操作系统，CPU，编译器，运行时库，系统调用的关系 之 编译器篇

操作系统，CPU，编译器，运行时库，系统调用。这是计算机科学中相对高大上的几个概念，许多科班出身的码农甚至也搞不清楚一个简单代码执行过程中，哪块是操作系统控制，哪块是编译器控制，CPU到底扮演了何种角色，什么是运行时库。

思考问题，我们首先要把握宏观，掌握好了大致情况，然后再对自己感兴趣的节点做深入分析。这是一种很实用的思考问题的方式，不会让你陷入“局部最优解”，更重要的是，它可以让你更深刻地理解问题的本质，遇到困难时不致迷茫。本文将梳理计算机科学中一些基本的概念，我们将沿着程序从出生到消亡的脉络，探讨CPU，探讨编译器，探讨操作系统和运行时库，以此来深入理解计算机系统。

编译器

         编译器绝对是计算机科学中殿堂级的领域，能够写编译器的都是大牛中的大牛，笔者依稀记得自己本科做编译原理大作业的情境，那4张8K的纸愣是没有画出一个简单语言的语法状态转移图。今天，我们不谈编译器原理，只关注其作用。编译器是高级语言到机器语言的转换器。当你洋洋洒洒地写完一万行代码时，那些struct、if、while除了你和C编译器看得懂外，没人能看得懂了，机器也不例外。机器只能看懂01码，编译器就是负责把源代码翻译成01码的。Windows下.exe后缀的程序就是一串01码，linux下你的a.out也是01码，但是01码绝对不止这些，linux下的.o和windows下的.dll也都是01码，只不过这些01码不能直接执行，而是由a.out和.exe程序调用。

         这就是编译器了，其实你只要记住它是高级语言到机器语言的转换器即可，这种工作在现实生活中叫：翻译。有了编译器，你的思想就结晶为01码了。

         没有这么简单，我们还要再深入一层。都知道程序包括代码和数据，对于代码其实我们能有个感官的认识，这主要因为大家基本都学过汇编语言，代码汇编的层面基本都转化为mov，jmp，add等指令了，相信许多人也写过类似代码，但是数据呢？编译器如何“编译”数据？

         你该鄙视我了：数据这东西怎么能“编译”呢？是的，数据确实不是编译的，你可以说它被编译器“安置”在一个位置上，但是对于数据的理解绝对不止此。首先全局变量和局部变量有着重大的差别，还有就是那些看似简单但是充满着智慧的基本数据类型（int，short，double等），还有就是老生常谈的字符串！    

 

全局变量和局部变量

         最终的可执行文件以01码存储，这点已经确定。分析一个典型的可执行文件，以ELF文件（Linux下可执行文件）为例，发现最终的01码主要包括以下几个部分：静态数据区，代码区，字符串常量区等等。其中你的全局变量就是存放在ELF文件的静态数据区，代码就是存放在代码区，而像以如下方式声明的字符串“hello world1”则是存储在了字符串常量区：

                                                                                    char *str  ="hello world1";

         还有局部变量。记住，在可执行文件的01码当中，不会有局部变量的位置，这是因为局部变量是放到了程序的栈空间中。说到了栈，栈仅仅是在程序运行的时候才会有的概念，所以在编译器产生的01码中，不会有类似于“局部变量区”的分块。趁热打铁。以上我们解决了代码的安置、全局变量以及字符串的安置，那么局部变量是怎么安置的呢，它总不会无缘无故地就出现了吧。所谓的局部变量就是在函数内部定义的变量，比如以下函数：

                                                            int func{    int a;    char b[2];}

        其中，a和b都是局部变量，局部变量位于该函数的栈空间中。比如，当调用函数func时，程序的堆栈将会是如下的状态：

        由于栈是一个动态的结构，只有在程序执行的时候才会涉及，所以a和b变量肯定在是程序执行过程中产生的。所以已经不难理解了，每一个子函数汇编代码的初始部分肯定会有一个压栈的过程，上例中是压入1个int和2个char。子函数中的对a和b的引用都被关联到栈上的这块区域。所以，局部变量和全局变量有着本质的不同：全局变量在01码中就存在了，是静态的，而局部变量在01码中还仅仅是一些push变量，是动态的；全局变量将伴随整个程序执行过程，而局部变量生命期只是短短的子函数执行时间。

基本数据类型

       几乎所有C语言教科书的入门章节都是基本数据类型，在这里我们不谈那些强数据类型与弱数据类型的差别了，来点干货。为什么要说数据类型？源于我自己的一个疑惑。学计算机这几年中，每当遇到数据类型的问题，我耳边总是充斥着各种各样的声音：数据类型和编译器相关，数据类型和操作系统相关，数据类型和CPU相关，数据类型和平台相关。数据类型到底和什么相关？

         不妨挨个来分析。首先数据类型肯定和CPU相关，比如32位和64位CPU的sizeof（char*）返回值就不一样，说明由于CPU的不同数据的类型有很大的不同。和编译器肯定也是相关的，数据类型不但包括该类型所占内存的大小，还包括对于该种类型所施加的操作（这个定义和C++中的类很像，除了数据还应该有函数）。在数据类型的转换操作中，不同编译器的行为很是不一样。比如unsigned char类型强转long类型，有些编译器就可能会把long多出来的3个byte分别赋值为0xFF，而有些编译器则会将这3个byte赋值为0x00。这样，同一个操作在不同的编译器上产生了不同的行为与结果，而这些行为都是对应程序静态的01码的，所以数据类型与编译器也是相关的。对于操作系统，由于它也仅仅是一个程序而已，是一个“政府程序”，本身构建于CPU之上，所以不能说数据类型与操作系统相关。

         好，分析到这里，我基本上是得出了一个结论，那就是数据类型是和CPU、编译器相关，这就是某些人所谈到的平台。至于操作系统，我们姑且把它当作一个和普通程序无异的程序吧，只不过它手里握有资源。

         说到这里，编译器就说完了。是的，编译器用来产生01码，产生的过程中用到了各种智慧！在这个阶段，程序还是躺在硬盘上的一个代码，静静地等待执行。