程序执行的流程
# 一个程序从编译到运行的全过程
一个程序，从编写完代码，到被计算机运行，总共需要经历以下四步：
- 编译。编译器会将程序源代码编译成汇编代码。
- 汇编。汇编器会将汇编代码文件翻译成为二进制的机器码。
- 链接。链接器会将一个个目标文件和库文件链接在一起，成为一个完整的可执行程序。
- 载入。加载器会将可执行文件的代码和数据从硬盘加载到内存中，然后跳转到程序的第一条指令处开始运行。
链接器和加载器是由操作系统实现的程序。而编译器和汇编器则是由不同的编程语言自己实现的了。
这里需要展开来说一说，我们常用的高级语言，按照转化成机器码的方式不同可以分为编译型语言和解释型语言，
编译型语言要求由编译器提前将源代码一次性转换成二进制指令，即生成一个可执行程序，后续的执行无需重新编译。比如我们常见的 C、Golang 等，优点是执行效率高；缺点是可执行程序不能跨平台（不同的操作系统对不同的可执行文件的内部结构要求不同；另外，由于不同操作系统支持的函数等也可能不同，所以部分源代码也不能跨平台）。 解释型语言不需要提前编译，程序只在运行时才由解释器翻译成机器码，每执行依次就要翻译一次。比如我们常见的 Python、PHP 等，优点是较方便（对编写用户而言，省去了编译的步骤），实时性高（每次修改代码后都可直接运行），能跨平台；缺点是效率低。
半编译半解释型语言：还有一类比较特殊，混合了两种方式。源代码需要先编译成一种中间文件（字节码文件），然后再将中间文件拿到虚拟机中解释执行。比如我们常见的 Java、C# 等。 所以，要设计一门语言，还必须为其编写相应的编译器和解释器，将源代码转化为计算机可执行的机器码。由于不同的语言有不同的转化方式，接下来将以最常见的 C 语言为例，简单分析一下 编译→汇编→链接→载入 的过程。
总结：不同的语言会使用不同的方式将源代码转化为机器码，但是之后的链接和载入过程都是由操作系统完成的，都是相同的。
# 编译
编译是读取源程序，进行词法和语法分析，将高级语言代码转换为汇编代码。整个编译过程可以分为两个阶段。
# 预处理
- 对其中的伪指令（以 # 开头的指令）进行处理。
- 将所有的 #define 删除，并且展开所有的宏定义；
- 处理条件编译指令，如 #if、#elif、#else、endif 等；
- 处理头文件包含指令，如 #include，将被包含的文件插入到该预编译指令的位置；
删除所有的注释。 添加行号和文件名标识。
# 编译
对预处理完的文件进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化后，产生相应的汇编代码文件。
# 汇编
将编译完的汇编代码文件翻译成机器指令，保存在后缀为 .o 的目标文件（Object File）中。
这个文件是一个 ELF 格式的文件（Executable and Linkable Format，可执行可链接文件格式），包括可以被执行的文件和可以被链接的文件（如目标文件 .o，可执行文件 .exe，共享目标文件 .so），有其固定的格式。
# 链接
由汇编程序生成的目标文件并不能被立即执行，还需要通过链接器（Linker），将有关的目标文件彼此相连接，使得所有的目标文件成为一个能够被操作系统载入执行的统一整体。
例如在某个源文件的函数中调用了另一个源文件中的函数；或者调用了库文件中的函数等等情况，都需要经过链接才能使用。 链接处理可以分为两种：
静态链接：直接在编译阶段就把静态库加入到可执行文件当中去。优点：不用担心目标用户缺少库文件。缺点：最终的可执行文件会较大；且多个应用程序之间无法共享库文件，会造成内存浪费。
动态链接：在链接阶段只加入一些描述信息，等到程序执行时再从系统中把相应的动态库加载到内存中去。优点：可执行文件小；多个应用程序之间可以共享库文件。缺点：需要保证目标用户有相应的库文件。
# 载入
加载器（Loader）会将可执行文件的代码和数据加载到内存（虚拟内存）中，然后跳转到程序的第一条指令开始执行程序。
说起来只是装载到内存中去那么简单的一句话，可是其实要是展开来说，会涉及到整个操作系统的内存管理。
可执行文件载入内存的过程可以概括为以下几步：
- 给进程分配虚拟内存空间；
- 创建虚拟地址到物理地址的映射，创建页表；
- 加载代码段和数据段等数据，即将硬盘中的文件拷贝到物理内存页中，并在页表中写入映射关系；
- 把可执行文件的入口地址写入到 CPU 的 指令寄存器（PC）中，即可执行程序。
# CPU的组成
CPU是由四大部分所构成的：寄存器、控制器、运算器、时钟。
寄存器
CPU内部的内存，程序加载进CPU内部的寄存器中从而被用来解释和运行。
控制器
计算机的指挥中心，负责决定执行程序的顺序，给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令。
运算器
计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。
时钟
它是处理操作的最基本的单位，影响着指令的取出和执行时间。
# 南桥&北桥
北桥其实就是一个计算机结构，准确地说是一个芯片，它连接的都是高速设备，通过PCI总线，把cpu、内存、显卡串在一起
南桥就要慢很多了，连接的都是鼠标、键盘、硬盘等这些“穷慢”亲戚，它们之间用ISA总线串在一起。
# CPU 执行程序的过程如下
第一步，CPU 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总线」将指令数据传给 CPU，CPU 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到「指令寄存器」。
第二步，「程序计数器」的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由 CPU 的位宽决定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数器」的值会自增 4；
第三步，CPU 分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给「逻辑运算单元」运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」执行；
简单总结一下就是，一个程序执行的时候，CPU 会根据程序计数器里的内存地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。
CPU 从程序计数器读取指令、到执行、再到下一条指令，这个过程会不断循环，直到程序执行结束，这个不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期。
现代大多数 CPU 都使用来流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流水线
四个阶段的具体含义：
CPU 通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为 Fetch（取得指令）；
CPU 对指令进行解码，这个部分称为 Decode（指令译码）；
CPU 执行指令，这个部分称为 Execution（执行指令）；
CPU 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为 Store（数据回写）；
