我們是袋鼠雲數棧 UED 團隊，致力於打造優秀的一站式數據中台產品。我們始終保持工匠精神，探索前端道路，為社區積累並傳播經驗價值。 本文作者：景明 我們以一段 C 代碼為例，來看一下代碼被編譯成二進位可執行程式之後，是如何被 CPU 執行的。 在這段代碼中，只是做了非常簡單的加法操作，將 x 和 y ...
我們是袋鼠雲數棧 UED 團隊，致力於打造優秀的一站式數據中台產品。我們始終保持工匠精神，探索前端道路，為社區積累並傳播經驗價值。
本文作者：景明
我們以一段 C 代碼為例，來看一下代碼被編譯成二進位可執行程式之後，是如何被 CPU 執行的。
在這段代碼中，只是做了非常簡單的加法操作，將 x 和 y 兩個數字相加得到 z，並返回結果 z。
int main() {
int x = 1;
int y = 2;
int z = x + y;
return z;
}
我們知道，CPU 並不能直接執行這段 C 代碼，而是需要對其進行編譯，將其轉換為二進位的機器碼，然後 CPU 才能按照順序執行編譯後的機器碼。
先通過 GCC 編譯器將這段 C 代碼編譯成二進位文件，輸入以下命令讓其編譯成目的文件：
gcc -O0 -o code_prog code.c
輸入上面的命令之後回車，在文件夾中生成名為 code_prog 的可執行程式，接下來再將編譯出來的 code_prog 程式進行反彙編，這樣就可以看到二進位代碼和對應的彙編代碼。可以使用 objdump 的完成該任務，命令如下所示：
objdump -d code_prog
最後編譯出來的機器碼如下：
0000000100003f84 <_main>:
100003f84: ff 43 00 d1 sub sp, sp, #16 // 開闢棧空間。即開闢了四個 4 位元組空間
100003f88: ff 0f 00 b9 str wzr, [sp, #12] // 將 wzr 寄存器的數據存儲到 sp 寄存器的 #12 地址上，設為0
100003f8c: 28 00 80 52 mov w8, #1 // 創建一個 x = 1，並將 1 存入 w8 寄存器中
100003f90: e8 0b 00 b9 str w8, [sp, #8] // 將 w8 寄存器的數據存入 sp 寄存器中 #8 的地址中，也就是將 x = 1 存入
100003f94: 48 00 80 52 mov w8, #2 // 創建一個 y = 2，並將 2 存入 w8 寄存器中
100003f98: e8 07 00 b9 str w8, [sp, #4] // 將 w8 寄存器的數據存入 sp 寄存器中 #4 的地址中，也就是將 y = 2 存入
100003f9c: e8 0b 40 b9 ldr w8, [sp, #8] // 讀取 sp 寄存器中 #8 的數據存入 w8 寄存器中，也就是獲取 x = 1
100003fa0: e9 07 40 b9 ldr w9, [sp, #4] // 讀取 sp 寄存器中 #4 的數據存入 w9 寄存器中，也就是獲取 y = 2
100003fa4: 08 01 09 0b add w8, w8, w9 // 將 w8、w9 寄存器的 x,y 數據進行相加，並存入 w8 寄存器中，也就是 z = 3
100003fa8: e8 03 00 b9 str w8, [sp] // 將 w8 寄存器的數據存入 sp 寄存器中
100003fac: e0 03 40 b9 ldr w0, [sp] // 讀取 sp 寄存器中的數據存到 w0 寄存器中。z = 3
100003fb0: ff 43 00 91 add sp, sp, #16 // 清空開闢的棧空間
100003fb4: c0 03 5f d6 ret // 返回結果
PS: wzr 為 32 的零寄存器，專門用來清零，也就是 sp 上 #12 指向的數據設置為 0
觀察上方，左邊就是編譯生成的機器碼，在這裡它是使用十六進位來展示的，這主要是因為十六進位比較容易閱讀，所以通常使用十六進位來展示二進位代碼。
可以觀察到上圖是由很多行組成的，每一行都是一個指令，該指令可以讓 CPU 執行指定的任務。
中間的部分是彙編代碼，例如原本是二進位表示的指令，在彙編代碼中可以使用單詞來表示，比如 mov、add 就分別表示數據的存儲和相加。
通常將彙編語言編寫的程式轉換為機器語言的過程稱為“彙編”；反之，機器語言轉化為彙編語言的過程稱為“反彙編”，比如上圖就是對 code_prog 進程進行了反彙編操作。
右邊添加的註釋，表示每條指令的具體含義。
這一大堆指令按照順序集合在一起就組成了程式，所以程式的執行，本質上就是 CPU 按照順序執行這一大堆指令的過程。
CPU 是怎麼執行程式的？
為了更好的分析程式的執行過程，我們還需要瞭解一下基礎的電腦硬體信息，具體如下圖：
這張圖是比較通用的系統硬體組織模型圖，它主要是由 CPU、主存儲器、各種 IO 匯流排，還有一些外部設備組成的。
首先，在一個程式執行之前，程式需要被裝進記憶體，比如在 macOS 下麵，你可以通過滑鼠點擊一個可執行文件，當你點擊該文件的時候，系統中的程式載入器會將該文件載入到記憶體中。
CPU 可以通過指定記憶體地址，從記憶體中讀取數據，或者往記憶體中寫入數據，有了記憶體地址，CPU 和記憶體就可以有序地交互。
記憶體中的每個存儲空間都有其對應的獨一無二的地址：
在記憶體中，每個存放位元組的空間都有其唯一的地址，而且地址是按照順序排放的。
以開頭代碼為例，這段代碼會被編譯成可執行文件，可執行文件中包含了二進位的機器碼，當二進位代碼被載入進了記憶體後，那麼記憶體中的每條二進位代碼便都有了自己對應的地址，如下圖所示：
一旦二進位代碼被裝載進記憶體，CPU 便可以從記憶體中取出一條指令，然後分析該指令，最後執行該指令。
把取出指令、分析指令、執行指令這三個過程稱為一個 CPU 時鐘周期。CPU 是永不停歇的，當它執行完成一條指令之後，會立即從記憶體中取出下一條指令，接著分析該指令，執行該指令，CPU 一直重覆執行該過程，直至所有的指令執行完成。
CPU 是怎麼知道要取出記憶體中的哪條指令呢？：
從上圖可以看到 CPU 中有一個 PC 寄存器，它保存了將要執行的指令地址，當二進位代碼被裝載進了記憶體之後，系統會將二進位代碼中的第一條指令的地址寫入到 PC 寄存器中，到了下一個時鐘周期時，CPU 便會根據 PC 寄存器中的地址，從記憶體中取出指令。
PC 寄存器中的指令取出來之後，系統要做兩件事：第一件是將下一條指令的地址更新到 PC 寄存器中，如下圖所示：
更新了 PC 寄存器之後，CPU 就會立即做第二件事，那就是分析該指令，並識別出不同的類型的指令，以及各種獲取操作數的方法。
在指令分析完成之後，就要執行指令了。
在執行指令前，我們還需要認識一下 CPU 中的重要部件：寄存器。
寄存器
寄存器是 CPU 中用來存放數據的設備，不同處理器中寄存器的個數也是不一樣的，之所要寄存器，是因為 CPU 訪問記憶體的速度很慢，所以 CPU 就在內部添加了一些存儲設備，這些設備就是寄存器。
他們的讀取速度如下：
總結來說，寄存器容量小，讀寫速度快，記憶體容量大，讀寫速度慢。
寄存器通常用來存放數據或者記憶體中某塊數據的地址，我們把這個地址又稱為指針，通常情況下寄存器對存放的數據是沒有特別的限制的，比如某個通用寄存器既可以存儲數據，也可以存儲指針。
不過由於歷史原因，我們還會將某些專用的數據或者指針存儲在專用的通用寄存器中 ，比如 rbp 寄存器通常用來存放棧幀指針的，rsp 寄存器用來存放棧頂指針的，PC 寄存器用來存放下一條要執行的指令等。
特殊寄存器
Stack Pointer register（SP）
The use of SP as an operand in an instruction, indicates the use of the current stack pointer.
指向當前棧指針。堆棧指針總是指向棧頂位置。一般堆棧的棧底不能動，所以數據入棧前要先修改堆棧指針，使它指向新的空餘空間然後再把數據存進去，出棧的時候相反。
堆棧指針，隨時跟蹤棧頂地址，按"先進後出"的原則存取數據。
Link Register （LR）
連接寄存器，一是用來保存子程式返回地址；二是當異常發生時，LR中保存的值等於異常發生時PC的值減4（或者減2），因此在各種異常模式下可以根據LR的值返回到異常發生前的相應位置繼續執行。
Program Counter（PC）
A 64-bit Program Counter holding the address of the current instruction.
保存了將要執行的指令地址
Word Zero Register（WZR）
零寄存器，用於給int清零
tips
不同指令中寄存器後 #d 有什麼區別？
[#d]在ARM代表的是一個常數表達式。
如：#0x3FC、#0、#0xF0000000、#200、#0xF0000001
都是代表著一個常數。
在 sp 寄存器中，代表的是當前棧頂指針移動的位置。
如：
sub sp, sp, #16；// 獲取 sp 中的棧頂指針移動 16位的位置，並把位置更新到 sp 寄存器中。實現開闢空間
在通用寄存器 W0 - W11 中，代表的操作的常數值。
mov w8, #2，// 把常數 2 添加到 w8 寄存器中
通用寄存器
以下介紹下比較常見的通用寄存器：
- 其中W0~W3 用於函數調用入參，其中，W0 還用於程式的返回值.
- W4~W11用於保存局部變數。
- W13為SP，時刻指向棧頂，當有數據入棧或出棧時，需要更新SP
- W14為鏈接寄存器，主要是用作保存子程式返回的地址。
- W15為PC寄存器，指向將要執行的下一條指令地址。
常見指令
mov
數據傳送指令。將立即數或寄存器(operant2)傳送到目標寄存器Rd，可用於移位運算等操作。指令格式如下：
MOV{cond}{S} Rd,operand2
如:
mov w8, #1，就是往 w8 寄存器中寫入 #1.
mov w8, w9， 就是把 w9 寄存器的數據發送到 w8 寄存器中，最終 w8 和 w9 寄存器的數據一致。如下圖：
ldr
ldr 從記憶體中讀取數據放入寄存器中
LDR{cond}{T} Rd,<地址>;載入指定地址上的數據(字)，放入Rd中
如：
ldr w8, [sp, #8] 讀取 sp 寄存器中 #8 位置的數據存入 w8 寄存器中，改變的只有 w8 ，sp 寄存器不變
str
str 指令用於將寄存器中的數據保存到記憶體
STR{cond}{T} Rd,<地址>;存儲數據(字)到指定地址的存儲單元，要存儲的數據在Rd中
如：
str w8, [sp] ， 將 w8 寄存器的數據存入 sp 寄存器中
add
加法運算指令。將operand2 數據與Rn 的值相加，結果保存到Rd 寄存器。指令格式如下：
ADD{cond}{S} Rd,Rn,operand2
以 add w8, w8, w9 為例，就是把 w8、w9 寄存器的 x,y 數據進行相加，並存入 w8 寄存器中
如下圖：
sub
減法運算指令。用寄存器 Rn 減去operand2。結果保存到 Rd 中。指令格式如下：
SUB{cond}{S} Rd,Rn,operand2
如：
sub R0,R0,#1 -- R0=R0-1
執行過程
瞭解了以上的知識，我們再來分析一遍代碼的執行過程。
在 C 程式中，CPU 會首先執行調用 main 函數，在調用 main 函數時，生成一塊記憶體空間，用來存放 main 函數執行過程中的數據。
sub sp, sp, #16
將 0 寫入到 #12 的位元組位置上。
str wzr, [sp, #12]
接下來給 x 附值
mov w8, #1
str w8, [sp, #8]
第一行指令是把 1 添加進寄存器中。第二行指令是把 1 存入 #8 地址的記憶體空間中。
接著給 y 附值
mov w8, #2
str w8, [sp, #4]
第一行指令是把 2 添加進寄存器中。第二行指令是把 2 存入 #4 地址的記憶體空間中。
執行完 x， y 的生成，接下來執行 z = x + y
ldr w8, [sp, #8]
ldr w9, [sp, #4]
add w8, w8, w9
第一行指令取出記憶體空間地址為 #8 的數據，也就是 1. 第二行指令去除記憶體空間地址為 #4 的數據，也就是 2，第三行指令則對取出的數據進行相加操作，並將結果 3 存入寄存器中。
str w8, [sp]
ldr w0, [sp]
第一行指令把寄存器中的最終的數據存入記憶體中，第二行指令則獲取記憶體中的結果，存入寄存器中。等待返回
add sp, sp, #16
把開闢的空間進行清理。
ret
返回結果
總結
本文主要講解了 CPU 的執行過程，順便瞭解了一下基礎的電腦硬體信息，如有想法
