《程序员的自我修养》之体系结构

神奇的Hello World

不管哪一门语言，入门开篇首先映入眼帘的就是神奇的Hello World！以C语言为例：

#include <stdio.h>int main(){    printf("Hello World\n");    return 0;}

当然，我们每个人都知道，这段程序就是向我们打印出一行信息： Hello World。
但是，就这么一个看似简单的不能再简单的程序，却包含有太多我们所不知道，或者是不了解的玄机，比如：
1、 程序为什么只有编译后，才能执行？
2、 编译器在把C语言程序转换成可执行的机器码的过程中，做了什么，又是如何做到的？
3、 最后编译出来的可执行文件里面是什么？除了机器码还有什么？它们是如何存放的，如何组织的？
4、 #include stdio.h>是什么意思？有何作用？C语言库又是什么？它是如何实现的？
5、 不同的编译器（GCC、Microsoft VC）和不同的硬件平台（x86、MIPS、ARM）以及不同的操作系统（Windows、Linux、UNIX），它们最终编译出来的结果一样吗？为什么？
6、 Hello World程序是怎么运行起来的？操作系统是怎么装载它的？它从哪里开始执行，到哪里结束？main函数之前发生了什么？main函数结束之后又发生了什么？
7、 如果没有操作系统，Hello World可以运行吗？如果要在一台没有操作系统的机器上运行Hello World需要什么？应该怎样实现？
8、 printf是怎么实现的？它为什么可以由不定数量的参数？为什么它能够在终端上输出字符串
9、 Hello World程序运行时，它在内存中是什么样子的？

诸如以上这些问题，你知道多少，了解多少？？？？

下面带着这些问题，跟着《程序员的自我修养》的作者一起来探个究竟。

回顾计算机硬件组成结构

不同级别的程序员开发者对计算机硬件组成的关心程度各不一样，有的透彻，有的浅显。
1）系统程序开发人员：CPU、内存、I/O控制芯片
2）普通应用程序开发人员：主要关心CPU就够了
3）高级平台的开发人员（NET/Java/Python等）：连CPU都不关心，因为这些平台提供了一个通用的抽象的计算机，只关心这个抽象的计算机就可以了。

早期的CPU、内存以及I/O设备控制器都是直接连接在同一个总线（Bus）上的。

后来，为了协调CPU、内存和高速的图形设备，设计了北桥芯片，以便它们之间能够高速地进行数据交换。

由于北桥芯片运行速度非常高，如果将相对低速的设备也全部连到北桥芯片上，就会导致北桥芯片大材小用，从而南桥芯片应运而生，它是专门来处理哪些低速的设备，如：磁盘、USB、键盘、鼠标等，这些低速设备都连到南桥芯片上，然后由南桥芯片汇总后连接到北桥上。

20世纪90年底的PC在系统总线上采用的是PCI结构，在低速设备上采用的是ISA总线。

再看计算机软件体系结构

层与层之间的通信，必须有通信协议，一般称为接口（Interface）。

接口的下面那层是接口的提供者（用来定义接口），接口的上面那层是接口的使用者（使用该接口实现所需的功能）。

应用程序和开发工具处于同一层面，因为它们都使用同一个接口——操作系统应用程序编程接口（API， Application Programming Interface）
API的提供者是运行库（Runtime Library），Linux下的Glibc库提供POSIX的API，Windows的运行库提供Windows API，常见的Win32就是32位的Windows所提供的API。

运行库使用的接口是操作系统提供的系统调用接口（System Call Interface），以软件中断（Software Interrupt）的方式提供。

硬件是硬件接口的提供者（即：硬件定义硬件接口），硬件的接口定义决定了操作系统内科，即：驱动程序如何操作硬件，如何与硬件进行通信。