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细说:程序运行的环境和运行过程,再看不懂请自行面壁

2020-07-15    
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编译器的任务,是要生成能够在计算机上运行的代码,但要生成代码,我们必须对程序的运行环境和运行机制有比较透彻的了解。

你要知道,大型的、复杂一点儿的系统,比如像淘宝一样的电商系统、搜索引擎系统等等,都存在一些技术任务,是需要你深入了解底层机制才能解决的。比如淘宝的基础技术团队就曾经贡献过,JAVA 虚拟机即时编译功能中的一个补丁。

这反映出掌握底层技术能力的重要性,所以,如果你想进阶成为这个层次的工程师,不能只学学上层的语法,而是要把计算机语言从上层的语法到底层的运行机制都了解透彻。

文本我会对计算机程序如何运行,做一个解密,话题分成两个部分:

  1. 了解程序运行的环境,包括 CPU、内存和操作系统,探知它们跟程序到底有什么关系。
  2. 了解程序运行的过程。比如,一个程序是怎么跑起来的,代码是怎样执行和跳转的,又是如何管理内存的。

首先,我们先来了解一下程序运行的环境。

程序运行的环境

程序运行的过程中,主要是跟两个硬件(CPU 和内存)以及一个软件(操作系统)打交道。

细说:程序运行的环境和运行过程,再看不懂请自行面壁

 

本质上,我们的程序只关心 CPU 和内存这两个硬件。你可能说:“不对啊,计算机还有其他硬件,比如显示器和硬盘啊。”但对我们的程序来说,操作这些硬件,也只是执行某些特定的驱动代码,跟执行其他代码并没有什么差异。

1. 关注CPU和内存

CPU 的内部有很多组成部分,对于本文来说,我们重点关注的是寄存器以及高速缓存,它们跟程序的执行机制和优化密切相关。

寄存器是 CPU 指令在进行计算的时候,临时数据存储的地方。CPU 指令一般都会用到寄存器,比如,典型的一个加法计算(c=a+b)的过程是这样的:

指令 1(mov):从内取 a 的值放到寄存器中;指令 2(add):再把内存中 b 的值取出来与这个寄存器中的值相加,仍然保存在寄存器中;指令 3(mov):最后再把寄存器中的数据写回内存中 c 的地址。

寄存器的速度也很快,所以能用寄存器就别用内存。尽量充分利用寄存器,是编译器做优化的内容之一。

而高速缓存可以弥补 CPU 的处理速度和内存访问速度之间的差距。所以,我们的指令在内存读一个数据的时候,它不是老老实实地只读进当前指令所需要的数据,而是把跟这个数据相邻的一组数据都读进高速缓存了。这就相当于外卖小哥送餐的时候,不会为每一单来回跑一趟,而是一次取一批,如果这一批外卖恰好都是同一个写字楼里的,那小哥的送餐效率就会很高。

内存和高速缓存的速度差异差不多是两个数量级,也就是一百倍。比如,高速缓存的读取时间可能是 0.5ns,而内存的访问时间可能是 50ns。不同硬件的参数可能有差异,但总体来说是几十倍到上百倍的差异。

你写程序时,尽量把某个操作所需的数据都放在内存中的连续区域中,不要零零散散地到处放,这样有利于充分利用高速缓存。这种优化思路,叫做数据的局部性

这里提一句,在写系统级的程序时,你要对各种 IO 的时间有基本的概念,比如高速缓存、内存、磁盘、网络的 IO 大致都是什么数量级的。因为这都影响到系统的整体性能,也影响到你如何做程序优化。如果你需要对程序做更多的优化,还需要了解更多的 CPU 运行机制,包括流水线机制、并行机制等等,这里就不展开了。

讲完 CPU 之后,还有内存这个硬件。

程序在运行时,操作系统会给它分配一块虚拟的内存空间,让它在运行期可以使用。我们目前使用的都是 64 位的机器,你可以用一个 64 位的长整型来表示内存地址,它能够表示的所有地址,我们叫做寻址空间。

64 位机器的寻址空间就有 2 的 64 次方那么大,也就是有很多很多个 T(Terabyte),大到你的程序根本用不完。不过,操作系统一般会给予一定的限制,不会给你这么大的寻址空间,比如给到 100 来个 G,这对一般的程序,也足够用了。

在存在操作系统的情况下,程序逻辑上可使用的内存一般大于实际的物理内存。程序在使用内存的时候,操作系统会把程序使用的逻辑地址映射到真实的物理内存地址。有的物理内存区域会映射进多个进程的地址空间。

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对于不太常用的内存数据,操作系统会写到磁盘上,以便腾出更多可用的物理内存。

当然,也存在没有操作系统的情况,这个时候你的程序所使用的内存就是物理内存,我们必须自己做好内存的管理。

对于这个内存,该怎么用呢

本质上来说,你想怎么用就怎么用,并没有什么特别的限制。一个编译器的作者,可以决定在哪儿放代码,在哪儿放数据,当然了,别的作者也可能采用其他的策略。实际上,C 语言和 Java 虚拟机对内存的管理和使用策略就是不同的。

尽管如此,大多数语言还是会采用一些通用的内存管理模式。以 C 语言为例,会把内存划分为代码区、静态数据区、栈和堆。

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一般来讲,代码区是在最低的地址区域,然后是静态数据区,然后是堆。而栈传统上是从高地址向低地址延伸,栈的最顶部有一块区域,用来保存环境变量。

代码区(也叫文本段)存放编译完成以后的机器码。这个内存区域是只读的,不会再修改,但也不绝对。现代语言的运行时已经越来越动态化,除了保存机器码,还可以存放中间代码,并且还可以在运行时把中间代码编译成机器码,写入代码区。

静态数据区保存程序中全局的变量和常量。它的地址在编译期就是确定的,在生成的代码里直接使用这个地址就可以访问它们,它们的生存期是从程序启动一直到程序结束。它又可以细分为 Data 和 BSS 两个段。Data 段中的变量是在编译期就初始化好的,直接从程序装在进内存。BSS 段中是那些没有声明初始化值的变量,都会被初始化成 0。

适合管理生存期较长的一些数据,这些数据在退出作用域以后也不会消失。比如,我们在某个方法里创建了一个对象并返回,并希望代表这个对象的数据在退出函数后仍然可以访问。

而栈适合保存生存期比较短的数据,比如函数和方法里的本地变量。它们在进入某个作用域的时候申请内存,退出这个作用域的时候就可以释放掉。

讲完了 CPU 和内存之后,我们再来看看跟程序打交道的操作系统。

2. 程序和操作系统的关系

程序跟操作系统的关系比较微妙:

一方面我们的程序可以编译成不需要操作系统也能运行,就像一些物联网应用那样,完全跑在裸设备上。另一方面,有了操作系统的帮助,可以为程序提供便利,比如可以使用超过物理内存的存储空间,操作系统负责进行虚拟内存的管理。

在存在操作系统的情况下,因为很多进程共享计算机资源,所以就要遵循一些约定。这就仿佛办公室是所有同事共享的,那么大家就都要遵守一些约定,如果一个人大声喧哗,就会影响到其他人。

程序需要遵守的约定包括:程序文件的二进制格式约定,这样操作系统才能程序正确地加载进来,并为同一个程序的多个进程共享代码区。在使用寄存器和栈的时候也要遵守一些约定,便于操作系统在不同的进程之间切换的时候、在做系统调用的时候,做好上下文的保护。

所以,我们编译程序的时候,要知道需要遵守哪些约定。因为就算是使用同样的 CPU,针对不同的操作系统,编译的结果也是非常不同的。

好了,我们了解了程序运行时的硬件和操作系统环境。接下来,我们看看程序运行时,是怎么跟它们互动的。

程序运行的过程

你天天运行程序,可对于程序运行的细节,真的清楚吗?

1. 程序运行的细节

首先,可运行的程序一般是由操作系统加载到内存的,并且定位到代码区里程序的入口开始执行。比如,C 语言的 main 函数的第一行代码。

每次加载一条代码,程序都会顺序执行,碰到跳转语句,才会跳到另一个地址执行。CPU里有一个指令寄存器,里面保存了下一条指令的地址。

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假设我们运行这样一段代码编译后形成的程序:

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

我们首先激活(Activate)main() 函数,main() 函数又激活 foo() 函数,然后又激活 bar()函数,bar() 函数还会激活 foo() 函数,其中 foo() 函数被两次以不同的路径激活。

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我们把每次调用一个函数的过程,叫做一次活动(Activation)。每个活动都对应一个活动记录(Activation Record),这个活动记录里有这个函数运行所需要的信息,比如参数、返回值、本地变量等。

目前我们用栈来管理内存,所以可以把活动记录等价于栈桢。栈桢是活动记录的实现方式,我们可以自由设计活动记录或栈桢的结构,下图是一个常见的设计:

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  • 返回值:一般放在最顶上,这样它的地址是固定的。foo() 函数返回以后,它的调用者可以到这里来取到返回值。在实际情况中,我们会优先通过寄存器来传递返回值,比通过内存传递性能更高。
  • 参数:在调用 foo 函数时,把参数写到这个地址里。同样,我们也可以通过寄存器来传递,而不是内存。
  • 控制链接:就是上一级栈桢的地址。如果用到了上一级作用域中的变量,就可以顺着这个链接找到上一级栈桢,并找到变量的值。
  • 返回地址:foo 函数执行完毕以后,继续执行哪条指令。同样,我们可以用寄存器来保存这个信息。
  • 本地变量:foo 函数的本地变量 b 的存储空间。
  • 寄存器信息:我们还经常在栈桢里保存寄存器的数据。如果在 foo 函数里要使用某个寄存器,可能需要先把它的值保存下来,防止破坏了别的代码保存在这里的数据。这种约定叫做被调用者责任,也就是使用寄存器的人要保护好寄存器里原有的信息。某个函数如果使用了某个寄存器,但它又要调用别的函数,为了防止别的函数把自己放在寄存器中的数据覆盖掉,要自己保存在栈桢中。这种约定叫做调用者责任
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你可以看到,每个栈桢的长度是不一样的。

用到的参数和本地变量多,栈桢就要长一点。但是,栈桢的长度和结构是在编译期就能完全确定的。这样就便于我们计算地址的偏移量,获取栈桢里某个数据。

总的来说,栈桢的设计很自由。但是,你要考虑不同语言编译形成的模块要能够链接在一起,所以还是要遵守一些公共的约定的,否则,你写的函数,别人就没办法调用了。

在之前的文章中我提到过栈桢,这次我们用了更加贴近具体实现的描述:栈桢就是一块确定的内存,变量就是这块内存里的地址。在下一讲,我会带你动手实现我们的栈桢。

2.从全局角度看整个运行过程

了解了栈桢的实现之后,我们再来看一个更大的场景,从全局的角度看看整个运行过程中都发生了什么。

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代码区里存储了一些代码,main 函数、bar 函数和 foo 函数各自有一段连续的区域来存储代码,我用了一些汇编指令来表示这些代码(实际运行时这里其实是机器码)。

假设我们执行到 foo 函数中的一段指令,来计算“b+c”的值,并返回。这里用到了mov、add、jmp 这三个指令。mov 是把某个值从一个地方拷贝到另一个地方,add 是往

某个地方加一个值,jmp 是改变代码执行的顺序,跳转到另一个地方去执行(汇编命令的细节,我们下节再讲,你现在简单了解一下就行了)。

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

执行完这几个指令以后,foo 的返回值位置就写入了 6,并跳转到 bar 函数中执行 foo 之后的代码。

这时,foo 的栈桢就没用了,新的栈顶是 bar 的栈桢的顶部。理论上讲,操作系统这时可以把 foo 的栈桢所占的内存收回了。比如,可以映射到另一个程序的寻址空间,让另一个程序使用。但是在这个例子中你会看到,即使返回了 bar 函数,我们仍要访问栈顶之外的一个内存地址,也就是返回值的地址。

所以,目前的调用约定都规定,程序的栈顶之外,仍然会有一小块内存(比如 128K)是可以由程序访问的,比如我们可以拿来存储返回值。这一小段内存操作系统并不会回收。

我们目前只讲了栈,堆的使用也类似,只不过是要手工进行申请和释放,比栈要多一些维护工作。

总结

本文带你了解了程序运行的环境和过程,我们的程序主要跟 CPU、内存,以及操作系统打交道。你需要了解的重点如下:

  • CPU 上运行程序的指令,运行过程中要用到寄存器、高速缓存来提高指令和数据的存取效率。
  • 内存可以划分成不同的区域保存代码、静态数据,并用栈和堆来存放运行时产生的动态数据。
  • 操作系统会把物理的内存映射成进程的寻址空间,同一份代码会被映射进多个进程的内存空间,操作系统的公共库也会被映射进进程的内存空间,操作系统还会自动维护栈。
  • 程序在运行时顺序执行代码,可以根据跳转指令来跳转;栈被划分成栈桢,栈桢的设计有一定的自由度,但通常也要遵守一些约定;栈桢的大小和结构在编译时就能决定;在运行时,栈桢作为活动记录,不停地被动态创建和释放。

以上这些内容就是一个程序运行时的秘密。你再面对代码时,脑海里就会想象出它是怎样跟CPU、内存和操作系统打交道的了。而且有了这些背景知识,你也可以让编译器生成代码,按照本文所说的模式运行了!

 

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