运行环境＝操作系统+硬件

CPU如何处理机器语言，以及源代码如何通过编译过程转换为本地代码

1. CPU与机器语言：
   • CPU只能解释自身固有的机器语言。
   • 不同的CPU能解释的机器语言种类不同，例如x86、MIPS、SPARC、PowerPC等，它们的机器语言是完全不同的。
2. 本地代码（Native Code）：
   • 机器语言的程序称为本地代码。
   • 程序员用C语言等高级语言编写的程序，在编写阶段是文本文件，可以显示和编辑，称之为源代码。
   • 通过对源代码进行编译，可以得到本地代码。
   • 在市面上出售的用于Windows的应用软件包CD-ROM中，收录的是本地代码，而不是源代码。
3. API（应用程序编程接口）：
   • 应用程序向操作系统传递指令的途径称为 API。
   • Windows 和 Unix 系列操作系统的 API 提供了应用程序可以利用的函数组合。
   • 不同操作系统的 API 存在差异，因此将应用程序移植到其他操作系统时，需要重写应用中利用到 API 的部分，如键盘输入、鼠标输入、显示器输出、文件输入输出等。
4. 跨平台兼容性：
   • 在同类型操作系统下，API 基本上没有差别，因此针对某特定操作系统的 API 编写的程序可以在任何硬件上运行。
   • 由于 CPU 种类不同，机器语言也不相同，因此本地代码也不同，需要利用编译器生成各 CPU 专用的本地代码。

移植（Porting）是指将软件从一种硬件或软件环境迁移到另一种环境的过程。这个过程可能涉及到修改软件的源代码，以便它能够在新的环境下正确运行。移植的目的是使软件能够在不同的操作系统、硬件平台或编程语言环境中工作，而不需要从头开始重新编写整个程序。

即使不通过移植，也可以利用虚拟机软件在一台计算机上运行其他操作系统的应用。

从操作系统方面看，java虚拟机是一个应用，从java应用方面来看，java虚拟机就是运行环境

1. Java虚拟机（Java VM）：
   • Java虚拟机提供了一种不依赖于特定硬件及操作系统的程序运行环境。
   • Java源代码编译后生成的是字节代码，而不是特定CPU使用的本地代码。
   • Java虚拟机在运行时将字节代码转换成本地代码，并由本地CPU处理。
2. Java虚拟机的工作原理：
   • 编译器将源代码（如 sample.java）转换成字节代码（sample.class）。
   • Java虚拟机（java.exe）将字节代码转换成x86系列CPU适用的本地代码。
3. Java虚拟机的优势：
   • 同样的字节代码可以在不同的环境下运行，只要结合各种类型的操作系统和硬件作成Java虚拟机。
4. Java虚拟机的局限性：
   • 不同的Java虚拟机之间无法进行完整互换，因为想让所有字节代码在任意Java虚拟机上都能运行是比较困难的。
   • 当使用只适用于某些特定硬件的功能时，可能会出现在其他Java虚拟机上无法运行或功能受限的情况。

BIOS（基本输入输出系统）是存储在 ROM 中的系统，预先内置在计算机主机内部。它负责基本的硬件控制，如键盘、磁盘、显卡等。BIOS 还具有启动“引导程序”的功能。

引导程序：引导程序是存储在启动驱动器起始区域的小程序操作系统的启动驱动器一般是硬盘，但也可以是 CD-ROM 或软盘。引导程序的功能是将硬盘等记录的操作系统加载到内存中运行。

源代码是文本文件，可用记事本等编辑器编写，但 CPU 无法直接运行。CPU 仅能解析并执行本地代码（即机器语言）。不同编程语言（C、C++、BASIC、Pascal 等）编写的源代码，最终均需转换成本地代码，否则 CPU 无法理解。

• 本地（Native）：指 CPU 的“母语”机器语言，本地代码即机器语言程序。
• 跨语言一致性：无论源语言为何，转换后的本地代码均以同一机器语言表示。
• 源代码（Source Code）：原始代码，扩展名通常与语言相关（如 C 语言为 .c）。
• 编译器作用：将高级语言代码翻译为本地代码，例如 C++ 编译器可兼容 C 语言源文件。

编译器的特性：

• 与 CPU 架构相关：不同 CPU 类型（如 x86、PowerPC）需要不同的编译器。例如，x86 编译器生成的本地代码无法直接在 PowerPC CPU 上运行。
• 跨平台兼容性：同一份源代码可通过不同编译器生成适用于不同 CPU 的本地代码（图 8-5）。

1. 编译器的运行环境

• 编译器本身是程序，需在特定环境中运行（如 Windows 或 Linux）。
• 交叉编译器：允许在一种环境中生成另一种 CPU 架构的本地代码。例如：
  • 在 Windows 环境下生成 SH（SuperH）或 MIPS 架构的本地代码，用于嵌入式设备（如 PDA、车载 GPS）。
  • 通过交叉编译器为 Windows CE 系统开发程序。

2. 可执行文件的生成

• 编译后的本地代码仍需经过链接（Link）等步骤，整合库文件与资源，最终生成可执行文件。
• 本地代码的可视化：
  • 用记事本打开 .exe 文件会显示乱码（图 8-3）。
  • 通过 Dump 工具 可将文件内容转换为十六进制格式，每个字节对应一条指令或数据（图 8-4）。

仅靠编译无法得到可执行文件
编译与链接的关系

链接：整合目标文件、启动文件及库文件，生成可执行文件（.exe）

编译：将源代码转换为目标文件（.obj），但目标文件是未完成的本地代码，无法直接运行。
示例命令：bash复制bcc32 -W -c Sample1.c # 生成 Sample1.obj

DLL（Dynamic Link Library）

• 特点：动态链接库，程序运行时加载。
• 优势：节省内存，支持多程序共享同一函数库（如 user32.dll）。

导入库的作用

示例：import32.lib 告知链接器 MessageBox() 位于 user32.dll。

存储动态链接信息（如函数位置和 DLL 路径），不包含实际代码。

静态链接 vs. 动态链接

当 EXE 文件加载到内存后，程序的内存布局由以下四部分构成：

1. 变量组：存储全局变量（如 title）。
2. 函数组：存储函数逻辑（如 WinMain）。
3. 栈（Stack）：存储局部变量（如 ave、buff）和函数参数。
4. 堆（Heap）：存储程序运行时动态分配的数据或对象。

栈与堆的对比

内存泄漏（Memory Leak）

• 定义：未释放堆中不再使用的内存空间。
• 后果：持续累积可能导致内存不足，引发程序或系统崩溃。

栈和堆的分配机制

1. EXE 文件与内存结构的差异
   • EXE 文件中仅包含变量组、函数组及再配置信息，不包含栈和堆。
   • 栈和堆的内存空间在程序运行时动态分配。
2. 栈的分配特点
   • 自动管理：函数调用时分配局部变量，函数返回时自动释放。
   • 高效但受限：栈空间大小有限（默认约 1-8 MB），超出会导致栈溢出错误。
3. 堆的分配特点
   • 灵活但需谨慎：可申请大块内存（受系统可用内存限制），但需手动释放。
   • 跨函数持久性：堆中数据生命周期不受函数调用限制。
4. 栈与堆的性能权衡：
   • 栈：速度快，适合小型临时数据。
   • 堆：速度较慢（涉及系统调用），适合大型或生命周期复杂的数据。

监控程序可以说是操作系统的原型。监控程序具有加载和运行程序的功能。

操作系统本身并不是一个单独的程序，而是由多个程序组成的集合体。

Windows操作系统是大多数用户常用的操作系统，具有以下主要特征：

1. 32位操作系统（也有64位版本）：
   • 32位操作系统表示处理效率最高的数据大小为32位。
   • Windows处理数据的基本单位是32位。
2. 通过API函数集来提供系统调用：
   • Windows操作系统通过API（应用程序编程接口）函数集来提供系统调用，方便程序员进行系统级操作。
3. 提供采用了图形用户界面的用户界面：
   • Windows操作系统提供图形用户界面（GUI），使用户能够通过图形化的方式与系统交互。
4. 通过WYSIWYG实现打印输出：
   • WYSIWYG（What You See Is What You Get）即所见即所得，Windows操作系统支持这种打印输出方式。
5. 提供多任务功能：
   • Windows操作系统支持多任务处理，允许用户同时运行多个应用程序。
6. 提供网络功能及数据库功能：
   • Windows操作系统提供网络连接和数据库管理功能，方便用户进行网络通信和数据存储。
7. 通过即插即用实现设备驱动的自动设定：
   • Windows操作系统支持即插即用技术，能够自动检测和配置新连接的硬件设备。

• 系统调用：
  • 操作系统的硬件控制功能通常通过一些小的函数集合体来提供，这些函数及调用函数的行为统称为系统调用（system call）。
  • 系统调用是应用对操作系统（system）的功能进行调用（call）的意思。
• 高级编程语言的移植性：
  • 高级编程语言并不依赖于特定的操作系统。这是因为人们希望不管是Windows还是Linux，都能使用几乎相同的源代码。
  • 高级编程语言的机制是，使用独自的函数名，然后再在编译时将其转换成相应操作系统的系统调用（也有可能是多个系统调用的组合）。

通过操作系统和高级编程语言的抽象化，程序员可以更方便地进行文件操作，而无需直接处理硬件细节。这种抽象化不仅简化了编程，还提高了程序的可移植性和可维护性。

在计算机系统中，CPU 只能直接解释和运行本地代码（机器语言）。用高级语言（如 C 语言）编写的源代码需要通过编译器编译转换成本地代码才能被 CPU 执行。

本地代码的可读性

直接查看本地代码通常只能看到数值的罗列，这对于理解程序的实际运行方式并不直观。因此，产生了一种需求，即在本地代码中附加上表示其功能的助记符，以提高代码的可读性。

汇编语言的作用

汇编语言通过使用助记符（如 add 表示加法，cmp 表示比较）来表示本地代码的功能。这样，通过查看汇编语言编写的代码，可以更容易地理解程序的本质。汇编语言和本地代码之间是一一对应的关系。

汇编和反汇编

反汇编：将本地代码转换成汇编语言源代码的过程称为反汇编，负责这一工作的程序称为反汇编器。

汇编：将汇编语言编写的源代码转换成本地代码的过程称为汇编，负责这一工作的程序称为汇编器。

高级语言与本地代码

即使是用高级语言编写的源代码，编译后也会转换成特定 CPU 用的本地代码。通过反汇编，可以得到汇编语言的源代码。然而，将本地代码反编译成高级语言源代码则更为困难，因为高级语言的源代码与本地代码之间并不是一一对应的关系

总结

汇编语言提供了一种方式，使得程序员能够更直观地理解和分析程序的本地代码。通过汇编和反汇编，可以在不同层次上对程序进行调试和优化。尽管高级语言与本地代码之间的转换更为复杂，但汇编语言仍然是理解程序底层机制的重要工具。

1. 获取汇编语言源代码的方法：
   • 除了反汇编本地代码外，还可以通过编译器将C语言源代码转换成汇编语言源代码。
   • 大部分C语言编译器都支持这一功能，可以将C语言源代码转换成汇编语言源代码而不是本地代码。

通过编译器将C语言源代码转换成汇编语言源代码，可以更好地理解程序的实际构成和运行机制。汇编语言源代码与C语言源代码交叉显示，便于比较和学习。通过这种方式，程序员可以深入理解程序的底层实现，从而优化代码和提高性能。

汇编语言通过段定义和过程划分程序结构，伪指令管理代码组织，Borland C++ 编译器按固定规则处理函数名和内存布局。

1. 过程（函数）定义
   • 使用 proc 和 endp 伪指令定义过程（类似C语言的函数）。
   • Borland C++ 编译器会在函数名前加下划线（如 AddNum → _AddNum）。
2. 段定义（Segment）
   • 由 segment 和 ends 伪指令包围，用于组织程序结构和内存布局。
   • 主要段类型：
     • _TEXT：存放指令（代码）。
     • DATA：存放已初始化数据。
     • BSS：存放未初始化数据。
   • Borland C++ 按 _TEXT → DATA → BSS 顺序分配内存，确保连续性。
   • group 伪指令可将多个段合并为组（如 DGROUP = _BSS + _DATA）。
3. 伪指令的作用
   • 不转换成本地代码，仅指导汇编器组织代码和数据（如 segment、ends、group）。
4. 源代码结构
   • end 伪指令表示源代码结束。
   • 函数和指令需放置在对应段内（如 _AddNum 和 _MyFunc 属于 _TEXT 段）。
5. 编译规则（Borland C++）
   • 栈和堆在程序运行时动态分配。
   • 汇编源代码中指令与数据混杂，编译后按段定义整理为本地代码。

汇编指令（操作码+操作数）
例：mov eax, ebx → 将ebx的值赋给eax。
语法结构：操作码 操作数（部分指令仅操作码）。
操作码：指令动作（如mov, add）。
操作数：指令对象（如寄存器、内存地址、常数）。

• 常用指令及功能：

栈与堆：栈由esp管理，运行时动态分配；堆同理。

• 程序通过寄存器与内存交互，指令由操作码定义动作，操作数定义对象。
• 代码、数据按段划分，伪指令管理程序结构，CPU按指令流执行。

mov 是汇编中最基础的指令，用于数据传递。关键点在于：

1. 区分直接值和内存地址（方括号）。
2. 明确数据大小（如 dword ptr）。
3. 支持灵活的内存寻址方式（基址+偏移）。
4. 遵循操作数类型限制（如内存到内存需中转）。

基本概念

• 定义：栈是内存中用于存储临时数据的区域，遵循 LIFO（Last In First Out，后进先出）规则。
• 操作指令：
  • push：数据入栈（存储）。
  • pop：数据出栈（读取并删除）。

栈的物理结构

• 内存模型：
  • 高位地址 → 栈底（初始位置）。
  • 低位地址 → 栈顶（随 push 向下增长）。

栈通过 push 和 pop 实现临时数据的高效管理，由 esp 自动跟踪栈顶地址。关键点包括：

• 必须保持栈平衡，避免指针错误或崩溃。
• LIFO规则：后入栈的数据先出栈。
• 操作单位：32位数据（4字节），esp 随操作自动更新。
• 典型用途：保存寄存器、传参、局部变量存储。

函数调用与栈帧建立

1. 保存调用者的基址指针
   • push ebp：将当前函数的基址指针（ebp）压入栈中，以便函数返回时恢复。
   • mov ebp, esp：将栈顶指针（esp）的值赋给ebp，作为新函数的基址指针，用于访问参数和局部变量
2. 参数传递参数逆序入栈
   • 在C语言中，函数参数按从右到左的顺序压入栈。例如，AddNum(123, 456)会先压入456（代码清单10-4的步骤3），再压入123（步骤4）。
     • 栈内布局（从高地址到低地址）：
     • ebp原值
     • 返回地址（由call指令自动压入）
     • 参数1：123（[ebp+8]）
3. 函数调用与返回
   • call指令的作用
     call _AddNum：跳转到AddNum函数地址，并将下一条指令的地址（即add esp, 8的地址）压入栈，作为返回地址。
   • ret指令的作用
     函数结束时，ret会从栈中弹出返回地址，跳转回调用位置（代码清单10-4的步骤6）。
4. 栈清理
   • 清理参数空间
     add esp, 8：将栈指针（esp）增加8字节（2个4字节参数），相当于销毁参数占用的栈空间。
   • 替代方案：两次pop操作，但add效率更高（仅需1次操作）。
5. 函数内部处理
   • 访问参数与返回值
     • mov eax, [ebp+8]：通过基址指针ebp访问第一个参数（123）。
     • add eax, [ebp+12]：将第二个参数（456）加到eax。
     • 返回值规则：C语言规定返回值通过eax寄存器传递，无需恢复eax的原始值。
6. 栈状态变化
   • 调用前后对比（参考图10-4）
     • 调用前：栈中包含ebp原值、返回地址、参数123和456。
     • 调用后：通过add esp, 8清理参数，ebp恢复为原值（通过pop ebp），栈指针回到函数调用前的状态。
7. 编译器优化
   • 未使用变量的处理
     若函数返回值未被使用（如代码清单10-1中的变量c），编译器可能省略相关汇编代码，仅保留必要的操作（如参数传递和计算），并生成警告（如“赋值未使用”）。
     • 参数2：456（[ebp+12]）

• 参数传递：通过栈逆序压入，由ebp固定偏移访问。
• 返回值：通过eax寄存器传递。
• 栈管理：ebp保存栈帧基址，esp动态管理栈顶，call/ret自动处理返回地址。
• 优化影响：编译器可能省略冗余操作，需注意警告信息。

在C语言中，函数外部定义的变量称为全局变量，可以在整个程序的任何部分访问。
函数内部定义的变量称为局部变量，只能在定义它们的函数内部访问。

• 全局变量：
  • 初始化变量占用_DATA段，编译时写入初始值。
  • 未初始化变量占用_BSS段，程序启动时自动置零。
• 局部变量：
  • 通过栈动态分配，生命周期限于函数内部。
  • 需手动管理栈空间（如add esp, N调整指针）。
• 访问机制：
  • 全局变量通过固定标签（如_a1）直接访问。
  • 局部变量通过ebp偏移量（如[ebp-4]）间接访问。

局部变量

循环的实现
核心机制：汇编通过cmp+jl实现条件跳转，inc更新计数器，call执行循环体。
性能优化：优先使用寄存器、高效指令（如xor）。
可读性：C语言的for循环更符合人类直觉，而汇编直接映射CPU操作，适合底层优化。

汇编与C语言对应关系

条件分支的实现

在汇编语言中，条件分支通常使用条件跳转指令来实现，如JMP（无条件跳转）、JE（等于时跳转）、JNE（不等于时跳转）等。

在C语言中，条件分支通常使用if、else if和else语句来实现。这些语句提供了一种高级、易读的方式来表达条件逻辑。C语言编译器负责将这些高级语句转换为底层的机器指令。

通过理解汇编语言和程序的实际运行方式，可以更好地理解多线程编程中的问题，并找到合适的解决方案。虽然现在很少直接使用汇编语言编写程序，但了解汇编语言对于理解高级语言编写的程序的底层行为是非常有帮助的。

Windows 应用程序通过 系统调用（API） 间接控制硬件，而非直接操作硬件

1. 1. 高级语言与硬件控制的关系
   • 为何不直接操作硬件？
     高级语言（如 C 语言）编写的应用程序运行在操作系统（如 Windows）之上，操作系统负责管理硬件资源。直接操作硬件会引发安全性和兼容性问题，因此硬件控制权由操作系统统一管理。
   • API 的作用
     Windows 提供 API（应用程序接口），例如 TextOut 函数，允许应用程序通过调用这些函数间接控制硬件。API 的底层实现在 DLL 文件中，开发者无需关注硬件细节。
2. 系统调用的底层机制：IN/OUT 指令
   • IN 和 OUT 指令
     这是 x86 系列 CPU 的汇编指令，用于 CPU 与 I/O 控制器 通信：
     • IN 指令：从指定端口号（Port）读取数据到 CPU 寄存器。
     • OUT 指令：将 CPU 寄存器的数据写入指定端口号。
   • 端口（Port）与 I/O 控制器
     • I/O 控制器：连接外围设备（如显示器、键盘）的集成电路（IC），负责转换电信号（如数字信号与模拟信号）。
     • 端口：I/O 控制器内部的内存（寄存器），用于临时存储输入输出数据。每个外围设备对应一个或多个端口号（如软驱的端口号可通过控制面板查看）。
   • Windows 接收请求，通过系统调用将参数转换为硬件操作指令。
   • Windows 使用 OUT 指令 向显示器对应的端口发送数据，最终由显示器 I/O 控制器处理并显示内容。
3. TextOut 函数的执行流程
   • 应用程序调用 TextOut API，传递参数（如显示坐标、字符串内容）。
4. 实际应用与调试
   • 查看端口号
     通过控制面板（如设备管理器）可查看外围设备的端口号，例如旧版 Windows 中软驱的 I/O 范围。
   • 编写输入输出程序
     调试时可通过汇编语言直接使用 IN/OUT 指令控制硬件，但需谨慎操作（现代操作系统通常禁止用户程序直接访问硬件端口）。

总结
硬件无关性：高级语言通过 API 屏蔽硬件细节，确保程序兼容性和安全性。
硬件控制流程：
应用程序 → 调用 API → Windows 系统调用 → IN/OUT 指令 → I/O 控制器 → 硬件操作。

这种分层设计平衡了开发效率与硬件控制能力，是操作系统核心功能之一。

中断处理

• 中断请求：由连接外围设备的I/O控制器发出，用于通知CPU有事件发生，需要处理。
• 中断控制器：位于I/O控制器和CPU之间，用于缓冲和有序传递多个外围设备的中断请求给CPU。
• 中断处理程序：操作系统和BIOS提供，用于响应特定的中断编号。
• 实时处理：中断允许系统实时响应外围设备的输入输出，如键盘输入和打印机输出，而不需要主程序不断轮询设备状态。

DMA（直接内存访问）

• DMA机制：允许外围设备直接与主内存进行数据传输，无需CPU介入，从而节省CPU时间，提高数据传输速度。
• DMA通道：用于识别和控制哪些外围设备使用DMA机制，每个通道可以指定给特定的设备。
• 设备冲突：如果多个外围设备被错误地分配了相同的端口号、IRQ或DMA通道，可能会导致系统无法正常工作，出现设备冲突。

实时数据处理和大量数据传输

• 中断的优势：通过中断，系统可以实时处理外围设备的输入输出，而不需要主程序频繁检查设备状态，这对于需要快速响应的设备（如键盘、鼠标）尤为重要。
• DMA的优势：DMA允许大量数据快速传输，适用于需要快速读写大量数据的设备（如磁盘驱动器），从而提高系统的整体性能。

设备识别

I/O端口号、IRQ、DMA通道：这些是识别和配置外围设备的关键参数，确保每个设备都有唯一的标识，避免设备冲突。

显示器上显示的信息存储在一种特殊的内存中，称为VRAM。当程序向VRAM写入数据时，这些数据就会在显示器上显示出来。