21 | 运行时机制：突破现象看本质，透过语法看运行时
该思维导图由 AI 生成，仅供参考
程序运行的环境
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程序的运行机制是计算机领域中的重要知识，对于想要深入了解底层机制的工程师来说尤为重要。本文从程序运行的环境和过程两个方面展开讲解。首先，程序运行的环境主要涉及CPU、内存和操作系统，其中CPU的寄存器和高速缓存对程序执行机制和优化有着密切关系。其次，程序运行的过程包括程序与硬件和操作系统的互动，以及程序需要遵守的约定。文章通过介绍CPU和内存的关系、内存的管理和使用策略，以及程序与操作系统的微妙关系，深入解析了程序运行的环境和过程。对于想要深入了解程序运行机制的读者来说，本文提供了宝贵的知识和视角。 文章首先介绍了程序运行的细节，包括程序加载到内存、活动记录和栈桢的概念，以及栈桢的设计和作用。接着从全局角度看整个运行过程，讲解了代码区存储代码、指令执行过程和栈桢的释放。最后，总结了程序运行的环境和过程，强调了CPU、内存和操作系统的重要性，以及程序执行的顺序和栈桢的动态创建和释放。 总的来说，本文通过深入浅出的方式介绍了程序运行的环境和过程，为读者提供了全面的知识和视角。读者可以从中了解程序与CPU、内存和操作系统的交互，以及栈桢的设计和作用，从而更好地理解程序的运行机制。
《编译原理之美》，新⼈⾸单¥59
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鹏置顶宫老师讲的真好！一直以来，都有一种强烈的信念！要学编译原理，要学这种在日新月异的信息技术领域里“亘古不变”的技术原理，以不变应万变。上半年学习了极客时间出的“深入浅出计算机组成原理”，在这一节正好排上用场，对程序运行时机制有了更深入的理解。作者回复: 对的。 计算机的组成原理、编译器的基本架构等等内容，其实半个世纪也没有太大的变化，是比较稳定的。并且，真正做一些深入的工作的时候，这些知识仍然非常有价值。
2019-10-2510
Gopher写的真好，一下子就听懂了(￣∀￣) 内存布局： 指令数据，分而治之； 自下而上，由静至动； 栉比鳞次，序从中来。作者回复: 你不光代码写得好，文采也很好。 新东方的三驾马车之一的王强说到，好的代码就像诗歌一样优美。写完代码要站在远处欣赏一下 :-)
2019-10-0912
刘強文章里说操作系统还会自动维护栈。 但我觉得栈的维护是有程序或者编译器来维护的。操作系统只是给程序（进程）分配了栈的起始地址而已，剩下的进栈和出栈操作，都是预先编译好的push和pop指令来完成的。不知理解的对不对。作者回复: 栈这个东西，如果深入看一下，其实涉及得还挺多的。 操作系统的介入，主要原因是内存管理。因为你的程序所使用的内存，并不是物理内存，都是虚拟出来的。在你使用栈的时候，操作系统要帮你把逻辑的内存映射到物理的内存上去。只不过这个过程对程序是透明的。是CPU和操作系统之间协作完成的。 具体细节是：当你push一个新的变量到栈里的时候，如果超出了当前可用的物理内存，CPU会产生一个page fault（缺页错误），操作系统这个时候介入，调度一页新的物理内存过来。 你可以查看Intel的手册，看看push指令的说明，里面有介绍。关于page fault，你可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/Page_fault 当然，如果你的程序直接运行在裸机上，没有使用操作系统，那就没有操作系统什么事了。直接在裸机上编程叫做bare metal programming，在有些领域很有用。 总结起来，栈的管理，与CPU、内存和你的代码都有关。
2019-11-0528
wolfie“控制链接”和“上一帧的%rbp的值”两者分列返回地址的两边，它们是怎样的关系？作者回复: 控制链接通常是指向上一级作用域的函数对应的栈桢，用于查找上一级作用域中变量的值，它不一定是前一个栈桢。 比如，有两个函数，foo和bar，他们都是在全局作用域中声明的，而在foo里调用了bar。那么，bar的控制链接是指向全局作用域（的栈桢），可以访问全局变量，而不是指向foo（的栈桢）。
2020-12-1325
sunbird一节一节，看的根本停不下来。看过才发现，自己根本不会计算机。比MOOC上那些顶尖名牌大学的教授讲的好太多了！！！ 有几个问题还是想的不太明白，麻烦宫老师在***有时间的时候***帮忙解惑一下，不胜感激。 1.这个栈是操作系统维护的栈吗？ 2.这个栈和数据结构中的栈有什么区别？ 3.这个栈是每个程序一个，还是所有的程序共用一个？ 4.这个栈是和进程绑定的吗？ 5.多线程的时候，每个线程都有自己的方法栈，和这个栈是一个吗？如果不是，他们之间有什么区别？ 6.栈为什么是高地址向低地址的延伸？栈顶在高地址还是低地址？栈寄存器指向的是栈顶吗？作者回复: 谬赞了！ 回答一下你的问题： 1.是的，栈是操作系统维护的，所以会降低程序维护内存的负担。但缺点是函数退出后栈里的内存就自动收回，这点是跟堆的区别。 2.数据结构中的栈是一个普遍的概念，可以用在很多地方。内存管理是栈的一个具体应用。 3.在现在操作系统中，是每个线程一个栈。如果一个进程里面有多个线程，那就有多个栈。 另外，如果程序是支持协程的，有些实现机制也会给协程提供单独的栈，用来维护协程的状态。但协程的栈一般是由程序的运行时或库来支持的，而不是由操作系统来维护的。 4.同上，栈是跟线程绑定的。 5.同上，每个线程有自己单独的栈。 6.栈从高地址到低地址延伸，这个时候栈顶是低地址。对于这个问题，没有什么特别的道理，只是一个设计决定而已。并且，并不是所有的架构都这样设计，有的设计恰好是反向的。栈寄存器的设计也是跟具体架构相关的。对于比较新的x86架构来说，我们一般只需要一个指向栈顶的栈寄存器即可。但，由于调用约定通常要向下兼容，所以生成的程序通常也要用到一个寄存器指向栈底。 对于上述问题，我想额外指出几点： 1.上述具体实现，跟CPU架构和操作系统二者都有关系，不是死的。编译器在实现的时候，要生成针对具体架构的代码。不要认为这些都是一成不变的。 2.在《编译原理实战课》中，对于运行时有更多的介绍，比如栈和线程的关系，协程的机制等等。你可以参考。
2020-11-215
吴小智太赞了，老师一文道破计算机专业本科生四年需要学的 70% 专业领域的知识，底层知识扎实很重要。作者回复: 谬赞了。 不过学习编译原理，确实会用到计算机学科的多方面的知识，如形式语言、数据结构和算法、计算机组成、操作系统等。这也不奇怪，因为你要让一门语言跑起来，就是要涉及方方面面。
2020-01-085
曾经瘦过使用的java 语言。java是运行在jvm虚拟机里面的，是便以为jvm所需的机器码 基本的过程和这个是差不多的。看了这一篇专栏之后 发现基础知识的用处真的很多，操作系统 组成原理 用处真多。作者回复: 对呀。既然学计算机嘛，就搞到根本上去，心里会比较踏实。而且说实话，基础原理并不多，也不易变。反倒上层各种类库、框架，层出不穷，天天更新。这两头哪边学起来更辛苦，真不一定！
2019-10-094
westfall像js这种非编译性语言又是怎么跑起来的呢？作者回复: 通常，是要通过一个解释器来执行。而解释器执行的一般是中间代码，比如java和python的字节码。 还有一种情况，就是把js快速编译成机器码，然后执行。因为是快速编译，所以不够优化，代码体积也比较大，但好处是编译时间很短，可以马上跑起来。如果一段代码经常被执行，就意味着这个热代码，那么就进行优化编译，产生更好的代码。这就是早期JavaScript引擎做编译的流程。但最新的v8引擎，采用的是一个解释器（ignition）加一个优化编译器（turbofan）的结构，看上去跟JVM很像，都是一个解释器加一个优化编译器。 我在第二季《编译原理实战课》的运行环境这一讲，增加了栈机和寄存器机这两种虚拟机的介绍。另外，也有对v8编译器的分析。你可以去看看。
2020-05-213
阿辉老师说的真好，通过老师的讲解，运行时的机制主要是操作作系统系统级别，那编译器起的主要作用是？我们通常所说的runtime到底指的是什么？和vm,engine之类的有啥区别啊？作者回复: 当我们谈论一门语言的时候，通常三个组成部分是必不可少的：编译器、运行时和标准库。此外，一般还要加上一些工具，比如模块管理工具、调试工具等等。 运行时，顾名思义，就是你编写的程序在运行的时候所需要的那些软件。这个定义比较泛，所以在Windows系统中，把一些标准库也称作运行时，因为确实是在Windows上运行软件所必须的。 而虚拟机，则是比较复杂的那种运行时，典型代表是HotSpot虚拟机和V8虚拟机，它们为程序的运行、内存管理、并发等都提供了支持，程序可以无缝地在解释执行和运行本地代码之间切换、适时地启动自动编译机制等。 你可以看出，这种级别的运行时和操作系统的功能有很多相似之处。比如，要做好内存的管理，其实你需要对操作系统的内存管理也了解得比较深，并使它们二者良好的配合。并发也是如此。
2021-04-152
微秒老师你好，想问下你在文中说的静态数据期的地址在编译时就确定，这里的地址是虚拟地址，还是实际内存地址。作者回复: 应用程序能够看到的地址，都是操作系统虚拟出来的，除非你直接运行在裸机上。
2020-03-162
