计算机原理（三）

1. 单道批处理系统

我们知道那个时候的CPU是非常宝贵的资源。所以必须充分利用，尽量使多个程序能连续的运行。所以一般都会把一批程序以脱机方式输入到磁带上。然后当一个程序执行完成之后，马上运行下一个程序。但是这个过程不是由人来调度的，所以我们需要一个监控程序来控制这些程序一个一个的执行。于是除了我们要运行的程序之外，在内存中还存在这样一个监控程序，我们可以把他看看做早期操作系统的雏形，也就是单道批处理系统。



上图是单道批处理系统的流程图，看起来很简单。这个小程序需要常驻内存，也就是在开始执行其他程序之前，需要把他加载到内存中。当然加载的方式和其他程序相同。然后CPU开始执行这个监控程序。然后这个程序就开始进行批处理操作。于是在内存中，同一时间需要存放两个程序。下图是此时的内存布局.


 


从此图我们可以发现，这个程序或许并不如我们想象的简单：

控制卡解释程序： 对于监控程序来说，他必须知道当前是那个程序在运行，这就需要每个程序能唯一的标识自己，所以需要在作业程序中加入一段控制卡代码，来唯一标识自己。所以监控程序也需要一个控制卡解释程序来识别这些标识。
设备驱动程序： 我们知道驱动程序是用来控制硬件控制芯片的，而批处理系统在一个程序运行完成时需要通过I/O设备加载下一个程序，所以需要驱动程序完成这些操作。
作业队列：监控程序能够根据控制卡提供的信息自动形成作业队列，所以当程序解释时监控程序可以加载下一个程序。
中端自陷向量表： 关于中端我们前面有介绍过，这里当系统执行I/O操作后，会以中端的方式通知，而这里的向量表则定义了不同中端对应的处理方式。

在这里我们可以发现，对于单道批处理程序来说，内存不再是独享，而是作业程序和监控程序共享，共享就会有一些问题：

作业程序加载的地址如何确定？
如何切换程序的控制权？

所以，我个人觉得，决定程序加载的位置应该是监控程序来确定。比如0x0000~0x050的内存区域是监控程序的区域，这样作业程序的起始地址就是0x0051，而监控程序通过修改PC计数器，来修改CPU要执行的下一条代码来切换程序控制权。

 

 

1.4 多道批处理程序

对于单道操作系统来说，他可以连续的运行多个程序，减少了程序切换时的CPU等待时间。但是它的问题在于，当执行I/O操作加时，CPU是空闲的。于是出现了多道批处理程序。多道批处理程序，把多个程序同时加载到内存中，当其中正在运行的程序执行I/O操作时，CPU可以继续执行其他的程序，而当I/O操作结束后，程序可以继续被执行。



上图是多道批处中会存在2个以上的程序，所以需要一个内存分区表来标识每个程序占用的内存范围，以保证每个程序内存空间的独立。

后备队列： 虽然内存中存在多个程序，但是一个时间内只有一个程序会被执行，而其他没有被执行的程序如果单道程序的作业一样也有一个队列，我们叫后备队列。
调度程序：对于多道批处理程序来说，它除了要监控之外，还需要一个调度程序，来决定在I/O操作时，后备队列中的那一个程序获得CPU时间。



多道批处理系统的优点在于资源利用率高、系统吞吐量大、平均运行时间长。同样也存在物交互能力，而且需要内存管理，作业调度，设备管理等功能，这就增加了程序的负责的度。

 

1.5 现代操作系统

可以说批处理操作系统是现代操作系统的雏形。从DOS到Windows3.1，到Win95，WinXP，Win8，Unix，Linux。现代操作系统可以说是一个庞大的程序，多CPU，多进程，多线程，虚拟内存等等，相比多道批处理应用程序复杂了千万倍。而内存布局也随着硬件和操作系统的发展而发生了变化。但是主要的目的都是提高系统效率，提高系统稳定性安全性。提供更好的交互体验。

 

 

2 程序的编译和链接

到目前为止，我们都只是一直在谈论，程序被加载到内存然后执行的过程，而没有提及到程序是如何从我们编写的代码变为可执行文件的。在我们开始介绍现代操作系统中程序内存布局之前，先看看程序是如何被编译成可执行文件的。因为计算机的发展是和硬件，操作系统，编译器等共同发展分不开的。

 

 

2.1 编译过程

 

现在我们基本都是在可视环境下进行开发，比如Eclipse，VS等开发工具。这些工具功能相当的强大，我们只需专注代码的编写，点几下鼠标，一个可执行文件就被生成出来了。但是在这背后，开发工具到底做了什么呢？ 下面一个简单的C程序是如何被编译成可执行文件的呢？

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



一般来说，一个程序从源代码到可执行文件是通过编译器来完成的，简单的说，编译器的工作就是把高级语言转换为机器码，一个现代的编译器工作流程是：（源代码）--预处理--编译---汇编---链接--（可执行文件）。在Linux下一般使用GCC来编译C语言程序， 而VS中使用cl.exe。下图就是上面的代码在GCC中编译的过程。我们后面讨论的都以C语言为例。编译器



 

2.1.1 预处理

 

预处理是程序编译的第一步，以C语言为例， 预编译会把源文件预编译成一个 .I 文件。而C++则是编译成 .ii。 GCC中预编译命令如下

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#gcc -E hello.c -o hello. I  



当我们打开hello.i 文件是会发现这个文件变的好大，因为其中包含的<stdio.h> 文件被插入到了hello.i 文件中，一下是截取的一部分内容

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# 1 "hello.c"  
# 1 "<built-in>"  
# 1 "<命令行>"  
# 1 "hello.c"  
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4  
# 28 "/usr/include/stdio.h" 3 4  
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4  
# 324 "/usr/include/features.h" 3 4  
# 1 "/usr/include/i386-linux-gnu/bits/predefs.h" 1 3 4  
# 325 "/usr/include/features.h" 2 3 4  
# 357 "/usr/include/features.h" 3 4  
# 1 "/usr/include/i386-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4  
# 378 "/usr/include/i386-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4  
# 1 "/usr/include/i386-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4  
# 379 "/usr/include/i386-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4  
# 358 "/usr/include/features.h" 2 3 4  
# 389 "/usr/include/features.h" 3 4  
# 1 "/usr/include/i386-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4# 940 "/usr/include/stdio.h" 3 4  
  
  
  
# 2 "hello.c" 2  
int main()  
{  
    printf("Hello, world.\n");  
    return 0;  
}  



总结下来预处理有一下作用：

所有的#define删除，并且展开所有的宏定义
处理所有的条件预编译指令，比如我们经常使用#if #ifdef #elif #else #endif等来控制程序
处理#include 预编译指令，将被包含的文件插入到该预编译指令的位置。这也就是为什么我们要防止头文件被多次包含。
删除所有注释 “//”和”/* */”.
添加行号和文件标识，以便编译时产生调试用的行号及编译错误警告行号。比如上面的 # 2 "hello.c" 2
保留所有的#pragma编译器指令，因为编译器需要使用它们。
 

2.1.2 编译

 

编译是一个比较复杂的过程。编译后产生的是汇编文件，其中经过了词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、目标代码生成、目标代码优化等六个步骤。大学时有一门《编译原理》的课程就是讲这个的，只可惜当时学的并不好，感觉太枯燥太难懂了。所以当我们语法有错误、变量没有定义等问题是，就会出现编译错误。

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#gcc -S hello.i -o hello.s  



通过上面的命令，可以从预编译文件生成汇编文件，当然也可以之际从源文件编译成汇编文件。实际上是通过一个叫做ccl的编译程序来完成的。

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    .file   "hello.c"  
    .section    .rodata  
.LC0:  
    .string "Hello, world."  
    .text  
    .globl  main  
    .type   main, @function  
main:  
.LFB0:  
    .cfi_startproc  
    pushl   %ebp  
    .cfi_def_cfa_offset 8  
    .cfi_offset 5, -8  
    movl    %esp, %ebp  
    .cfi_def_cfa_register 5  
    andl    $-16, %esp  
    subl    $16, %esp  
    movl    $.LC0, (%esp)  
    call    puts  
    movl    $0, %eax  
    leave  
    .cfi_restore 5  
    .cfi_def_cfa 4, 4  
    ret  
    .cfi_endproc  
.LFE0:  
    .size   main, .-main  
    .ident  "GCC: (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3"  
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits  



上面就是生成的汇编文件。我们看出其中分了好几个部分。我们只需要关注，LFB0这个段中保存的就是C语言的代码对于的汇编代码.。

 

2.1.3 汇编

 

汇编的过程比较简单，就是把汇编代码转换为机器可执行的机器码，每一个汇编语句机会都对应一条机器指令。它只需要根据汇编指令和机器指令的对照表进行翻译就可以了。汇编实际是通过汇编器as来完成的，gcc只不过是这些命令的包装。

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#gcc -c hello.s -o hello.o  
//或者  
#as hello.s -o hello.o  



汇编之后生成的文件是二进制文件，所以用文本打开是无法查看准确的内容的，用二进制文件查看器打开里面也全是二进制，我们可以用objdump工具来查看：

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cc@cheng_chao-nb-vm:~$ objdump -S hello.o  
  
hello.o:     file format elf32-i386  
  
  
Disassembly of section .text:  
  
00000000 <main>:  
   0:   55                      push   %ebp  
   1:   89 e5                   mov    %esp,%ebp  
   3:   83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp  
   6:   83 ec 10                sub    $0x10,%esp  
   9:   c7 04 24 00 00 00 00    movl   $0x0,(%esp)  
  10:   e8 fc ff ff ff          call   11 <main+0x11>  
  15:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax  
  1a:   c9                      leave    
  1b:   c3                      ret      



上面我们看到了Main函数汇编代码和机器码对应的关系。关于objdump工具后面会介绍。这里生成的.o文件我们一般称为目标文件，此时它已经和目标机器相关了。

 

 

2.1.4 链接

链接是一个比较复杂的过程，其实链接的存在是因为库文件的存在。我们知道为了代码的复用，我们可以把一些常用的代码放到一个库文件中提供给其他人使用。而我们在使用C，C++等高级语言编程时，这些高级语言也提供了一些列这样的功能库，比如我们这里调用的printf 函数就是C标准库提供的。 为了让我们程序正常运行，我们就需要把我们的程序和库文件链接起来，这样在运行时就知道printf函数到底要执行什么样的机器码。

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#ld -static crt1.o crti.o crtbeginT.o hello.o -start-group -lgcc -lgcc_eh -lc-end-group crtend.o crtn.o  



 

我们看到我们使用了链接器ld程序来操作，但是为了得到最终的a.out可执行文件(默认生成a.out)，我们加入了很多目标文件，而这些就是一个printf正常运行所需要依赖的库文件。

 

 

2.1.5 托管代码的编译过程

 

对于C#和Java这种运行在虚拟机上的语言，编译过程有所不同。 对于C,C++的程序，生成的可执行文件，可以在兼容的计算机上直接运行。但是C#和JAVA这些语言则不同。他们编译过程是相似的，但是他们最终生成的并不是机器码，而是中间代码，对于C#而言叫IL代码，对于JAVA是字节码。所以C#,JAVA编译出来的文件并不能被执行。

我们在使用.NET或JAVA时都需要安装.NET CLR或者JAVA虚拟机，以.NET为例，CLR实际是一个COM组件，当你点击一个.NET的EXE文件时，它和C++等不一样，不能直接被执行，而是有一个垫片程序来启动一个进程，并且初始化CLR组件。当CLR运行后，一个叫做JIT的编译器会吧EXE中的IL代码编译成对应平台的机器码，然后如同其他C++程序一样被执行