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  • 一、计算机程序要明白程序是如何被计算机所执行的,首先要明白什么是程序?先看看一下几个问题:程序的概念?...机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言,指令是用0和1组成的一串代码,...

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    一、计算机程序
    要明白程序是如何被计算机所执行的,首先要明白什么是程序?先看看一下几个问题:程序的概念?
    程序(program)是为实现特定目标或解决特定问题而用计算机语言编写的命令序列的集合。为实现预期目的而进行操作的一系列语句和指令。一般分为系统程序和应用程序两大类。程序由什么组成?
    程序由数据和指令组成。什么是机器语言?
    机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言,指令是用0和1组成的一串代码,它们有一定的位数,并分成若干段,各段的编码表示不同的含义。运行中的程序存储在什么位置?
    程序加载时首先到寄存器中,寄存器会将程序复制到内存中从而进行存储,当程序运行时,CPU会把主从的程序的数据和指令调用到寄存器特定的位置,从而执行。什么是内存地址?
    内存地址指系统 RAM 中的特定位置,通常以十六进制的数字表示,如同计算机内部特定位置的编号。程序的解释和运行的计算机部件叫什么?
    CPU的控制器是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.,程序的解释和运行也是由CPU的控制器来完成。程序=指令+数据二、程序执行的过程
    当我们输入以下程序,编译运行,计算机从屏幕输出hello, world!。整个过程计算机都怎么运作的呢?

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    计算机内部存储的是0和1,计算机通过位信息以及上下文来解读这些0、1信息的。
    hellow,world是由0和1组成的序列,将这些程序代码转换成相应的文本字符,每8位表示一个字节,用来存储一个字符。
    hellow,world的ASCII码表示

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    因为我们输入的hellow,world是人可以阅读和编写的,但是机器并不能直接识别他们,我们需要把这些文字翻译成机器可执行的二进制文件,这一部分的工作是由编译系统完成的。编译系统由预处理器、编译器、汇编器、连接器四部分组成。以hello, world程序为例,各部分共同完成将源文件编译成二进制可执行文件。各个部分完成的具体工作如下:

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    预处理器:根据以#开头的命令,将包含的头文件加载进入源程序源程序。预处理器读取系统头文件stdio.h中的内容,代替此行内容。源程序经过预处理后,得到另一个c程序,此程序通常以.i为后缀保存。编译器:将预处理后的.i文件转换成汇编程序。编译器将不同的高级语言(如c语言,C++语言)转换成严格一致的汇编语言格式进行输出。汇编语言以标准的文本格式确切的描述每机器语言指令。编译器得到的文件通常以.s为后缀保存。汇编器:将汇编语言(.s文件)翻译成机器语言指令,并将这些指令打包成一种可定位目标程序格式。汇编后得到的文件即为二进制文件,通常以.o为后缀。链接器:hello, world程序中调用过printf函数,它是一个c标准库里的函数。Printf函数存放在一个名为printf.o的单独预编译的文件中。而这个文件必须以适当的方式并入到我们的程序中,这个工作由链接器完成。将外部的.o文件并入后,得到一个完整的hello, world可执行文件。可执行文件加载到存储器后,由系统复制执行
    程序加载进入CPU的过程

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    Shell:命令行解释器,当用户输入一行命令后,shell先判断它是不是一个shell内置命令,如果不是,shell会假定用户输入为一个可执行文件的名字,从而去加载并执行该文件。因此,当我们通过编译系统将源文件编译成可执行二进制文件后,在shell中输入我们得到的可执行二进制文件名,shell将其从磁盘中加载到主存当中,通过CPU进行解释运行,最终通过终端设备(屏幕)将他显示出来,程序运行结束。主存储器:简称主存,是处理器执行程序时用于临时存放程序及其数据。主存由一组动态随机存储器芯片组成。运算器:计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。控制器: 计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。三、CPU组成
    CPU是由四大部分所构成的:寄存器、控制器、运算器、时钟。寄存器
    CPU内部的内存,程序加载进CPU内部的寄存器中从而被用来解释和运行。控制器
    计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令。运算器
    计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。时钟
    它是处理操作的最基本的单位,影响着指令的取出和执行时间
    CPU中的主要寄存器

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    累加寄存器(AC) :主要进行加法运算。
    标志寄存器(PSW) :记录状态,做逻辑运算。
    程序计数器(PC) :是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。
    基址寄存器(BX) :储存当前数据内存开始的位置。
    变址寄存器 :储存基质寄存器的相对位置。
    通用寄存器(GPRs):支持有所的用法。
    指令寄存器(IR) :CPU专用,储存指令。
    堆栈寄存器(SP) :记录堆栈的起始位置。
    寄存器寄存器是中央处理器内主要组成结构成分,它是CPU当中有限存贮容量的高速存贮部件,它在工作时能将计算机指令数据进行暂时的存储。内存地址=基质+变址
    处理器读取并解释存储在寄存器中的指令

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    处理器的操作主要是围绕程序计数器、算术/逻辑运算单元、主存来进行运作的。处理器首先从PC所指向的主存存储单元读取指令,解释指令中的位,执行该指令指示的简单操作,然后更新PC寄存器,使其指向下一条要执行的指令。CPU会执行的操作有:

    • 加载:把一个字节或一个字从主存复制到寄存器,覆盖掉寄存器中原来的值。
    • 存储:把一个字节或一个从寄存器复制到主存,并覆盖主存中原来的值。
    • 操作:把两个寄存器的内容复制到ALU,ALU对两个字做算术运算后存回其中的一个寄存器,该寄存器中原来的值会被覆盖。
    • 跳转:从cpu执行的指令抽取一个字的内容存入PC,覆盖掉原来的值,从而改变下一条要执行的指令,达到跳转的目的。

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    hellow,world程序首先被加载,从磁盘中复制到寄存器中,寄存器hwllow,world程序复制到主存中进行存储。程序运行过程中,CPU执行hellow,world机器令,指令的结果是将”hellow,world”字符由内存复制到寄存器,寄存器再将结果复制到显示设备上显示出来。最后送你配套的编程视频教程:

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    1、什么是v8?V8是JavaScript虚拟机的一种,可以理解为一个翻译程序,将人类能够理解的编程语言翻译成机器能够理解的机器语言。(用来执行js代码)a640fd787003a19b7e71c95bff0966da.png市面上有多种JavaScript引擎:spiderMonkey、V8、JavaScriptCore在v8之前,所有JavaScript虚拟机都是采用解释执行的方式。V8引入了即时编译,混合编译执行和解释执行两种手段,给JavaScript的执行速度带来极大的提升。V8还引入了惰性编译、内联缓存、隐藏类等机制。进一步优化的JavaScript的编译执行速度。22eda966f7e5f8595812422176b2fabb.png2、高级语言为什么先编译后执行(CPU怎么执行机器代码的)?可以把CPU看成是非常小的运算机器。我们可以通过二进制指令和CPU进行通信。比如给CPU发出1000100111011000的二进制指令,这条指令的意思是将寄存器中的数据移到另一个寄存器。CPU只能识别二进制指令所以需要一个汇编编译器,将汇编代码转为机器代码。002979d56893edf9e4195e90581f7615.png但是汇编语言依然是复杂繁琐的。首先,不同的CPU有着不同的指令集。所以你需要为每种架构的CPU编写特定的汇编代码。c5021801da2aca74cedfd375e53e033c.png在编写汇编代码时,我们需要了解和处理器架构相关的硬件知识。比如需要寄存器、内存、操作CPU等。因此需要一种屏蔽计算机架构细节的语言。能适应多种CPU的架构语言。比如C、C++、JavaScript、Java、C#、python和汇编语言一样,处理器不能识别高级语言。通过两种方式来执行这些代码。第一种是解释执行。需要将输入的源代码通过解析器编译成中间代码,之后直接使用解释器解释执行中间代码,然后直接输出结果。9c9573aa01628b5edc7223b37e0be08e.png第二种是编译执行。也需要将源代码转为中间代码,然后编译器再将中间代码编译成机器代码。通常编译成的机器代码是二进制形式存在的。需要执行这段程序直接执行二进制文件就可以了。还可以使用虚拟机将编译后的机器代码保存在内存中,直接执行内存中的二进制代码。8420f3d039ae17e66a9d2b9f6ae1df8b.png3、v8是如何执行一段JavaScript代码的?其主要核心流程是编译和执行两步。首先将JS代码转换为低级中间代码或者机器能够理解的代码,然后再执行并输出结果。可以把V8看做是虚拟机,模拟实际计算机的各种功能来实现代码的执行。比如:模拟实际计算机的CPU、堆栈、寄存器等。V8采用混合编译执行和解释执行两种手段。称为JIT(just in time)因为这两种各有各自的优缺点。解释执行的启动速度快,但执行速度慢。而编译执行的启动速度慢,执行速度快。22eda966f7e5f8595812422176b2fabb.png首先,在v8启动执行js之前,需要准备执行时的准备环境,包括堆空间、栈空间、执行上下文、消息循环系统、内置函数等。些内容都需要在执行JavaScript过程中需要的。比如:JavaScript全局执行上下文就包含了执行过程中的执全局信息,比如内置函数、全局变量等。全局作用域就包含了一些全局变量,在执行过程中数据都需要保存在内存中。V8采用了堆和栈的内存管理方式,所以v8还需要初始化内存中的堆和栈结构。另外还需要初始化消息循环系统,它如同v8的心脏,不断接受消息,并处理。基础环境准备好后,接下来就可以向v8提交需要执行的代码了。结构化源代码,生成抽象语法树(AST),即便于v8理解的结构。同时生成相关的作用域,作用域中存放变量。接下来生成字节码。是介于机器码和AST的中间代码。解释器可以执行解释执行字节码。在解释执行的过程中,如果发现某一段代码被重复多次执行,那么就会这段代码标记为热点代码。V8会将这段字节码丢给优化编译器,优化编译器会把字节码编译为二进制代码,然后再对二进制代码进行优化,优化后的二进制代码执行效率会大幅提升。但是和静态语言不同,JavaScript是动态语言,对象的结构和属性是可以在运行期间任意修改的,而优化后的代码只针对某种固定结构,一旦在执行过程中,对象的结构被动态修改了,那么优化后的代码势必变成无效的代码。这时候就要优化编译器执行反优化操作,下次执行就退回解释器解释执行。总结:1、初始化基础环境;2、解析源码生成 AST 和作用域;3、依据 AST 和作用域生成字节码;4、解释执行字节码;监听热点代码;5、优化热点代码为二进制的机器代码;6、反优化生成的二进制机器代码。4、v8为什么又要引入字节码?机器代码缓存0908ef2a77009fcf52872484cf2f7365.png从图中可以看出,编译所消耗的时间和执行所消耗的时间是差不多的,试想一下,如果在浏览器中再次打开相同的页面,当页面中的 JavaScript 文件没有被修改,那么再次编译之后的二进制代码也会保持不变, 这意味着编译这一步白白浪费了 CPU 资源,因为之前已经编译过一次了。这就是 Chrome 浏览器引入二进制代码缓存的原因,通过把二进制代码保存在内存中来消除冗余的编译,重用它们完成后续的调用,这样就省去了再次编译的时间。V8 使用两种代码缓存策略来缓存生成的代码。
    • 首先,是 V8 第一次执行一段代码时,会编译源 JavaScript 代码,并将编译后的二进制代码缓存在内存中,我们把这种方式称为内存缓存(in-memory cache)。
    • 将代码缓存到硬盘上,这样即便关闭了浏览器,下次重新打开浏览器再次执行相同代码时,也可以直接重复使用编译好的二进制代码。
    5d5b4c929e40432c7e1f4f413a70deaf.png字节码降低内存占用V8 在执行 JavaScript 代码的过程中,会将 JavaScript 代码转换为未经优化的二进制代码,你可以对照下图中的 JavaScript 代码和二进制代码的:b68858699dbd7f2157d51819997041aa.png二进制代码所占用的内存空间是 JavaScript 代码的几千倍,V8 团队为了提升 V8 的启动速度,采用了惰性编译,其实惰性编译除了能提升 JavaScript 启动速度,还可以解决部分内存占用的问题。c108df065b45f8f3e4f8044c02de9a93.png根据惰性编译的原则,当 V8 首次执行上面这段代码的过程中,开始只是编译最外层的代码,那些函数内部的代码,如下图中的黄色的部分,会推迟到第一次调用时再编译。为了解决缓存的二进制机器代码占用过多内存的问题,早期的 Chrome 并没有缓存函数内部的二进制代码,只是缓存了顶层次的二进制代码,比如上图中红色的区域。如果浏览器只缓存顶层代码,那么闭包模块中的代码将无法被缓存,而对于高度工程化的模块来说,这种模块式的处理方式到处都是,这就导致了一些关键代码没有办法被缓存。所以采取只缓存顶层代码的方式是不完美的,V8 团队对早期的 V8 架构进行了非常大的重构,具体地讲,抛弃之前的基线编译器和优化编译器,引入了字节码、解释器和新的优化编译器。131f349e8a5bcff9eded2cd92ce0c6e6.png从图中可以看出,字节码虽然占用的空间比原始的 JavaScript 多,但是相较于机器代码,字节码还是小了太多。有了字节码,无论是解释器的解释执行,还是优化编译器的编译执行,都可以直接针对字节来进行操作。由于字节码占用的空间远小于二进制代码,所以浏览器就可以实现缓存所有的字节码,而不是仅仅缓存顶层的字节码。虽然采用字节码在执行速度上稍慢于机器代码,但是整体上权衡利弊,采用字节码也许是最优解。字节码如何提升代码启动速度?87632b6461a2ebacb1ba2193b9e066d2.png从图中可以看出,生成机器代码比生成字节码需要花费更久的时间,但是直接执行机器代码却比解释执行字节码要更高效,所以在快速启动 JavaScript 代码与花费更多时间获得最优运行性能的代码之间,我们需要找到一个平衡点。解释器可以快速生成字节码,但字节码通常效率不高。字节码如何降低代码的复杂度?8ec5bde10e14a35a6ca1d6cb137e8042.png这意味着基线编译器和优化编译器要针对不同的体系的 CPU 编写不同的代码,这会大大增加代码量。引入了字节码,就可以统一将字节码转换为不同平台的二进制代码,你可以对比下执行流程:ae5e2705573a65126d2db502c815ba04.png因为字节码的执行过程和 CPU 执行二进制代码的过程类似,相似的执行流程,那么将字节码转换为不同架构的二进制代码的工作量也会大大降低,这就降低了转换底层代码的工作量。总结:不过随着移动设备的普及,V8 团队逐渐发现将 JavaScript 源码直接编译成二进制代码存在两个致命的问题:
    • 时间问题:编译时间过久,影响代码启动速度;
    • 空间问题:缓存编译后的二进制代码占用更多的内存。
    这两个问题无疑会阻碍 V8 在移动设备上的普及,于是 V8 团队大规模重构代码,引入了中间的字节码。字节码的优势有如下三点:
    • 解决启动问题:生成字节码的时间很短;
    • 解决空间问题:字节码占用内存不多,缓存字节码会大大降低内存的使用;
    • 代码架构清晰:采用字节码,可以简化程序的复杂度,使得 V8 移植到不同的 CPU 架构平台更加容易。
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  • 但在硬件层面编程非常麻烦,所以程序员想要一种更通用的方法编程,一种"更软的"媒介,没错,我们要讲软件!前面我们一步步讲了一个简单程序,第一条指令在内存地址 0:0010 1110,之前说过,前 ...

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    计算机基础课第 26 期分享

    转载请联系授权(微信ID:qianpangzi0206)

    01

    从硬件到软件

    之前我们把重点放在硬件 - 组成计算机的物理组件,比如电,电路,寄存器,RAM,ALU,CPU。但在硬件层面编程非常麻烦,所以程序员想要一种更通用的方法编程,一种"更软的"媒介,没错,我们要讲软件!

    前面我们一步步讲了一个简单程序,第一条指令在内存地址 0:0010 1110,之前说过,前 4 位是操作码,简称 OPCODE。对于这个假设 CPU,0010 代表 LOAD_A 指令,把值从内存复制到寄存器 A,后 4 位是内存地址,1110 是十进制的 14。所以这 8 位表达的意思是 "读内存地址 14,放入寄存器 A"

    只是用了两种不同语言,可以想成是英语摩尔斯码的区别,"Hello" 和 ".... . .-.. .-.. —",都是"你好"的意思,只是编码方式不同。英语和摩尔斯码的复杂度也不同,英文有 26 个字母以及各种发音,摩尔斯码只有"点"和"线",但它们可以传达相同的信息,计算机语言也类似。

    计算机能处理二进制,二进制是处理器的"母语",事实上,它们只能理解二进制,这叫"机器语言"或"机器码"。

    02

    伪代码

    在计算机早期阶段,必须用机器码写程序,具体来讲,会先在纸上用英语写一个"高层次版"。

    举例:"从内存取下一个销售额,然后加到天、周、年的总和,然后算税"等等...这种对程序的高层次描述,叫 "伪代码"

    在纸上写好后,用"操作码表"把伪代码转成二进制机器码,翻译完成后,程序可以喂入计算机并运行。

    你可能猜到了,很快人们就厌烦了,所以在 1940~1950 年代,程序员开发出一种新语言, 更可读更高层次,每个操作码分配一个简单名字,叫"助记符"。"助记符"后面紧跟数据,形成完整指令。与其用 1 和 0 写代码,程序员可以写"LOAD_A 14"。我们在前面用过这个助记符,因为容易理解得多!

    03

    汇编器

    当然,CPU 不知道 LOAD_A 14 是什么,它不能理解文字,只能理解二进制,所以程序员想了一个技巧,写二进制程序来帮忙,它可以读懂文字指令,自动转成二进制指令,这种程序叫汇编器。汇编器读取用"汇编语言"写的程序,然后转成"机器码","LOAD_A 14" 是一个汇编指令的例子。

    随着时间推移,汇编器有越来越多功能,让编程更容易,其中一个功能是自动分析 JUMP 地址,这里有一个前面用过的例子:注意, JUMP NEGATIVE 指令跳到地址 5,JUMP 指令跳到地址 2。问题是,如果在程序开头多加一些代码,所有地址都会变,更新程序会很痛苦。

    所以汇编器不用固定跳转地址,而是让你插入可跳转的标签。当程序被传入汇编器,汇编器会自己搞定跳转地址,程序员可以专心编程,不用管底层细节,隐藏不必要细节来做更复杂的工作,我们又提升了一层抽象。

    然而,即使汇编器有这些厉害功能,比如自动跳转,汇编只是修饰了一下机器码。一般来说,一条汇编指令对应一条机器指令,所以汇编码和底层硬件的连接很紧密。

    汇编器仍然强迫程序员思考  用什么寄存器和内存地址,如果你突然要一个额外的数,可能要改很多代码让我们想一想。

    我们将在下一节讲。

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    进行逻辑分析

    我们要得到一个数字的二进制中含有几个1,我们就必须对二进制的每一个数字的位进行一个“遍历”,由于有32位,所以我们要进行32次循环,哪一位为1,则1的数量加1,执行32次(在此我们要创建一个变量进行计数),最核心的就是如何判断这一位是不是1,我们举个例子:15的补码是000…1111含有4个1,现在我们要得到第一位1,我们可以使其他位为0,只保留最后一位1,因此我们可以与上一个1,结果得到1,如果该二进制位不是1而是0,则与1相与,则为0,所以这个可以作为我们判断该二进制位是否为1的条件,我们得到了,第一位,我们如何得到第二位呢,这里我们可以采用右移操作,这里注意,此时这个数字虽然右移一位,但是本身并没有被改变,所以我们还需要重新赋值,如:(a = a >> 1)

    代码如下
    int main()
    {
        int a = 0;
        int i = 0;
        int count = 0;
        printf("请输入一个数\n");
        scanf("%d", &a);
        for (i = 0; i < 32; i++)
        {
            if (a & 1 == 1)
            {
                count++;
                a = a >> 1;
            }
        }
        printf("%d\n", count);
        system("pause");
        return 0;
    }

    这里写图片描述

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  • 复习Java基础

    2021-03-08 16:33:46
    Java语言的特点 简单易学 面向对象(封装 继承 多态) 安全可靠 支持多线程 支持网络编程 平台无关 ...第一步是通过javac编译成为.class 文件 在通过JVM解释成二进制机器码运行 因为JVM对字节码是
  • 单片机在选用语言上共进化了三次:二进制机器码→汇编语言→C语言。下面来说说 二、早期的二进制机器码 最早期的时候,CPU也很简单,指令集很少,二进制位数也不多。那时候编译器也没被发明,编程语言也没被发明,...
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  • 在计算机早期,必须用机器码写程序,一般会先对程序进行高层次的功能描述,称为伪代码(Pseudo-code),只是助于程序员理解,无法让计算机运行,然后根据指令表将伪代码转换成二进制机器码,然后将机器码送入计算机...
  • 机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。这种指令集,称机器码(machine code),是电脑的CPU可直接解读的数据。它是计算机的设计者通过计算机的硬件结构赋予计算机...
  • 假如女人是一种编程语言    计算机语言的实质其实是为了让人类能够更好与计算机打...而爱情和情爱也可以看成是1和0组成的二进制机器码。 假如女人是一种编程语言,也许每个男人心中都有自己最喜欢的那一个吧?...
  • PS:这篇博文是一个技术群的码农写的,这哥们真有才,根据我对星座的看法,比喻得很靠谱,特转如下: 计算机语言的实质其实是为了让人类能够更好...而爱情和情爱也可以看成是1和0组成的二进制机器码。 假如女人是...

空空如也

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二进制机器码编程