计算机底层知识之运行环境&可执行文件

前端柒八九

发布于 2022-12-19 21:37:34

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发布于 2022-12-19 21:37:34

文章被收录于专栏：柒八九技术收纳盒

❝学习，说到底是一个「学」和「练」，以及学以致用的过程 ❞

大家好，我是「柒八九」。

今天，我们继续「计算机底层知识」的探索。我们来谈谈关于「运行环境&可执行文件」的相关知识点。

如果，想了解该系列的文章，可以参考我们已经发布的文章。如下是往期文章。

文章list

你能所学到的知识点

❝

运行环境 = 操作系统 + 硬件 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
不同操作系统的API不同 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
Java 虚拟机 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️
BIOS和引导 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️
计算机只能运行本地代码 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
本地代码的内容 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
编译器负责转换源代码 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
DLL文件及导入库 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
可执行文件运行时的必要条件 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
程序加载时会生成栈和堆 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

❞

好了，天不早了，干点正事哇。

运行环境 = 操作系统 + 硬件

「应用软件」能够运行，是需要依赖指定的运行环境的。而运行环境是「操作系统」和「计算机硬件」两者的综合。也就是说「操作系统」和「硬件」决定了程序的运行环境。

这就是说明了，从应用市场上下载软件是，一般都需要按照你「自身本地」的操作系统而选择对应的软件包。

❝CPU只能解释其「自身固有」的「机器语言」 ❞

不同的CPU能解释的机器语言的种类也是不同的。例如，CPU品牌分为Intel和AMD两种；，它们各自的机器语言是完全不同的。

「机器语言」的程序称为本地代码Native Code。程序员用C/Java等编写的程序，在「编写阶段」仅仅是「文本文件」。

文本文件（排除文字编码问题）在「任何环境」下都能显示和编辑。我们称之为「源代码」

❝通过对源代码进行「编译」，就可以得到本地代码 ❞

不同操作系统的API不同

同样机型的计算机，可安装的操作系统类型也会有多种选择。也就意味着，应用软件则必须根据不同的操作系统类型来专门开发。

CPU的类型不同，所对应的机器语言也不同，同样的道理，「操作系统的类型不同，应用程序向操作系统传递指令的途径也是不同的」。

应用程序向操作系统传递指令的途径称为「API」(Application Programming Interface)。Windows及Unix系列操作系统的API，提供了任何应用程序都可以利用的「函数组合」。

因为不同操作系统的API是有差异的，因此，将同样的应用程序移植到其他操作系统时，就必须重写应用中利用到API的部分。

在同类型操作系统下，不管硬件如何，API基本上没有差别。因此，针对某特定操作系统的API所编写的程序，在任何硬件上都可以运行。

当然，由于CPU种类不同，机器语言也不相同，因此本地代码也不同。这种情况下，就需要利用能够生成各CPU专用的本地代码的「编译器」，来对源代码进行重新编译。

❝程序（本地代码）的运行环境是由操作系统和硬件来决定的 ❞

Java 虚拟机

Java能够提供「不依赖于特定硬件及操作系统」的程序运行环境。

针对Java有两个层面。一是作为「编程语言」,另一个是作为「程序运行环境」。

同其他编程语言相同，Java也是将Java语法记述的「源代码」编译后运行。不过，编译后生成的「并不是特定CPU使用的本地代码」，而是名为「字节代码」的程序。

字节代码的运行环境被称为「Java虚拟机」（Java Virtual Machine）。

❝Java虚拟机是一边把Java字节代码逐一准换成本地代码，一边运行的。 ❞

「编译器」将程序员编写的「源代码」(xx.java)转换成「字节代码」（xx.class）。而Java虚拟机(java.exe)则会「把字节代码变成本地CPU适用的本地代码」，然后由本地CPU负责实际的处理。

从操作系统方面来看，Java虚拟机是一个应用，而从Java应用来看，Java虚拟机就是运行环境。

BIOS和引导

程序的运行环境中，存在着名为「BIOS」(Basic Input/Output System)的系统。

❝BIOS存储在ROM中，是预先「内置」在计算机主机内部的程序。 ❞

BIOS除了键盘、磁盘、显卡等基本控制程序外，还有启动「引用程序」的功能。

❝「引导程序」是存储在「启动驱动器」起始区域的小程序。 ❞

开机后，BIOS会确认「硬件是否正常运行」，没有问题的话就会启动「引导程序」。引导程序的功能是把在硬盘等记录的OS加载到内存中运行。

源代码完成后，就可以编译生成「可执行文件」了。负责实现该功能的是「编译器」。

计算机只能运行本地代码

假设我们通过「高级语言」（语言类型不限），编写一个把123和456的平均值289.5显示出来。

function Main(){
  let ave;
  ave = (123 + 456)/2;
  alert(ave);
}

类似上述的代码，用「某种」编程语言编写的程序被称为「源代码」，保存源代码的文件被称为「源文件」。用JS编写的源文件的扩展名通常是.js。

上述的源代码是无法直接运行的。这是因为，CPU能直接解析并运行的不是源代码而是「本地代码」的程序。作为计算机大脑的CPU，也「只能解释已经准换成本地代码的程序内容」。

本地这个术语有母语的意思。「对CPU来说，母语就是机器语言，而转换成机器语言的程序就是本地代码」。用任何编程语言编写的源代码，最后都要翻译成本地代码，否则CPU就不能理解。也就是说，「即使是用不同编程语言编写的代码，转换成本地代码后，也都变成用同一种语言（机器语言）来表示」。

本地代码的内容

Windows中EXE文件的程序内容，使用的就是本地代码。本地代码的内容是人类无法理解的，也正是因为如此，才有了用人类容易理解的C语言等编程语言来编写源代码，然后再将源代码转换成本地代码。

我们可以把EXE文件的内容Dump一下。Dump是指把文件的内容，每个字节用2位十六进制数来表示的方式。本地代码的内容就是各种数值的罗列，而这些数值就是本地代码的真面目。每一个「数值」都表示某一个命令或数据。

本地代码Dump之后的样子

编译器负责转换源代码

能够把C/Java等高级编程语言编写的源代码准换成本地代码的程序称为「编译器」。每个编写源代码的编程语言都需要其「专用」的编译器。将C语言编写的源代码转换成本地代码的编译器称为C编译器.

❝编译器首先读入代码的内容，然后再把源代码转换成本地代码。 ❞

编译器中就好像有一个源代码同本地的对应表。但实际上，仅仅靠对应表是无法生成本地代码的。读入的源代码还要经过「语法解析」、「句法解析」、「语义解析」等才能生成本地代码。

根据CPU类型不同，本地代码的类型也不同。因此，编译器不仅和编程语言的种类有关，和CPU的类型也是相关的。「同样的源代码就可以翻译成适合不同CPU的本地代码」。

因为「编译器本身也是程序的一种，所以也需要运行环境」。例如，有Windows用的C编译器、Linux用的C编译器等。此外，还有一种「交叉编译器」，它生成的是和运行环境中的CPU不同的CPU所使用的本地代码。

仅靠编译是无法得到可执行文件

编译器转换源代码后，就会生成本地代码。不过，本地文件是无法直接运行的。为了得到可以运行的EXE文件，编译之后还需要进行「链接」操作。

我们拿C语言在Windows环境下举例。

编译后生成的不是EXE文件，而是扩展名为.obj的「目标文件」。xx.c编译后，就生成了xx.obj目标文件。虽然目标文件的内容是本地代码，但却无法直接运行。其原因就是「当前程序还处于未完成状态」。

把多个目标文件结合，生成1个EXE文件的处理就是「链接」，运行链接的程序就是链接器Linkage Editor。

DLL文件及导入库

Windows以「函数的形式」为应用提供了各种功能。这些形式的函数称为「API」(Application Programming Interface,应用程序接口)。

Windows中,API的目标文件，并不是存储在通常的库文件中，而是存储在名为「DLL」(Dynamic Link Library)文件的特殊库文件中。「DLL文件是程序运行时动态结合的文件」。

与此相反，存储着目标文件的实体，并直接和EXE文件结合的库文件形式称为「静态链接库」

可执行文件运行时的必要条件

❝EXE文件是作为「单独的文件」存储在硬盘中的。通过资源管理器找到并双击EXE文件，就会把EXE文件的内容加载到内存中运行。 ❞

这里有一个疑问？本地代码在对程序中记述的变量进行读写时，是参照数据存储的内存地址来运行命令的。在调用函数时，程序的处理流程就会跳转到存储着函数处理内容的内存地址上。EXE文件作为本地代码的程序，并没有指定变量及函数的「实际内存地址」。在类似于Windows操作系统这样的可以加载多个可执行程序的运行环境中，每次运行时，程序内的变量及函数被分配到的内存地址都是不同的。

那么，在EXE文件中，变量和函数的内存地址的值，是如何来表示的呢？

那就是EXE文件中给变量和函数分配了「虚拟的内存地址」。在程序运行时，「虚拟的内存地址会转换成实际的内存地址」。