CPU对我们来说既熟悉又陌生，熟悉的是我们知道代码是被CPU执行的，当我们的线上服务出现问题时可能首先会查看CPU负载情况。陌生的是我们并不知道CPU是如何执行代码的，它对我们的代码做了什么。本文意在简单解释我们代码的生命周期，以及代码是如何在CPU上跑起来的。

编译-让计算机认识我

一个漂亮 control+c 加上一个漂亮的 control+v，啪～，我们愉快的写下了代码，当代码被保存后，它就被存在我们磁盘的某个地方，它可能是像java或者python这些高级语言写的，也可能是像c这种古老语言写的，但是现在它肯定没法被运行，因为计算机不认识它们，计算机只认识0、1这样的二进制，简称机器码，那为什么我们不直接写机器码？如果你有这样的思考，我只能呵呵了，请你帮我翻译下以下机器码：

001010100101001001001100100101000101010101

很明显作为高质量人类的我们也无法识别出这段代码写的是什么，于是出现类似java这样的高级语言，它们给机器码穿上了一层外衣，然后交给伟大的程序员来创造未来。

所以反过来我们的代码需要被替换成机器码，这样才能被计算机认识，计算机才能帮我们干事。这个转换的过程我们通常叫编译。

#include <studio.h>int main() {   printf("Hello World\n");   return 0;}

这是一段应该每个程序员都写过的代码（hello.c），在Linux下，当我们使用GCC来编译Hello World程序时，只需要最简单的命令：

gcc hello.c./hello# Hello World

看似很简单的一行，但是其实编译的过程很复杂，并不是我们想象中的编译，真实是分为4个步骤，分别是预处理(Prepressing)、编译(Compliation)、汇编(Assertmbly)和链接(Linking)。

预编译：这个过程主要是处理源代码中以“#”开始的预编译指令，比如“#include”、“define”等。编译：这个过程就是把预处理完的文件进行词法分析、语法分析、语义分析及优化后生产成相应的汇编代码，这个过程是最复杂的。汇编：这个过程就是将汇编代码转换成机器码，也就是上图的目标文件hello.o链接：我们的代码程序经常是由多个代码文件组成的，当每个文件都被汇编成“.o”文件时，需要一套机制将它们组装在一起，这个过程就叫做链接。

好吧，原来编译是这么回事，通过这一整套的编译操作，我们代码终于能执行了，我们简简单单的运行./hello.out即可输出Hello World。等等，这个简简单单的过程发生了什么？

连接-中转站和高速公路

ok，ok，通过编译，我们的程序终于能执行了，接下来让我们站在CPU的视角来看看Hello World是如何被打印出来的。

首先编译好的文件是存在磁盘上的，得先加载到内存中，这里你可能会问：为什么CPU不能直接读取磁盘的程序运行而要经过内存？答案是慢，缓慢的磁盘会影响我们程序执行的速度，因此需要更加快速、离CPU更近的存储，那就是内存。

内存是一大块存储空间，可以存储很多数据信息，那么如何找到我们要写的程序呢？答案是地址，其实每个字节在内存中都有一个地址，这样当CPU去内存中读我们的程序时，只需要根据对应的地址就可以知道我们程序的具体内容。

等等...，这里似乎又有个问题，CPU是如何与我们的内存、磁盘通信的？应该有个媒介之类的吧。没错，这个媒介就是主板上的总线和芯片组，总线好理解，就像高速公路，数据信息可以通过这条高速公路传递到CPU中，这个芯片组是个什么玩意？电脑主板上芯片很多，这里说的主要是南桥芯片和北桥芯片。先来个解释：

北桥芯片：北桥负责高速设备和CPU之间的沟通，主要就是CPU和内存、显卡之间的通信，但是随着技术的迭代，主板上的北桥芯片已经被内置到了CPU里了。南桥芯片：南桥负责低速设备和北桥之间的通信，主要负责I/O总线之间的通信，如USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。

嗯... 为什么CPU与高速设备、低速设备之间的通信需要这两个芯片？CPU自己不能干吗？这里还是类似拆分任务的功能，如果把所有的任务都交给CPU来处理，CPU会太忙了，还有比较重要的一点，如果南桥芯片坏了，那么我们可以直接更换南桥，而不用换掉整个CPU。

终于CPU通过总线和芯片打通了磁盘、内存之间的通信了，接下来的一切开始交给CPU。

CPU-最强大脑

CPU全称是Central Processing Unit，即中央处理单元，它的本质就是一块超大规模的集成电路。从逻辑上来分，它的内部是由寄存器、控制器、运算器和时钟组成的，下面来解释下各个组成是干什么的。

寄存器：CPU内部其实有很多类型的寄存器，我们只需了解寄存器就是暂存数据、指令等信息的，它的本质是临时存储，由于是直接集成在CPU内部，所以读写它们的速度很快，一般一个CPU内部会有20-100个寄存器，这里给大家列举下常用寄存器与其功能。累加寄存器：存储执行运算的数据和运算后的数据标志寄存器：存储运算处理后的CPU的状态程序计数器：存储下一条指令所在内存的地址基址寄存器：存储数据内存的起始地址变址寄存器：存储基址寄存器的相对地址通用寄存器：存储任意数据指令寄存器：存储指令，CPU内部使用，程序员无法通过程序对该寄存器进行读写操作栈寄存器：存储栈区域的起始地址控制器：控制器负责把数据读出或者写入寄存器，并根据指令的结果来控制计算机。运算器：从名字就可以猜出来，运算器的主要工作就是运算，运算从内存读入寄存器的值时钟：它并不是我们见的钟表概念，它代表了你的CPU的工作频率，频率越高说明你的CPU处理的速度越快，但是越快就会带来另一个问题：散热。

综上所述，CPU的大致工作流程如下：在时钟信号到来的时候，就开始工作，通过控制器把内存的数据读到各个寄存器中，然后如果有计算相关的逻辑，就交给运算器。发现没有，CPU的工作其实挺简单的，本质就是不停的读指令、执行指令。但是CPU是如何读到我们的代码指令的，以及我们的代码里面的if else、函数调用都是如何执行分支判断、函数跳转的，我们来看个例子：

a = 1 #0x0010b = 2 #0x0011if a > b { #0x0012 printf("%s","a") #0x0013} else {  add(a,b) #0x0014} printf("%s","end") #0x0017func add(int a,int b) { #0x0020  return a+b}

这是段非常简单的伪代码，有分支判断、有函数跳转。我们来从CPU的角度看看它是如何执行的：

首先每段程序都有个开始的地址0x0010，也就是CPU读取程序的入口把a=1这个数字读入通用寄存器中，程序计数器（PC寄存器）自动加1，即指向下一条指令 0x0011指令寄存器拿到程序计数器的指令地址，把b=2这个数字读入通用寄存器中，程序计数器（PC寄存器）自动加1，即指向下一条指令0x0012指令寄存器发现此处是比较逻辑，会执行a-b，此时可能会有三个结果分别是大于0，等于0，小于0，然后把这个结果存到标志寄存器里，这里有个小知识，我们经常说的是CPU是64位或者32位，其实也表示了标志寄存器的长度很明显，a是小于b的，CPU根据标志寄存器的状态值应该跳转到else里面，注意这时程序计数器的值不是加1，而是设置成else的地址 0x0014，当执行到0x0015的时候，需要发生函数跳转，程序计数器会被设置成 0x0020，但是这里并不是简单的函数跳转（专业术语叫做call），因为在函数执行完毕之后，还要返回，也就是程序计数器需要从0x0020再变成0x0017。call执行的时候会把后续要执行的指令地址0x0017存到栈中。当我们的add函数执行完毕之后，会有个return，return的时候会把上一步骤存入栈中的地址0x0017写入程序计数器中指令寄存器根据程序计数器当前的地址执行最后的打印（end），结束。

顺序执行的指令代码，程序计数器会自动累加（当然不一定累加的是1），然后找到下一条要执行的指令。

分支判断的时候，程序计数器不是简单的累加地址，需要地址的跳转。

函数调用不仅仅需要跳转地址，还要把函数执行完毕之后要执行的地址存下来，方便折回继续执行。

其实还有个循环执行，也就是我们代码中的for、while之类的，这时程序计数器会不停的在某些地址之间来回切换。

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