计算机系统->Hello World的一生

2021年11月27日准备发在基地微信公众号上的推文。

综合了多篇大佬的博客，以及自己已经知道的知识，对一些疑惑进行了现阶段我认为还算满意的解答。

不过又产生了很多疑问：

内存和磁盘的关系
CPU是如何运行机器指令的（虽然大概想过去会是数字逻辑上的电路的组合）
......

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我写的上一篇推文是：Vscode里的多文件编译，本来这一篇计划是多语言混编，可是还没玩太明白，就来补充讲一讲程序的运行过程，对上一篇也是一种补充。

当我们要让一个程序运行起来，如下面这段代码：

1 #include <stdio.h>

2 int main()

3 {

4     printf("Hello World\n");

5     return 0;

6 }

需要以下过程：

1. 预处理

 gcc -E hello.c -o hello.i

这一过程主要是处理源代码文件中：

以”#”开始的预编译指令

如”#include”、”#define”等

将include的文件插入进来，将所有define的宏定义展开。
删除注释
添加行号和文件名标识。

以便编译时编译器产生调试用的行号信息及用于编译时产生编译错误或警告时能够显示行号

2. 编译

 gcc -S hello.i -o hello.s

编译程序（Compiler）把预处理完的文件进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化后生产相应的汇编代码文件。

当然，预处理和编译可以合二为一，直接一步到位：

 1 gcc -S hello.c -o hello.s

这里提一下这个gcc，这只是后台编译程序（compiler）的控制台，会根据不同参数去调用不同的预处理、编译程序，来处理不同的语言。

3. 汇编

 1 gcc -c hello.c -o hello.o

.o文件就是“目标文件”(Object File)，将汇编语句转换为机器语言，机器语言是CPU可以执行的命令。

4. 链接

在上面的过程中，原本的一个文件会生成若干个目标模块，这些模块是割裂的。

由链接程序(Linker)将这些目标模块（程序段），以及它们所需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块(Load Module)；这是完整的执行命令的可执行文件exe（此时已经是二进制文件）。

链接分为静态链接和动态链接。不展开了。

DLL文件就是Dynamic Link Library文件.

5. 装入

可执行文件只有装载到内存以后才能被CPU执行。

装入过程就是由装入程序(Loader)将装入模块装入物理内存。物理内存就是真实存在的内存条。

物理内存是由若干个存储单元组成的，每个存储单元有一个编号，这种编号可唯一标识一个存储单元，称为内存地址（或物理地址）。

可以简单理解成类数组的一个结构。

这个过程进行了地址重定位，主要是将逻辑地址转换成物理内存的绝对地址（相当于拿考号找座位）。这个过程只有在程序将要被运行的时候才会发生。

6. 执行

执行不是一个严格的概念，只是我用来描述装入到输出“Hello World”这个过程的一个名词。

当计算机要运行该程序时，二进制文件中相关的指令会发送给CPU，经过CPU的操作，显示到了显示器上。

7. GCC

补充GCC的工具链

8 复习

程序从按下“编译”到装入内存需要哪些过程？
GCC工具链有哪些？