CPU對(duì)我們來說既熟悉又陌生，熟悉的是我們知道代碼是被CPU執(zhí)行的，當(dāng)我們的線上服務(wù)出現(xiàn)問題時(shí)可能首先會(huì)查看CPU負(fù)載情況。陌生的是我們并不知道CPU是如何執(zhí)行代碼的，它對(duì)我們的代碼做了什么。本文意在簡(jiǎn)單解釋我們代碼的生命周期，以及代碼是如何在CPU上跑起來的。

編譯-讓計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)我

一個(gè)漂亮 control c 加上一個(gè)漂亮的 control v，啪～，我們愉快的寫下了代碼，當(dāng)代碼被保存后，它就被存在我們磁盤的某個(gè)地方，它可能是像java或者python這些高級(jí)語(yǔ)言寫的，也可能是像c這種古老語(yǔ)言寫的，但是現(xiàn)在它肯定沒法被運(yùn)行，因?yàn)橛?jì)算機(jī)不認(rèn)識(shí)它們，計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)0、1這樣的二進(jìn)制，簡(jiǎn)稱機(jī)器碼，那為什么我們不直接寫機(jī)器碼？如果你有這樣的思考，我只能呵呵了，請(qǐng)你幫我翻譯下以下機(jī)器碼：

001010100101001001001
100100101000101010101
很明顯作為高質(zhì)量人類的我們也無法識(shí)別出這段代碼寫的是什么，于是出現(xiàn)類似java這樣的高級(jí)語(yǔ)言，它們給機(jī)器碼穿上了一層外衣，然后交給偉大的程序員來創(chuàng)造未來。

所以反過來我們的代碼需要被替換成機(jī)器碼，這樣才能被計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)，計(jì)算機(jī)才能幫我們干事。這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程我們通常叫「編譯」。

#include
int main()
{
printf("Hello World\n");
return 0;
}
這是一段應(yīng)該每個(gè)程序員都寫過的代碼（hello.c），在Linux下，當(dāng)我們使用GCC來編譯Hello World程序時(shí)，只需要最簡(jiǎn)單的命令：

gcc hello.c
./hello
# Hello World
看似很簡(jiǎn)單的一行，但是其實(shí)編譯的過程很復(fù)雜，并不是我們想象中的編譯，真實(shí)是分為4個(gè)步驟，分別是預(yù)處理(Prepressing)、編譯(Compliation)、匯編(Assertmbly)和鏈接(Linking)。

預(yù)編譯：這個(gè)過程主要是處理源代碼中以“#”開始的預(yù)編譯指令，比如“#include”、“define”等。

編譯：這個(gè)過程就是把預(yù)處理完的文件進(jìn)行詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析及優(yōu)化后生產(chǎn)成相應(yīng)的匯編代碼，這個(gè)過程是最復(fù)雜的。

匯編：這個(gè)過程就是將匯編代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼，也就是上圖的目標(biāo)文件hello.o

鏈接：我們的代碼程序經(jīng)常是由多個(gè)代碼文件組成的，當(dāng)每個(gè)文件都被匯編成“.o”文件時(shí)，需要一套機(jī)制將它們「組裝」在一起，這個(gè)過程就叫做鏈接。

好吧，原來編譯是這么回事，通過這一整套的編譯操作，我們代碼終于能執(zhí)行了，我們簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的運(yùn)行

./hello.out即可輸出Hello World。等等，這個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的過程發(fā)生了什么？

連接-中轉(zhuǎn)站和高速公路

ok，ok，通過編譯，我們的程序終于能執(zhí)行了，接下來讓我們站在CPU的視角來看看Hello World是如何被打印出來的。

首先編譯好的文件是存在磁盤上的，得先加載到內(nèi)存中，這里你可能會(huì)問：為什么CPU不能直接讀取磁盤的程序運(yùn)行而要經(jīng)過內(nèi)存？答案是慢，緩慢的磁盤會(huì)影響我們程序執(zhí)行的速度，因此需要更加快速、離CPU更近的存儲(chǔ)，那就是內(nèi)存。

內(nèi)存是一大塊存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)很多數(shù)據(jù)信息，那么如何找到我們要寫的程序呢？答案是地址，其實(shí)每個(gè)字節(jié)在內(nèi)存中都有一個(gè)地址，這樣當(dāng)CPU去內(nèi)存中讀我們的程序時(shí)，只需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的地址就可以知道我們程序的具體內(nèi)容。

等等...，這里似乎又有個(gè)問題，CPU是如何與我們的內(nèi)存、磁盤通信的？應(yīng)該有個(gè)媒介之類的吧。沒錯(cuò)，這個(gè)媒介就是主板上的總線和芯片組，總線好理解，就像高速公路，數(shù)據(jù)信息可以通過這條高速公路傳遞到CPU中，這個(gè)芯片組是個(gè)什么玩意？電腦主板上芯片很多，這里說的主要是南橋芯片和北橋芯片。先來個(gè)解釋：

北橋芯片：北橋負(fù)責(zé)高速設(shè)備和CPU之間的溝通，主要就是CPU和內(nèi)存、顯卡之間的通信，但是隨著技術(shù)的迭代，主板上的北橋芯片已經(jīng)被內(nèi)置到了CPU里了。

南橋芯片：南橋負(fù)責(zé)低速設(shè)備和北橋之間的通信，主要負(fù)責(zé)I/O總線之間的通信，如USB、LAN、ATA、SATA、音頻控制器、鍵盤控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器、高級(jí)電源管理等。

嗯... 為什么CPU與高速設(shè)備、低速設(shè)備之間的通信需要這兩個(gè)芯片？CPU自己不能干嗎？這里還是類似拆分任務(wù)的功能，如果把所有的任務(wù)都交給CPU來處理，CPU會(huì)太忙了，還有比較重要的一點(diǎn)，如果南橋芯片壞了，那么我們可以直接更換南橋，而不用換掉整個(gè)CPU。

終于CPU通過總線和芯片打通了磁盤、內(nèi)存之間的通信了，接下來的一切開始交給CPU。

CPU-最強(qiáng)大腦

CPU全稱是Central Processing Unit，即中央處理單元，它的本質(zhì)就是一塊超大規(guī)模的集成電路。從邏輯上來分，它的內(nèi)部是由寄存器、控制器、運(yùn)算器和時(shí)鐘組成的，下面來解釋下各個(gè)組成是干什么的。

• 寄存器：CPU內(nèi)部其實(shí)有很多類型的寄存器，我們只需了解寄存器就是暫存數(shù)據(jù)、指令等信息的，它的本質(zhì)是臨時(shí)存儲(chǔ)，由于是直接集成在CPU內(nèi)部，所以讀寫它們的速度很快，一般一個(gè)CPU內(nèi)部會(huì)有20-100個(gè)寄存器，這里給大家列舉下常用寄存器與其功能。

  
  

• 累加寄存器：存儲(chǔ)執(zhí)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算后的數(shù)據(jù)
• 標(biāo)志寄存器：存儲(chǔ)運(yùn)算處理后的CPU的狀態(tài)
• 程序計(jì)數(shù)器：存儲(chǔ)下一條指令所在內(nèi)存的地址
• 基址寄存器：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)存的起始地址
• 變址寄存器：存儲(chǔ)基址寄存器的相對(duì)地址
• 通用寄存器：存儲(chǔ)任意數(shù)據(jù)
• 指令寄存器：存儲(chǔ)指令，CPU內(nèi)部使用，程序員無法通過程序?qū)υ摷拇嫫鬟M(jìn)行讀寫操作
• 棧寄存器：存儲(chǔ)棧區(qū)域的起始地址
• 控制器：控制器負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)讀出或者寫入寄存器，并根據(jù)指令的結(jié)果來控制計(jì)算機(jī)。

  
  

• 運(yùn)算器：從名字就可以猜出來，運(yùn)算器的主要工作就是運(yùn)算，運(yùn)算從內(nèi)存讀入寄存器的值

  
  

• 時(shí)鐘：它并不是我們見的鐘表概念，它代表了你的CPU的工作頻率，頻率越高說明你的CPU處理的速度越快，但是越快就會(huì)帶來另一個(gè)問題：散熱。

  
  

綜上所述，CPU的大致工作流程如下：在時(shí)鐘信號(hào)到來的時(shí)候，就開始工作，通過控制器把內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到各個(gè)寄存器中，然后如果有計(jì)算相關(guān)的邏輯，就交給運(yùn)算器。發(fā)現(xiàn)沒有，CPU的工作其實(shí)挺簡(jiǎn)單的，本質(zhì)就是不停的讀指令、執(zhí)行指令。但是CPU是如何讀到我們的代碼指令的，以及我們的代碼里面的if else、函數(shù)調(diào)用都是如何執(zhí)行分支判斷、函數(shù)跳轉(zhuǎn)的，我們來看個(gè)例子：

a = 1 #0x0010
b = 2 #0x0011
if a > b { #0x0012
printf("%s","a") #0x0013
} else {
add(a,b) #0x0014
}
printf("%s","end") #0x0017

func add(int a,int b) { #0x0020
return a b
}
這是段非常簡(jiǎn)單的偽代碼，有分支判斷、有函數(shù)跳轉(zhuǎn)。我們來從CPU的角度看看它是如何執(zhí)行的：

首先每段程序都有個(gè)開始的地址0x0010，也就是CPU讀取程序的入口

把a(bǔ)=1這個(gè)數(shù)字讀入通用寄存器中，程序計(jì)數(shù)器（PC寄存器）自動(dòng)加1，即指向下一條指令 0x0011

指令寄存器拿到程序計(jì)數(shù)器的指令地址，把b=2這個(gè)數(shù)字讀入通用寄存器中，程序計(jì)數(shù)器（PC寄存器）自動(dòng)加1，即指向下一條指令0x0012

指令寄存器發(fā)現(xiàn)此處是比較邏輯，會(huì)執(zhí)行a-b，此時(shí)可能會(huì)有三個(gè)結(jié)果分別是大于0，等于0，小于0，然后把這個(gè)結(jié)果存到標(biāo)志寄存器里，這里有個(gè)小知識(shí)，我們經(jīng)常說的是CPU是64位或者32位，其實(shí)也表示了標(biāo)志寄存器的長(zhǎng)度

很明顯，a是小于b的，CPU根據(jù)標(biāo)志寄存器的狀態(tài)值應(yīng)該跳轉(zhuǎn)到else里面，注意這時(shí)程序計(jì)數(shù)器的值不是加1，而是設(shè)置成else的地址 0x0014，當(dāng)執(zhí)行到0x0015的時(shí)候，需要發(fā)生函數(shù)跳轉(zhuǎn)，程序計(jì)數(shù)器會(huì)被設(shè)置成 0x0020，但是這里并不是簡(jiǎn)單的函數(shù)跳轉(zhuǎn)（專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做call），因?yàn)樵诤瘮?shù)執(zhí)行完畢之后，還要返回，也就是程序計(jì)數(shù)器需要從0x0020再變成0x0017。call執(zhí)行的時(shí)候會(huì)把后續(xù)要執(zhí)行的指令地址0x0017存到棧中。

當(dāng)我們的add函數(shù)執(zhí)行完畢之后，會(huì)有個(gè)return，return的時(shí)候會(huì)把上一步驟存入棧中的地址0x0017寫入程序計(jì)數(shù)器中

指令寄存器根據(jù)程序計(jì)數(shù)器當(dāng)前的地址執(zhí)行最后的打?。╡nd），結(jié)束。

順序執(zhí)行的指令代碼，程序計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)累加（當(dāng)然不一定累加的是1），然后找到下一條要執(zhí)行的指令。

分支判斷的時(shí)候，程序計(jì)數(shù)器不是簡(jiǎn)單的累加地址，需要地址的跳轉(zhuǎn)。

函數(shù)調(diào)用不僅僅需要跳轉(zhuǎn)地址，還要把函數(shù)執(zhí)行完畢之后要執(zhí)行的地址存下來，方便折回繼續(xù)執(zhí)行。

其實(shí)還有個(gè)循環(huán)執(zhí)行，也就是我們代碼中的for、while之類的，這時(shí)程序計(jì)數(shù)器會(huì)不停的在某些地址之間來回切換。