|
編譯器與操作系統(tǒng)有何關(guān)系？編譯器與CPU之間又有何情緣？ 很多程序員可能有同樣的疑問，編譯器與操作系統(tǒng)之間有何關(guān)系，編譯器與CPU又有何關(guān)系，動(dòng)態(tài)鏈接器從哪查找共享庫等。 讓人困惑的原因有幾， 第一是編譯器的功能角色特殊，編譯器是生成程序的程序； 第二是編譯過程變得越來越復(fù)雜，一支編譯器支持多種程序語言、支持共享庫、編譯優(yōu)化，編譯與鏈接可分開等； 第三，操作系統(tǒng)的介入。 今天我們?cè)囍鴱牟僮飨到y(tǒng)介入編譯過程后對(duì)編譯器的影響，看看操作系統(tǒng)與編譯器有什么關(guān)系。 編譯程序 我們看看編譯器的一種傳統(tǒng)定義： 編譯程序是一支將抽象度較高的編程語言程序（也稱源程序）【轉(zhuǎn)化】成抽象度較低的編程語言程序（也稱目標(biāo)程序）的【程序】[注]。抽象度的兩端分別是機(jī)器語義和人理解語義。【處理器體系】和【編程語言】是一支編譯程序的根本屬性。 注：以下僅使用【程序】一語，“器”是一種形象的比喻，不夠嚴(yán)謹(jǐn)；而軟件（software）是產(chǎn)品性的程序，最好只用在商業(yè)語境中。 以上對(duì)編譯程序的定義描述在【現(xiàn)代意義下】對(duì)全面認(rèn)識(shí)編譯程序是不夠的，因?yàn)樗鼪]有涉及操作系統(tǒng)，沒有涉及現(xiàn)代的復(fù)雜的程序構(gòu)建過程。有一定開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的程序員都知道，程序的“編譯過程”包括編譯、鏈接（靜態(tài)鏈接與動(dòng)態(tài)鏈接）、調(diào)試，還可能包括組態(tài)配置和安裝兩步。“編譯”一詞已經(jīng)不能很好描述這個(gè)過程。整個(gè)過程可稱為【程序構(gòu)建】，而編譯只是第一步，在這一點(diǎn)上，編譯程序在傳統(tǒng)意義上與現(xiàn)代意義上產(chǎn)生了不同。由于本文試圖討論編譯程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系，為了避免產(chǎn)生歧義，本文的【編譯程序】包括編譯和靜態(tài)鏈接兩個(gè)部分，動(dòng)態(tài)鏈接部分有點(diǎn)特殊，后面會(huì)提到它的角色。 下面我們給出有關(guān)【操作系統(tǒng)與編譯程序關(guān)系】的三個(gè)問題，并試圖回答它們： ·第一，編譯程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系是什么？ ·第二，編譯程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)有依賴么？ ·第三，編譯程序與CPU的關(guān)系又是什么？ ·第四，操作系統(tǒng)對(duì)C標(biāo)準(zhǔn)庫與C編譯程序的關(guān)系有什么影響？ 為了更好的進(jìn)行下一步討論，先給出現(xiàn)代編譯程序比較完整的定義，并由定義引出問題： 現(xiàn)代編譯程序是一支將某抽象度較高的編程語言程序【轉(zhuǎn)化】為運(yùn)行在【某軟硬體系下】的抽象度較低的編程語言程序的【程序】。所謂硬件體系是指處理器體系，軟件體系指操作系統(tǒng)體系。 要回答前三個(gè)問題，我們得厘清現(xiàn)代編譯程序定義中的【屬概念】——程序，并對(duì)操作系統(tǒng)有更深一層認(rèn)識(shí)。 程序 程序的分類是多種多樣的，比如常見的兩分法是【系統(tǒng)程序】和【應(yīng)用程序】。這是一種粗粒度的按【計(jì)算任務(wù)】不同的分法。我們看程序的定義： 程序（program）是完成特定【計(jì)算任務(wù)】的【指令】序列，指令由相應(yīng)的【圖靈機(jī)】讀取并操作。 由以上對(duì)程序的定義可知，還可根據(jù)——程序【指令的性質(zhì)】和讀取程序的【圖靈機(jī)】性質(zhì)——兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)一步對(duì)程序分類。比如，按指令序列是否連續(xù)可以分為獨(dú)立程序和共享程序（使用了共享庫）；按指令的抽象度可分為高級(jí)語言程序和低級(jí)語言程序。按【圖靈機(jī)】的體系可分為X86程序和ARM程序，16位程序和32位程序等。 高級(jí)語言程序是不是【程序】？如果是，它的【圖靈機(jī)】是什么？ 我們一般理解下的【程序】是指二進(jìn)制的可執(zhí)行文件，那么高級(jí)語言的源程序是不是程序？從指令序列的定義看，【高級(jí)語言的源程序】是程序，因?yàn)椤靖呒?jí)語言的源程序】與【二進(jìn)制的可執(zhí)行文件】一樣，也是指令序列，只不過【高級(jí)語言的源程序】的【圖靈機(jī)】不是CPU，也不是編譯器或解釋器，而是程序員。【高級(jí)語言的源程序】的功能更多體現(xiàn)在程序員間的相互學(xué)習(xí)和交流。 除了以上基本分類外，現(xiàn)代的程序還會(huì)受為其提供虛擬運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)影響，可以根據(jù)操作系統(tǒng)的體系屬性對(duì)程序再分類，例如win32程序，Linux程序。 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)是什么類程序？ 操作系統(tǒng)是一類比較獨(dú)立的系統(tǒng)程序，操作系統(tǒng)有支持各種【圖靈機(jī)】的體系類型，比如16位DOS，32位Windows，X86的BSD，ARM的 linux等。而系統(tǒng)程序一般是指一支為應(yīng)用程序直接提供半成品（為應(yīng)用程序提供執(zhí)行的虛擬環(huán)境）和協(xié)調(diào)多個(gè)應(yīng)用程序并行運(yùn)行的程序。所謂半成品是指，系統(tǒng)程序的一部分（指令序列）也是應(yīng)用程序的一部分（指令序列），但這部分程序不專屬任何應(yīng)用程序，它是共享的。例如各種新硬件的驅(qū)動(dòng)程序、C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)、POSIX庫函數(shù)等。而作一個(gè)協(xié)調(diào)程序，操作系統(tǒng)表現(xiàn)出與一般應(yīng)用程序的程序性，如獨(dú)立調(diào)度的線程，只是它們運(yùn)行在權(quán)力更高的狀態(tài)下。協(xié)調(diào)程序如線程調(diào)度程序。 非操作系統(tǒng)程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系 這里的操作系統(tǒng)泛指像Linux這樣的現(xiàn)代32位操作系統(tǒng)，而【非操作系統(tǒng)程序】運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，對(duì)操作系統(tǒng)存在可能的依賴的程序。 其實(shí)只要是運(yùn)行在某操作系統(tǒng)之上的程序都會(huì)烙上該操作系統(tǒng)的印，對(duì)操作系統(tǒng)有依賴，包括編譯程序。不過這些程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的依賴程度和依賴的內(nèi)容確實(shí)有很多區(qū)別。例如一支最簡單的【Hello world程序】都會(huì)對(duì)【操作系統(tǒng)的C庫】產(chǎn)生依賴，如果去掉【Hello world程序】的輸入輸出功能，只作加減或邏輯運(yùn)算，【Hello world程序】依然會(huì)對(duì)操作系統(tǒng)有少量依賴，因?yàn)椤綡ello world程序】由運(yùn)行在該【操作系統(tǒng)上的編譯程序】編譯的，有特定的目標(biāo)文件格式，并由該【操作系統(tǒng)的載入程序】載入內(nèi)存運(yùn)行[注]。這種只【在形式上】對(duì)OS存在依賴的“無用”程序可謂是最獨(dú)立于OS的程序。在此基礎(chǔ)之上，其它程序都對(duì)OS有不同程度的依賴，依賴表現(xiàn)在對(duì)OS內(nèi)的各種程序庫的依賴，比如C標(biāo)準(zhǔn)庫，POSIX系統(tǒng)庫，線程庫、網(wǎng)絡(luò)庫和其它基于這些基礎(chǔ)庫的第三方應(yīng)用代碼庫。 注：由此可見編譯程序與引導(dǎo)程序、SHELL程序一樣，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本部分。 問題初步解決 編譯程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系 有了以上的對(duì)程序以及操作系統(tǒng)本質(zhì)的一定了解后，我們知道編譯程序與操作系統(tǒng)有一定親緣性。但這種親緣性的一些表現(xiàn)會(huì)讓人迷惑。例如Linux發(fā)行版可以不安裝有編譯程序的，只有開發(fā)工作站才需要編譯程序。而所有Linux發(fā)行版的應(yīng)用程序都可能使用了共享庫，需要?jiǎng)討B(tài)鏈接這些系統(tǒng)共享庫。由此可見，應(yīng)該分開【開發(fā)期】與【運(yùn)行期】來看待編譯程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系。在開發(fā)期，編譯程序運(yùn)行操作系統(tǒng)之上，屬于【非操作系統(tǒng)程序】，對(duì)操作系統(tǒng)有依賴；在運(yùn)行期，編譯程序的子部分——?jiǎng)討B(tài)鏈接程序和加載程序?qū)儆诓僮飨到y(tǒng)有機(jī)部分。 由以可得編譯程序與操作系統(tǒng)的關(guān)系有： ●第一，編譯程序的編譯部分和靜態(tài)鏈接部分是運(yùn)行在操作系統(tǒng)上的系統(tǒng)程序； ●第二，編譯程序的動(dòng)態(tài)鏈接部分與操作系統(tǒng)的親緣性更強(qiáng)，所以完全可把動(dòng)態(tài)鏈接部分獨(dú)立出來[FIXME：動(dòng)態(tài)鏈接程序與操作系統(tǒng)具體關(guān)系未知]； ●第三，編譯程序的編譯輸出格式是操作系統(tǒng)相關(guān)的。 由此可見，編譯程序是操作系統(tǒng)相關(guān)的，編譯程序也是操作系統(tǒng)的功能很重要組成部分，但編譯程序沒有被集成入操作系統(tǒng)內(nèi)核內(nèi)，所以編譯程序不算是操作系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。 編譯程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的依賴 由上面可得，編譯程序是運(yùn)行操作系統(tǒng)之上【非操作系統(tǒng)程序】，對(duì)操作系統(tǒng)有依賴。編譯程序是一支【計(jì)算集中】更大的程序，它相對(duì)于應(yīng)用程序?qū)S依賴會(huì)少一些，依賴有： ●形式依賴（由另一支同軟硬體系的編譯程序[行話本地編譯器]，編譯得到或不同軟硬體系的編譯程序[行話交叉編譯器]，交叉編譯得到） ●C庫依賴，讀取高級(jí)語言源碼程序文件，寫入低級(jí)語言的目標(biāo)文件 編譯程序與CPU的關(guān)系 這個(gè)問題在編譯程序的定義里已經(jīng)有答案了，一支編譯程序只編譯生成一種機(jī)器碼。我們說編譯程序的【操作系統(tǒng)相關(guān)性】是后天進(jìn)化得到的，而編譯程序的【處理器相關(guān)性】是天生的。 操作系統(tǒng)對(duì)C標(biāo)準(zhǔn)庫與C編譯程序的關(guān)系的影響 操作系統(tǒng)對(duì)C庫沒有什么影響，C庫是一種通用代碼庫。是給用戶編程提供的接口，程序員只需要和這些接口打交道就可以了，而不需要知道具體怎么實(shí)現(xiàn)的。c庫中的有些功能是c庫代碼本身實(shí)現(xiàn)的，也有一些是利用操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。 以下課程可免費(fèi)試聽C語言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 想學(xué)習(xí)的你和我聯(lián)系預(yù)約就可以免費(fèi)聽課了。 宋工企鵝號(hào)：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 
|
