老實實地只讀進當前指令所需要的數(shù)據(jù)，而是把跟這個數(shù)據(jù)相鄰的一組數(shù)據(jù)都讀進高速緩存了。這就相當于外賣小哥送餐的時候，不會為每一單來回跑一趟，而是一次取一批，如果這一批外賣恰好都是同一個寫字樓里的，那小哥的送餐效率就會很高。

內(nèi)存和高速緩存的速度差異差不多是兩個數(shù)量級，也就是一百倍。比如，高速緩存的讀取時間可能是 0.5ns，而內(nèi)存的訪問時間可能是 50ns。不同硬件的參數(shù)可能有差異，但總體來說是幾十倍到上百倍的差異。

你寫程序時，盡量把某個操作所需的數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中的連續(xù)區(qū)域中，不要零零散散地到處放，這樣有利于充分利用高速緩存。這種優(yōu)化思路，叫做數(shù)據(jù)的局部性。

這里提一句，在寫系統(tǒng)級的程序時，你要對各種 IO 的時間有基本的概念，比如高速緩存、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡的 IO 大致都是什么數(shù)量級的。因為這都影響到系統(tǒng)的整體性能，也影響到你如何做程序優(yōu)化。如果你需要對程序做更多的優(yōu)化，還需要了解更多的 CPU 運行機制，包括流水線機制、并行機制等等，這里就不展開了。

講完 CPU 之后，還有內(nèi)存這個硬件。

程序在運行時，操作系統(tǒng)會給它分配一塊虛擬的內(nèi)存空間，讓它在運行期可以使用。我們目前使用的都是 64 位的機器，你可以用一個 64 位的長整型來表示內(nèi)存地址，它能夠表示的所有地址，我們叫做尋址空間。

64 位機器的尋址空間就有 2 的 64 次方那么大，也就是有很多很多個 T（Terabyte），大到你的程序根本用不完。不過，操作系統(tǒng)一般會給予一定的限制，不會給你這么大的尋址空間，比如給到 100 來個 G，這對一般的程序，也足夠用了。

在存在操作系統(tǒng)的情況下，程序邏輯上可使用的內(nèi)存一般大于實際的物理內(nèi)存。程序在使用內(nèi)存的時候，操作系統(tǒng)會把程序使用的邏輯地址映射到真實的物理內(nèi)存地址。有的物理內(nèi)存區(qū)域會映射進多個進程的地址空間。

對于不太常用的內(nèi)存數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)會寫到磁盤上，以便騰出更多可用的物理內(nèi)存。

當然，也存在沒有操作系統(tǒng)的情況，這個時候你的程序所使用的內(nèi)存就是物理內(nèi)存，我們必須自己做好內(nèi)存的管理。

對于這個內(nèi)存，該怎么用呢？

本質(zhì)上來說，你想怎么用就怎么用，并沒有什么特別的限制。一個編譯器的作者，可以決定在哪兒放代碼，在哪兒放數(shù)據(jù)，當然了，別的作者也可能采用其他的策略。實際上，C 語言和 Java 虛擬機對內(nèi)存的管理和使用策略就是不同的。

盡管如此，大多數(shù)語言還是會采用一些通用的內(nèi)存管理模式。以 C 語言為例，會把內(nèi)存劃分為代碼區(qū)、靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)、棧和堆。

一般來講，代碼區(qū)是在最低的地址區(qū)域，然后是靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，然后是堆。而棧傳統(tǒng)上是從高地址向低地址延伸，棧的最頂部有一塊區(qū)域，用來保存環(huán)境變量。

代碼區(qū)（也叫文本段）存放編譯完成以后的機器碼。這個內(nèi)存區(qū)域是只讀的，不會再修改，但也不絕對。現(xiàn)代語言的運行時已經(jīng)越來越動態(tài)化，除了保存機器碼，還可以存放中間代碼，并且還可以在運行時把中間代碼編譯成機器碼，寫入代碼區(qū)。

靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)保存程序中全局的變量和常量。它的地址在編譯期就是確定的，在生成的代碼里直接使用這個地址就可以訪問它們，它們的生存期是從程序啟動一直到程序結(jié)束。它又可以細分為 Data 和 BSS 兩個段。Data 段中的變量是在編譯期就初始化好的，直接從程序裝在進內(nèi)存。BSS 段中是那些沒有聲明初始化值的變量，都會被初始化成 0。

堆適合管理生存期較長的一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在退出作用域以后也不會消失。比如，我們在某個方法里創(chuàng)建了一個對象并返回，并希望代表這個對象的數(shù)據(jù)在退出函數(shù)后仍然可以訪問。

而棧適合保存生存期比較短的數(shù)據(jù)，比如函數(shù)和方法里的本地變量。它們在進入某個作用域的時候申請內(nèi)存，退出這個作用域的時候就可以釋放掉。

講完了 CPU 和內(nèi)存之后，我們再來看看跟程序打交道的操作系統(tǒng)。

2. 程序和操作系統(tǒng)的關系

程序跟操作系統(tǒng)的關系比較微妙：

一方面我們的程序可以編譯成不需要操作系統(tǒng)也能運行，就像一些物聯(lián)網(wǎng)應用那樣，完全跑在裸設備上。另一方面，有了操作系統(tǒng)的幫助，可以為程序提供便利，比如可以使用超過物理內(nèi)存的存儲空間，操作系統(tǒng)負責進行虛擬內(nèi)存的管理。

在存在操作系統(tǒng)的情況下，因為很多進程共享計算機資源，所以就要遵循一些約定。這就仿佛辦公室是所有同事共享的，那么大家就都要遵守一些約定，如果一個人大聲喧嘩，就會影響到其他人。

程序需要遵守的約定包括：程序文件的二進制格式約定，這樣操作系統(tǒng)才能程序正確地加載進來，并為同一個程序的多個進程共享代碼區(qū)。在使用寄存器和棧的時候也要遵守一些約定，便于操作系統(tǒng)在不同的進程之間切換的時候、在做系統(tǒng)調(diào)用的時候，做好上下文的保護。

所以，我們編譯程序的時候，要知道需要遵守哪些約定。因為就算是使用同樣的 CPU，針對不同的操作系統(tǒng)，編譯的結(jié)果也是非常不同的。

好了，我們了解了程序運行時的硬件和操作系統(tǒng)環(huán)境。接下來，我們看看程序運行時，是怎么跟它們互動的。

程序運行的過程

你天天運行程序，可對于程序運行的細節(jié)，真的清楚嗎？

1. 程序運行的細節(jié)

首先，可運行的程序一般是由操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存的，并且定位到代碼區(qū)里程序的入口開始執(zhí)行。比如，C 語言的 main 函數(shù)的第一行代碼。

每次加載一條代碼，程序都會順序執(zhí)行，碰到跳轉(zhuǎn)語句，才會跳到另一個地址執(zhí)行。CPU里有一個指令寄存器，里面保存了下一條指令的地址。

假設我們運行這樣一段代碼編譯后形成的程序：

int main(){
    int a = 1;
    foo(3);
    bar();
}
int foo(int c){
    int b = 2;
    return b+c;
}
int bar(){
    return foo(4) + 1;
}

我們首先激活（Activate）main() 函數(shù)，main() 函數(shù)又激活 foo() 函數(shù)，然后又激活 bar()函數(shù)，bar() 函數(shù)還會激活 foo() 函數(shù)，其中 foo() 函數(shù)被兩次以不同的路徑激活。

我們把每次調(diào)用一個函數(shù)的過程，叫做一次活動（Activation）。每個活動都對應一個活動記錄（Activation Record），這個活動記錄里有這個函數(shù)運行所需要的信息，比如參數(shù)、返回值、本地變量等。

目前我們用棧來管理內(nèi)存，所以可以把活動記錄等價于棧楨。棧楨是活動記錄的實現(xiàn)方式，我們可以自由設計活動記錄或棧楨的結(jié)構，下圖是一個常見的設計：

• 返回值：一般放在最頂上，這樣它的地址是固定的。foo() 函數(shù)返回以后，它的調(diào)用者可以到這里來取到返回值。在實際情況中，我們會優(yōu)先通過寄存器來傳遞返回值，比通過內(nèi)存?zhèn)鬟f性能更高。
• 參數(shù)：在調(diào)用 foo 函數(shù)時，把參數(shù)寫到這個地址里。同樣，我們也可以通過寄存器來傳遞，而不是內(nèi)存。
• 控制鏈接：就是上一級棧楨的地址。如果用到了上一級作用域中的變量，就可以順著這個鏈接找到上一級棧楨，并找到變量的值。
• 返回地址：foo 函數(shù)執(zhí)行完畢以后，繼續(xù)執(zhí)行哪條指令。同樣，我們可以用寄存器來保存這個信息。
• 本地變量：foo 函數(shù)的本地變量 b 的存儲空間。
• 寄存器信息：我們還經(jīng)常在棧楨里保存寄存器的數(shù)據(jù)。如果在 foo 函數(shù)里要使用某個寄存器，可能需要先把它的值保存下來，防止破壞了別的代碼保存在這里的數(shù)據(jù)。這種約定叫做被調(diào)用者責任，也就是使用寄存器的人要保護好寄存器里原有的信息。某個函數(shù)如果使用了某個寄存器，但它又要調(diào)用別的函數(shù)，為了防止別的函數(shù)把自己放在寄存器中的數(shù)據(jù)覆蓋掉，要自己保存在棧楨中。這種約定叫做調(diào)用者責任。

你可以看到，每個棧楨的長度是不一樣的。

用到的參數(shù)和本地變量多，棧楨就要長一點。但是，棧楨的長度和結(jié)構是在編譯期就能完全確定的。這樣就便于我們計算地址的偏移量，獲取棧楨里某個數(shù)據(jù)。

總的來說，棧楨的設計很自由。但是，你要考慮不同語言編譯形成的模塊要能夠鏈接在一起，所以還是要遵守一些公共的約定的，否則，你寫的函數(shù)，別人就沒辦法調(diào)用了。

在之前的文章中我提到過棧楨，這次我們用了更加貼近具體實現(xiàn)的描述：棧楨就是一塊確定的內(nèi)存，變量就是這塊內(nèi)存里的地址。在下一講，我會帶你動手實現(xiàn)我們的棧楨。

2.從全局角度看整個運行過程

了解了棧楨的實現(xiàn)之后，我們再來看一個更大的場景，從全局的角度看看整個運行過程中都發(fā)生了什么。

代碼區(qū)里存儲了一些代碼，main 函數(shù)、bar 函數(shù)和 foo 函數(shù)各自有一段連續(xù)的區(qū)域來存儲代碼，我用了一些匯編指令來表示這些代碼（實際運行時這里其實是機器碼）。

假設我們執(zhí)行到 foo 函數(shù)中的一段指令，來計算“b+c”的值，并返回。這里用到了mov、add、jmp 這三個指令。mov 是把某個值從一個地方拷貝到另一個地方，add 是往

某個地方加一個值，jmp 是改變代碼執(zhí)行的順序，跳轉(zhuǎn)到另一個地方去執(zhí)行（匯編命令的細節(jié)，我們下節(jié)再講，你現(xiàn)在簡單了解一下就行了）。

mov b的地址寄存器1
add c的地址寄存器1
mov寄存器1 foo的返回值地址
jmp返回地址//或ret指令

執(zhí)行完這幾個指令以后，foo 的返回值位置就寫入了 6，并跳轉(zhuǎn)到 bar 函數(shù)中執(zhí)行 foo 之后的代碼。

這時，foo 的棧楨就沒用了，新的棧頂是 bar 的棧楨的頂部。理論上講，操作系統(tǒng)這時可以把 foo 的棧楨所占的內(nèi)存收回了。比如，可以映射到另一個程序的尋址空間，讓另一個程序使用。但是在這個例子中你會看到，即使返回了 bar 函數(shù)，我們?nèi)砸L問棧頂之外的一個內(nèi)存地址，也就是返回值的地址。

所以，目前的調(diào)用約定都規(guī)定，程序的棧頂之外，仍然會有一小塊內(nèi)存（比如 128K）是可以由程序訪問的，比如我們可以拿來存儲返回值。這一小段內(nèi)存操作系統(tǒng)并不會回收。

我們目前只講了棧，堆的使用也類似，只不過是要手工進行申請和釋放，比棧要多一些維護工作。

總結(jié)

本文帶你了解了程序運行的環(huán)境和過程，我們的程序主要跟 CPU、內(nèi)存，以及操作系統(tǒng)打交道。你需要了解的重點如下：

• CPU 上運行程序的指令，運行過程中要用到寄存器、高速緩存來提高指令和數(shù)據(jù)的存取效率。
• 內(nèi)存可以劃分成不同的區(qū)域保存代碼、靜態(tài)數(shù)據(jù)，并用棧和堆來存放運行時產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)。
• 操作系統(tǒng)會把物理的內(nèi)存映射成進程的尋址空間，同一份代碼會被映射進多個進程的內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)的公共庫也會被映射進進程的內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)還會自動維護棧。
• 程序在運行時順序執(zhí)行代碼，可以根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令來跳轉(zhuǎn)；棧被劃分成棧楨，棧楨的設計有一定的自由度，但通常也要遵守一些約定；棧楨的大小和結(jié)構在編譯時就能決定；在運行時，棧楨作為活動記錄，不停地被動態(tài)創(chuàng)建和釋放。

以上這些內(nèi)容就是一個程序運行時的秘密。你再面對代碼時，腦海里就會想象出它是怎樣跟CPU、內(nèi)存和操作系統(tǒng)打交道的了。而且有了這些背景知識，你也可以讓編譯器生成代碼，按照本文所說的模式運行了！