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经过了很长时间的学习，我们对计算机的各个模块都有了响应的了解，但是分散的知识是很难发挥作用的，需要一些东西它们串联起来。



今天，我们通过一个简单的问题，将之前接触到的部分知识点整合起来。

:::tip{title="问题"}
**程序/代码是如何运行起来的？**
:::



对我们程序员来说，需要写一些源代码，以CPP为例，会生成一些.cpp或.c后缀的源文件，例如以下这个文件：

```C
main.c
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello,World\n");
    return 0;
}
```

在写完代码后需要进行`编译链接`，然后在命令行下`执行`。

```bash
# gcc main.c -o hello
# ./hello
Hello,World
```


## 一.编译链接的过程

### A:编译（源文件——>目标文件）

编译器从宏观来说就是一个强大的“文本处理程序”，其就是将“CPP文件”处理为“目标文件”。而处理的过程分为多个步骤

1. 词法分析。编译器会将文件中的内容分割为一个一个的类似于“class”的**符号**，这一步称为提取符号，词法分析。

   //

2. 语法分析。在词法分析的基础上，编译器会对每个**符号**进行**解析**，例如：当编译器遇到了while，此时就会有（  接下来就会是一个布尔表达式，之后是  ），然后会是  {  ，循环体，}  之后就结束。此时就形成了一个具有语法意义的**语法树**。![语法树](Pictures/%E8%AF%AD%E6%B3%95%E6%A0%91.png)

3. 语义分析。已经生成了语法树，但不确定是否正确，因此需要进行检查。
4. 生成汇编。根据语法树进行转换，生成汇编指令。
5. 生成机器指令。

此时，生成的机器指令存于目标文件。  

#### 目标文件

对于目标文件，其内容以段的形式存储信息。![目标文件](Pictures/%E7%9B%AE%E6%A0%87%E6%96%87%E4%BB%B6.png)

目标文件将所有使用的符号存于符号表，**整个符号表就做两件事：定义了那些符号；用了哪些外部符号。**同时对于不能确定的变量，单独分离出来，为将来链接器的决议指明。



### B:链接（目标文件——>可执行文件）

链接器从宏观上来看也相当于一个强大的“文本处理程序”。其对目标文件以及库文件进行链接时，也分为多个步骤。

1. 符号决议。符号就是变量，符号决议就是为所有外部的符号找到其所对应的定义。

2. 生成可执行文件。当所有符号都有定义后，链接器会将所有代码区与数据区整合起来。//![生成可执行文件](Pictures/%E7%94%9F%E6%88%90%E5%8F%AF%E6%89%A7%E8%A1%8C%E6%96%87%E4%BB%B6.png)

3. 重定位。生成基本的可执行文件后，需要对之前.relo.text以及.relo.data中的地址进行重新定位，因为在编译时，无法确定的地址会赋予0，因此在整合之后需要将其改为正确的地址。

   

## 二.程序内存布局与虚拟内存

是否经常看到这样的分区：![内存分区](Pictures/%E5%86%85%E5%AD%98%E5%88%86%E5%8C%BA.png)

此时有一个疑问，此分区的起始地址是0x400000，如果我们有两个程序AB，CPU在执行程序时，取0x400000时，取的是A的起始，还是B的起始？

答案是，CPU执行程序A时，取的是A的代码区，CPU执行程序B时，取的是B的代码区。原因是**虚拟内存**

### 虚拟内存技术

我们所看到的结构都是虚拟内存，其为虚拟的，抽象出来的结构。而物理内存就是一块空间，没有分区，没有种类。而它们之间的**映射关系** 依靠于**页表**。

通过页表，不同进程在同一虚拟地址上所存的信息分布在不同的物理内存上。如图所示：![虚拟内存](Pictures/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%86%85%E5%AD%98-1716880016169.png)



此时我们看到：

1. 每个进程都有标准的虚拟内存，大小一样，排列顺序一致。
2. 物理内存的大小与虚拟内存大小无关。
3. 每个进程有独立页表。

虚拟内存技术，使得所有程序有了统一的格式成为可能。

### 程序，进程，线程

程序：运行于某种目标计算机体系结构上，用某种程序设计语言编写，具有信息处理能力或判断的指令的集合。

进程：进程是具有一定功能的程序动态执行的过程， 是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程是抽象出来的。 进程是能拥有资源和独立运行的最小单位，也是程序执行的最小单位。 

线程： 线程是程序执行中一个单一的顺序控制流程，是程序执行流的最小单元，是处理器调度和分派的基本单位。  一个进程可以有一个或多个线程，各个线程之间共享程序的内存空间(也就是所在进程的内存空间)。 

![1717647786553](/Pictures/1717647786553.png)

从代码到程序运行——一个简短总结1

![cmake](https://wandergeneral.cn/static/img/3d58f3e2dc41bd360810415bbb30b09c.cmake_start.webp)

CMake项目构建指南

韩康慨的个人主页，记录计算机/互联网行业的一名普通人在学习和开发过程中的点滴，为自己留下一个憧憬。