运行helloworld程序，计算机做了什么？

#include <stdio.h>
int main(){
    printf("helloworld!");
}

当写下这个程序，点击运行⏯️

这个过程计算机做了什么

一、编译系统

1.1 编译过程

在Unix系统上，由编译器把源文件转化为目标文件

gcc -c -o hello.c hello.o
gcc -o hello.o hello

-o:output

它的具体过程如下：

• 预处理阶段：处理以 # 开头的预处理命令；
• 编译阶段：翻译成汇编文件；
• 汇编阶段：将汇编文件翻译成可重定位目标文件；
• 链接阶段：将可重定位目标文件和 printf.o 等单独预编译好的目标文件进行合并，得到最终的可执行目标文件。

1.2 目标文件

• 可执行目标文件：可以直接在内存中执行；
• 可重定位目标文件：可与其它可重定位目标文件在链接阶段合并，创建一个可执行目标文件，如静态链接；
• 共享目标文件：这是一种特殊的可重定位目标文件，可以在运行时被动态加载进内存并链接，如动态链接；

1.3 链接

编译的过程面向的是计算机，链接的过程面向的是人。如果没有链接，人们就不得不每次把需要用到的代码编译一遍，还需要自己在代码中填写相关的物理地址。

链接分为静态链接和动态链接。

1.3.1 静态链接

静态链接器以一组可重定位目标文件为输入，生成一个完全链接的可执行目标文件作为输出。链接器主要完成以下两个任务：

• 符号解析：每个符号对应于一个函数、一个全局变量或一个静态变量，符号解析的目的是将每个符号引用与一个符号定义关联起来。
• 重定位：链接器通过把每个符号定义与一个内存位置关联起来，然后修改所有对这些符号的引用，使得它们指向这个内存位置。

1.3.2 动态链接

静态库有以下两个问题：

• 当静态库更新时那么整个程序都要重新进行链接；
• 对于 printf 这种标准函数库，如果每个程序都要有printf的代码，这会极大浪费资源。

共享库是为了解决静态库的这两个问题而设计的，在 Linux 系统中通常用 .so 后缀来表示，Windows 系统上它们被称为 DLL。它具有以下特点：

• 在给定的文件系统中一个库只有一个文件，所有引用该库的可执行目标文件都共享这个文件，它不会被复制到引用它的可执行文件中；
• 在内存中，一个共享库的 .text 节（已编译程序的机器代码）的一个副本可以被不同的正在运行的进程共享。

二、操作系统

以中断控制方式为例

2.1 进程的创建

编译系统执行之后，会形成一个hello的可执行文件，windows下后缀是.exe

1. 用户告诉操作系统执行hello程序

2. 操作系统到外存找到该程序

3. 操作系统分配内存，将程序装入内存：当然这个过程当中还涉及到分页的一些内容

4. 为执行hello程序创建执行环境（创建新进程 ）

创建进程的准备工作：操作系统设置CPU上下文环境， 并跳到程序开始处

这个过程需要的主要寄存器是：

寄存器	含义	作用
PC	程序计数器	存放将要执行的指令地址
IR	指令寄存器	存放正在执行的指令
AC	累加器	临时存储体和累加操作

这里有两个主要问题：

• 指令：程序的执行并不是一条条语句，而是一条条指令，每条指令执行完CPU会检查是否发生中断

• CPU上下文：即程序计数器和累加器的值，在发生中断的时候，就要求硬件存储这两个值

2.2 进程的执行

1. 程序的第一条指令执行
2. 程序执行与printf对应的库函数、系统调用

产生系统调用，就会陷入内核态，执行内核的read函数

这个时候会提出I/O请求，同时这个hello程序就阻塞了

2.3 进程的阻塞

为什么会阻塞？

因为申请I/O的过程中需要进程等待，驱动程序需要写调用设备的状态寄存器，之后设备控制器需要进行输出的准备。大概过程是：

1. 操作系统分配设备：需要文件系统的按名访问来获得有关的信息，找到驱动程序
2. 执行显示驱动程序

在设备控制器进行准备的过程中，CPU调度新的进程来投入运行，这样能提高CPU的利用率，CPU与I/O系统并行工作

2.4 进程的唤醒

I/O完毕之后，CPU接收中断，处理中断，从而唤醒发出I/O请求的进程，这个时候hello进程就转为就绪态。

这个要注意，是就绪态，而不是直接就运行态，CPU处理完中断之后不一定执行hello进程

这个过程需要采用CPU的调度算法

三、计算机硬件

1. 将像素写入存储映像区(显存）
2. 视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）
3. 显示器发射电子束
4. 显示屏上出现 hello world

在程序的执行过程中还有磁盘读取的一些操作

3.1 磁盘读文件的过程

数据在扇区

• 逻辑编号，磁盘的逻辑地址转化为物理地址

  每个磁道分为很多扇区，用户文件的数据就存放在扇区上。获得扇区的编号：逻辑编号（也叫做磁盘的逻辑地址）操作系统需要把逻辑编号转换为物理地址。

  物理地址的构成：柱面号：半径相同的构成一个柱面；磁头号；扇区号

• 送寄存器的相关值

  函数需要得到柱面号、磁头号和起始扇区号。然后将三者放到固定的寄存器中去。一旦启动中断，就开始了硬件上文件的读操作。

  操作系统实质上在做什么？写寄存器、调用中断

3.2 设备控制器

主机I/O系统的结构是：

计算机 ------- I/O通道 -------- 控制器 ---------设备

设备控制器的共性部分：

I/O逻辑需要将命令和地址译码，驱动外设产生动作

参考

[1]：https://github.com/CyC2018/CS-Notes

[2]：https://my.oschina.net/hosee/blog/673628?p=%7b%7bcurrentPage+1%7d%7d