不懂底層的程式設計師不是好程式設計師，解密程式碼在電腦中運行原理

• 2019 年 12 月 26 日
• 筆記

程式與電腦的關係

還記得Windows的CMD嗎？只需向這個黑框框輸入指令，電腦即可做出相對應的響應。其實電腦的運行本身就是依靠向CPU下達一條一條的指令，並使電腦按指令運行。電腦指令就是指揮機器工作的指示和命令，程式就是一系列按一定順序排列的指令，執行程式的過程就是電腦的工作過程。

電腦的核心就是CPU，其作用就如同人類的心臟。

電腦基本架構

想要了解程式如何在電腦中運行，以及C/C++編程中設計的記憶體、地址、指針等概念，就必須要先了解電腦的基本架構；

電腦架構

CPU中主要由暫存器、時鐘、CU（控制單元）、ALU（算術邏輯單元）

時鐘：是對 CPU 內部操作與系統其他組件進行同步。

CU：協調參與機器指令執行的步驟序列。

ALU：執行算術運算以及邏輯運算。

CPU 通過主板上 CPU 插座的引腳與電腦其他部分相連。分別連接至數據匯流排、控制匯流排和地址匯流排。

暫存器：暫存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的暫存器有指令暫存器(IR)和程式計數器(PC)。在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的暫存器有累加器(ACC)。在C++程式中向函數在實參傳遞時會將實參存入暫存器，需要反覆重複使用的變數也最好放到暫存器中。

記憶體存儲單元：狹義上的記憶體指的就是我們所說的記憶體條，但實際上 CPU 也不是直接操作記憶體的，因為其讀寫速度遠遠趕不上 CPU ，因此在記憶體和 CPU 之間還有「快取」，如一級快取、二級快取， CPU 讀取數據時操作的都是快取。記憶體主要用於在程式運行時保存指令與數據。它接受來自 CPU 的數據請求，將數據從隨機存儲器 (RAM) 傳輸到 CPU，並從 CPU 傳輸到記憶體。

Cache：在暫存器和記憶體中間還有存在著一個叫Cache的高速緩衝存儲器。由於CPU的運行速度遠高於記憶體讀寫速度，因此CPU如果直接從記憶體中存取數據就需要等待一定時間，但是Cache能保存著CPU剛用過或循環使用的一部分數據，這樣當下次CPU使用該部分數據時可從Cache中直接調用,這樣就減少了CPU的等待時間,提高了系統的效率。

四者之間的關係是：

CPU<->暫存器<->快取<->記憶體

程式碼執行流程

首先通過高級語言編寫的程式，需要通過編譯和鏈接翻譯成電腦能識別的指令：

比如這樣一行C語言程式碼：puts("VIP會員");，在電腦執行時卻是10110000 10101011 00110001 00011100 00110011 00111110 01010011 11110000；

編譯流程如圖：

編譯流程

程式執行的流程可以簡單歸納為：取指 (Fetch)、解碼 (Decode) 和執行 (Execute)

例如：要執行a = b +c；有兩個輸入操作數 (b 和 c)，—個輸岀操作數 (a)。

1、將編譯過程式碼讀取快取區

2、將程式碼編譯成電腦指令

3、CPU 從指令隊列區域取得指令，並立即增加指令指針的值。

4、CPU 對指令的二進位位模式進行解碼。這種位模式可能會表示該指令有操作數（輸入值）。

5、CPU 從暫存器和記憶體中取得操作數。這步可能會包含地址計算。

6、使用步驟 3 得到的操作數，CPU 執行該指令。同時更新部分狀態標誌位，如零標誌 (Zero)、進位標誌 (Carry) 和溢出標誌 (Overflow)。

7、輸出操作數，若輸出也是指令的一部分CPU 還需要存儲其結果操作數。

程式碼執行原理