计算机原理101: 程序是如何运行的
《计算机底层的秘密》读书笔记 + GPT问答整理
引子
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello, world!\n");
return 0;
}
你用刚学的C语言写了一段hello word， 编译， 运行， 成功在屏幕print了出来。这背后都隐藏了哪些细节呢？ 让我们通过一个个的问题来探索。
1.这段代码是如何被CPU识别的？
CPU只能识别0、1这样的机器码， 所以我们先用编译器把上边的代码编译成机器码
C源码 → 预处理 → 编译 → 汇编 → 链接 → 可执行文件 → 加载进内存 → CPU执行
| 阶段 | 描述 | 工具 | 处理后的文件 |
|---|---|---|---|
| 源码 | C代码 | .c 文件 | .c |
| 预处理 | 宏展开、引入头文件 | gcc -E | .i |
| 编译 | 翻译成汇编代码 | gcc -S | .s |
| 汇编 变成机器码 | （目标文件） | gcc -c | .o |
| 链接 | 连接库、生成可执行文件 | gcc | .exe |
| 执行 | 操作系统加载、CPU执行 | ./hello | .exe |
2.汇编成机器码后是如何被CPU执行的？
机器码（指令）被加载到内存后， CPU根据程序计数器来从内存获取对应的指令执行。
3.CPU内部常见的寄存器及其功能有哪些？
1. 通用寄存器（General Purpose Registers）
用于临时保存数据、操作数、中间结果。 x86（32位）示例：
- EAX：累加器（加法、乘法等默认使用）
- EBX：基址寄存器
- ECX：计数器（如循环次数）
- EDX：数据寄存器 64位版本：如 RAX, RBX, RCX, RDX RISC 架构（如 RISC-V、MIPS）：通常有 16~32 个通用寄存器（如 x0 ~ x31）
2. 专用寄存器（Special Purpose Registers）
| 名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 程序计数器（PC） | 存储下一条将被执行的指令地址（也叫 Instruction Pointer，如 x86 中的 EIP/RIP） |
| 指令寄存器（IR） | 存储当前正在执行的指令 |
| 栈指针（SP） | 指向当前栈顶的位置 |
| 基址指针（BP） | 用于栈帧定位 |
| 状态寄存器/标志寄存器（FLAGS 或 PSW） | 储存运算结果的状态标志（如零标志 ZF、进位标志 CF、溢出标志 OF） |
4.CPU能执行的操作有哪些？
一、数据传输指令（Data Transfer）
用于在寄存器、内存、I/O 设备之间移动数据。
- MOV：数据在寄存器和内存之间传送
- LOAD / STORE：从内存读取或写入数据
- PUSH / POP：数据入栈 / 出栈
- IN / OUT：和I/O设备交换数据
二、算术运算指令（Arithmetic Operations）
执行基本的数值运算。
- ADD：加法
- SUB：减法
- MUL / DIV：乘法 / 除法
- INC / DEC：自增 / 自减
三、逻辑运算指令（Logical Operations）
执行位级或逻辑运算。
- AND, OR, XOR, NOT
- SHL / SHR：逻辑左移 / 右移
- CMP：比较两个数
四、控制转移指令（Control Flow）
用于改变程序的执行顺序。
- JMP：无条件跳转
- JE / JNE / JG / JL / JZ / JNZ：条件跳转（例如判断相等、不等、大于、小于、是否为零等）
- CALL / RET：调用子程序 / 返回
- LOOP：循环指令（部分架构提供）
五、处理器控制指令（Processor Control）
控制CPU状态、标志、权限等。
- HLT：停机
- NOP：空操作，占用时钟但不做任何事
- INT：中断请求
- CLI / STI：关闭 / 开启中断
5.CPU 如何处理多个程序？
CPU执行多个程序时， 需要在不同程序间切换， 切换的时候还需要保存Context（程序计数器， 各个寄存器的值等等）
操作系统解决了这个问题， 并创建了进程的地址空间来保存Context。
当你启动一个进程（如运行一个 .exe 文件），操作系统会为这个进程分配： ▶️ 一整块虚拟地址空间，包含以下区域：
| 区域 | 说明 |
|---|---|
| 栈区（Stack） | 函数调用、参数、局部变量 |
| 堆区（Heap） | 存储动态分配的内存（如 malloc） |
| 数据区（Data） | 存储全局变量、静态变量 |
| 代码区（Text） | 存储程序的指令（如 main()） |
| 文件描述符表 | 打开的文件、Socket、设备等 |
| 内存映射段（MMap） | 映射的库文件（如 libc）等 |
6.操作系统和其它程序有什么区别， 以及操作系统是如何启动的呢？
| 比较项 | 操作系统（OS） | 普通程序（应用程序） |
|---|---|---|
| 权限级别 | 拥有最高权限（内核态 / Ring 0） | 权限受限（用户态 / Ring 3） |
| 运行位置 | 常驻内存核心区域（内核空间） | 动态加载，运行于用户空间 |
| 功能 | 管理硬件资源、调度程序、提供接口 | 执行特定业务逻辑，如 Word、浏览器 |
| 代码触发机制 | 主动接收中断或系统调用 | 被操作系统调度后执行 |
操作系统控制一切的执行和访问权限。普通程序不能直接访问硬件，都要通过操作系统提供的系统调用接口（例如 read()、malloc()、send()）进行.
调度流程
- CPU开机后最先运行的是操作系统内核代码（内核线程 / 中断服务程序）。
- 操作系统维护一个就绪队列（ready queue），里面是待执行的用户程序。
- 定时器发出中断（如每10ms），操作系统中断当前执行，进入内核态。
- 内核保存当前进程状态（寄存器、PC、栈等），切换到另一个进程（加载另一个程序的上下文），恢复执行。
- 所有用户程序看起来像是“独占CPU”，其实都被操作系统轮流调度。
操作系统是一个进程吗？
操作系统本身不是一个普通意义上的“进程”，而是一组运行在“内核态（kernel mode）”的代码。
操作系统不是一个单独的进程
- 操作系统是系统运行的 核心软件，包括内核、驱动、调度器、文件系统、内存管理等模块。
- 它运行在 内核态（Ring 0），拥有对 CPU、内存、硬件的完全控制权。
- 它不是用户态程序，也不是一个“能被调度的进程”。
操作系统是“怎么运行”的？
🔹 操作系统的核心组件（如 Linux Kernel、Windows NT 内核）：
- 在系统启动时由引导加载程序加载进内存
- 运行后一直常驻内存（代码 + 数据）
- 通过 中断、系统调用、定时器 机制响应用户程序的请求
- 不参与进程调度，而是“调度别人”
7.CPU是如何把计算结果写回内存和硬盘的？
CPU如何把结果写回“内存”？
▶️ 场景：某程序执行 a = b + c;
- CPU 从内存中读取变量 b 和 c 到寄存器
- 在 ALU（算术逻辑单元） 中执行加法
- 计算结果保存在通用寄存器中（如 RAX）
- 通过 MOV 指令把寄存器内容写回内存某地址（即变量 a 所在的内存）
CPU如何把结果写回“硬盘”？
❗重点：CPU 不能直接访问硬盘！ 写入硬盘的过程必须通过操作系统 + I/O控制器 + 缓冲机制来完成，过程如下： ▶️ 示例：程序执行 fwrite(data, size, 1, file);
- CPU调用操作系统提供的系统调用（如 write() 或 fwrite()）
- 操作系统内核将数据从内存复制到内核缓冲区
- 操作系统通过磁盘驱动程序向磁盘控制器（如 SATA/NVMe）发送写指令
- 磁盘控制器将数据写入磁盘特定扇区（通过 DMA 或中断方式）
- 完成后通知CPU写操作完成（通过中断）
中间过程使用了：
- 文件系统（如 NTFS/ext4）决定写到哪
- 磁盘缓存/缓冲区 暂存数据
- DMA（Direct Memory Access） 减少CPU负担
- 系统调用（syscall） 跨越用户态 → 内核态
8. Python的程序是如何运行起来的， 和C#， C， C++， Go， Java的区别是什么？
Python 本质上是解释执行的语言（非原生编译），会将 .py 编译为 .pyc（字节码），由解释器执行。
| 语言 | 编译/解释 | 运行方式 | 中间步骤/虚拟机 | 性能 |
|---|---|---|---|---|
| Python (CPython) | 解释为主 | .py → .pyc → PVM执行 |
✅ Python虚拟机（PVM） | ❌ 慢（受GIL限制） |
| C | 编译 | .c → .exe（机器码） → 直接运行 |
❌ 无虚拟机 | ✅ 原生快 |
| C++ | 编译 | .cpp → .exe → 直接运行 |
❌ 无虚拟机 | ✅ 原生快 |
| Java | 编译+解释 | .java → .class（字节码） → JVM解释/编译执行 |
✅ JVM（JIT+GC） | ✅ 快（JIT优化） |
| C# | 编译+解释 | .cs → IL（中间语言） → CLR执行 |
✅ .NET CLR（JIT） | ✅ 快（靠近Java） |
| Go | 编译 | .go → 可执行文件 → 直接运行 |
❌ 无虚拟机 | ✅ 快，部署简单 |
