《图解 Google V8》学习笔记Day84

机器代码：二进制机器码究竟是如何被CPU执行的？

V8运行时环境：准备好运行时环境，就可以执行JavaScript代码了。在执行代码时，V8需要先将JavaScript编译为字节码，然后再解释执行字节码，或者将字节码需要优化的字节码编译成二进制，并直接执行二进制代码。

将源码编译成机器码

我们以一段C代码为例，来看一下代码被编译成二进制可执行程序之后，是如何被CPU执行的。
在这段代码中，只是做了非常简单的加法操作，将x和y两个数字相加得到z，并返回结果z。

int main()
{
int x = 1;
int y = 2;
int z = x + y;
return z;
}

CPU并不能直接执行这段C代码，而需要对其进行编译，转换为二进制的机器码。
先通过GCC编译器将这段C代码编译成二进制文件：
gcc -O0 -o code_prog code.c
再将编译出来的code_prog程序进行反汇编，这样我们就可以看到二进制代码和对应的汇编代码。你可以使用objdump的完成该任务，命令如下所示：
objdump -d code_prog
最后编译完成的机器码如下图：

左边就是编译生成的机器码，在这里它是使用十六进制来展示的，因为十六进制方便阅读。
中间的部分是汇编代码，汇编代码采用助记符（memonic）来编写程序。例如原本是二进制表示的指令，在汇编代码中可以使用单词来表示，比如mov、add就分别表示数据的存储和相加。汇编语言和机器语言是一一对应的。
通常我们将汇编语言编写的程序转换为机器语言的过程称为“汇编”；反之，机器语言转化为汇编语言的过程称为“反汇编”，比如上图就是对code_prog进程进行了反汇编操作。

CPU是怎么执行程序的？

不过为了分析程序的执行过程，我们还需要理解典型的计算机系统的硬件组织结构，具体你可以参看下图：

由图可以看出，它主要是由CPU、主存储器、各种IO总线，还有一些外部设备，诸如硬盘、显示器、USB等设备组成的。
首先，在程序执行之前，我们的程序需要被装进内存。
什么是内存？
你可以把内存看成是一个快递柜，比如当你需要寄件的时候，你可以打开快递柜中的第100号单元格，并存放你的物品，有时候你会收到快递，提示你在快递柜的105号单元格中，你就可以打开105号单元格取出的你的快递。
这里有三个重要的内容，分别是快递柜、快递柜中的每个单元格的编号、操作快递柜的人，你可以把它们对比成计算机中的内存、内存地址和CPU。
CPU可以通过指定的内存地址，从内存读取数据或写入数据。
另外，内存是一个临时储存数据的设置，断电之后，数据都会被消失。
内存中的每个存储空间都有其对应的独一无二的地址，内存和地址的关系如下图：

文章开头的那段c代码，编译为可执行文件，包含的二进制机器码被加载进了内存，内存中的二进制代码便都有了自己的对应地址，如图所示：

有时候一条指令只需要一个字节就可以了，但是有时候一条指令却需要多个字节。

三个过程称为一个CPU时钟周期。CPU是永不停歇的，当它执行完成一条指令之后，会立即从内存中取出下一条指令，接着分析该指令，执行该指令，CPU一直重复执行该过程，直至所有的指令执行完成。

CPU是如何知道要取出内存中的哪条指令呢？
CPU中有一个PC寄存器。它保存了将要执行的指令地址。当代码被装载到内存中，系统会将第一条指令写入PC寄存器中。
PC寄存器的指令取出来之后，系统会做两件事：
第一件事是将下一条指令的地址更新到PC寄存器中
更新了PC寄存器之后，CPU就会立即做第二件事，那就是分析该指令
通用寄存器
通用寄存器是CPU中用来存放数据的设备，不同处理器中寄存器的个数也是不一样的，之所以要通用寄存器，是因为CPU访问内存的速度很慢，所以CPU就在内部添加了一些存储设备，这些设备就是通用寄存器。
你可以把通用寄存器比喻成是你身上的口袋，内存就是你的背包，而硬盘则是你的行李箱，要从背包里面拿物品会比较不方便，所以你会将常用的物品放进口袋。你身上口袋的个数通常不会太多，容量也不会太大，而背包就不同了，它的容量会非常大。
通用寄存器容量小，读写速度快，内存容量大，读写速度慢。

几种常用的执行类型：
第一种是加载的指令：其作用是从内存中复制指定长度的内容到通用寄存器中，并覆盖寄存器中原来的内容。你可以参看下图：

第二种存储的指令：和加载类型的指令相反，其作用是将寄存器中的内容复制内存某个位置，并覆盖掉内存中的这个位置上原来的内容。你可以参看下图：

第三种是更新指令：其作用是复制两个寄存器中的内容到ALU中，也可以是一块寄存器和一块内存中的内容到ALU中，ALU将两个字相加，并将结果存放在其中的一个寄存器中，并覆盖该寄存器中的内容。具体流程如下图所示：

还有跳转指令：从指令本身抽取出一个字，这个字是下一条要执行的指令的地址，并将该字复制到PC寄存器中，并覆盖掉PC寄存器中原来的值。那么当执行下一条指令时，便会跳转到对应的指令了。

分析一段汇编代码的执行流程

在C程序中，CPU会首先执行调用main函数，在调用main函数时，CPU会保存上个栈帧上下文信息和创建当前栈帧的上下文信息，主要是通过下面这两条指令实现的：
`pushq %rbp
movq %rsp, %rbp`
第一条指令pushq %rbp，是将rbp寄存器中的值写到内存中的栈区域。第二条指令是将rsp寄存器中的值写到rbp寄存器中。
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此文章为5月Day16学习笔记，内容来源于极客时间《图解 Google V8》，日拱一卒，每天进步一点点💪💪