Linux系统学习笔记：运行程序

Linux系统学习笔记：运行程序

       前面对Linux系统的使用做了大体上的介绍。从本篇开始，我们进入第二部分：Linux系统中程序是如何运行的。本篇先总体介绍一下相关的内容，接下来会详细展开。

Contents

• 编译系统
• 运行程序
• 操作系统

编译系统

在Linux系统上，程序由编译系统从源文件转化为可执行目标文件。编译系统包括四部分：预处理器、编译器、汇编器和链接器。程序源文件首先由预处理器（ cpp ）修改（输出 .i 文件），然后由编译器（ cc1 ）翻译成汇编程序（ .s 文件），接下来汇编器（ as ）将它翻译打包为可重定位目标程序（ .o 文件），最后由链接器（ ld ）并入库函数所在的预编译目标文件得到可执行文件，后两个文件是二进制的。

编译系统

了解编译系统的好处是可以：优化程序性能，理解链接时出现的错误，避免安全漏洞。

后面的讨论基于gcc 4.4.5编译环境。使用 gcc 的 -v 选项可以查看程序编译的整个过程。

在shell中执行可执行程序时，shell调用操作系统中的加载器函数，它复制可执行文件中的代码和数据到存储器，然后将控制转移到程序的开头。

运行程序

为了理解程序运行时计算机做了什么，有必要了解一下计算机的硬件组成。下图给出了计算机的一个硬件组成抽象。

系统的硬件组成

总线是贯穿整个系统的一组电子管道，它携带信息字节并负责在各部件之间传递，一般传递的信息被设计成定长的字节块，称为字（注意不是编程中的字的概念）。

I/O设备是系统和外界联系的通道，图上包括键盘、鼠标、显示器和磁盘。I/O设备通过控制器（主板上的芯片组）或适配器（板卡）和I/O总线连接起来。

主存储器在执行程序时用来存放程序和程序处理的数据，它是一个临时存储设备，由一组DRAM（动态随机访问存储器）组成，物理上一般是内存。

处理器是解释（执行）存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是程序计数器，它是个字长大小的存储设备。寄存器堆是个小存储设备，由一些字长大小的寄存器组成。ALU计算新的数据和地址值。CPU执行的操作主要有：

• 加载，主存到寄存器。
• 存储，寄存器到主存。
• 更新，将两个寄存器的内容放到ALU中，相加，然后结果保存到一个寄存器中。
• I/O读，I/O设备到寄存器。
• I/O写，寄存器到I/O设备。
• 跳转，从指令中抽取一个字存到PC中。

执行程序时，典型地先从键盘输入，到达寄存器堆，然后存储在主存中；接下来利用DMA技术（直接存储器访问技术）从磁盘将可执行文件读到主存中；最后主存中程序的输出加载到寄存器，再发送到显示器上。

处理器和主存之间存在巨大的速度差距，为解决这一矛盾，在计算机中设计了高速缓存存储器L1和L2，它们是用一种SRAM（静态随机访问存储器）的技术实现的。寄存器是L1的高速缓存，L1是L2的高速缓存，L2是主存的高速缓存，主存是磁盘的高速缓存，磁盘可能还是一些网络存储的高速缓存。从寄存器到磁盘，存储量更大、更便宜，但同时也更慢。

操作系统

程序并不会直接访问硬件，而依靠操作系统的服务。操作系统为应用程序提供了统一的接口，同时也防止了对硬件的滥用。

系统的分层视图和操作系统提供的抽象

进程是操作系统对运行程序的一种抽象，操作系统保存进程运行所需的状态信息，称为上下文。系统上可以同时运行多个进程，称为并发运行，实际上进程的指令是交错执行的，即上下文切换。

现代系统中，进程由多个称为线程的执行单元组成，线程运行在进程的上下文中，共享同样的代码和全局数据。

虚拟存储器是为每个进程提供的存储的抽象，使每个进程看到的存储器是一致的，称为虚拟地址空间。基本思想是把进程的虚拟存储器的内容存储在磁盘上，然后用主存作为磁盘的高速缓存。

文件就是字节序列，因此I/O设备都可以看作文件。文件的概念使程序可以统一地对待系统中的各种I/O设备。

链接: http://www.yeolar.com/note/2012/03/13/linux-program/