C 代码是如何跑起来的

Posted 2021-08-21 doujiang24

上一篇「CPU 提供了什么」中，我们了解了物理的层面的 CPU，为我们提供了什么。

本篇，我们介绍下高级语言「C 语言」是如何在物理 CPU 上面跑起来的。

C 语言提供了什么

C 语言作为高级语言，为程序员提供了更友好的表达方式。在我看来，主要是提供了以下抽象能力：

1. 变量，以及延伸出来的复杂结构体
   我们可以基于变量来描述复杂的状态。
2. 函数
   我们可以基于函数，把复杂的行为逻辑，拆分到不同的函数里，以简化复杂的逻辑以。以及，我们可以复用相同目的的函数，现实世界里大量的基础库，简化了程序员的编码工作。

示例代码

构建一个良好的示例代码，可以很好帮助我们去理解。
下面的示例里，我们可以看到 变量 和 函数 都用上了。

#include "stdio.h"

int add (int a, int b) {
    return a + b;
}

int main () {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = add(a, b);

    printf("a + b = %d\\n", c);

    return 0;
}

编译执行

毫无意外，我们得到了期望的 3。

$ gcc -O0 -g3 -Wall -o simple simple.c
$ ./simple
a + b = 3

汇编代码

我们还是用 objdump 来看看，编译器生成了什么代码：

1. 变量
   局部变量，包括函数参数，全部被压入了 栈 里。
2. 函数
   函数本身，被单独编译为了一段机器指令
   函数调用，被编译为了 call 指令，参数则是函数对应那一段机器指令的第一个指令地址。

$ objdump -M intel -j .text -d simple

# 截取其中最重要的部分

000000000040052d <add>:
  40052d:       55                      push   rbp
  40052e:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  400531:       89 7d fc                mov    DWORD PTR [rbp-0x4],edi
  400534:       89 75 f8                mov    DWORD PTR [rbp-0x8],esi
  400537:       8b 45 f8                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
  40053a:       8b 55 fc                mov    edx,DWORD PTR [rbp-0x4]
  40053d:       01 d0                   add    eax,edx
  40053f:       5d                      pop    rbp
  400540:       c3                      ret

0000000000400541 <main>:
  400541:       55                      push   rbp
  400542:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  400545:       48 83 ec 10             sub    rsp,0x10
  400549:       c7 45 fc 01 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x1
  400550:       c7 45 f8 02 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
  400557:       8b 55 f8                mov    edx,DWORD PTR [rbp-0x8]
  40055a:       8b 45 fc                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
  40055d:       89 d6                   mov    esi,edx
  40055f:       89 c7                   mov    edi,eax
  400561:       e8 c7 ff ff ff          call   40052d <add>
  400566:       89 45 f4                mov    DWORD PTR [rbp-0xc],eax
  400569:       8b 45 f4                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0xc]
  40056c:       89 c6                   mov    esi,eax
  40056e:       bf 20 06 40 00          mov    edi,0x400620
  400573:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  400578:       e8 93 fe ff ff          call   400410 <printf@plt>
  40057d:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  400582:       c9                      leave
  400583:       c3                      ret
  400584:       66 2e 0f 1f 84 00 00    nop    WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
  40058b:       00 00 00
  40058e:       66 90                   xchg   ax,ax

函数内的局部变量，为什么会放入栈空间呢？

这个刚好和局部变量的作用域关联起来了：

1. 函数执行结束，返回的时候，局部变量也应该失效了
2. 函数返回的时候，刚好要恢复栈高度到上一个调用者函数。

这样的话，只需要栈高度恢复，也就意味着被调用函数的所有的临时变量，全部失效了。

函数内的局部变量，一定会放入栈空间吗？

答案是，不一定。
上面我们是通过 -O0 编译的，接下来，我们看下 -O1 编译生成的机器码。

此时的局部变量直接放在寄存器里了，不需要写入到栈空间了。
不过，此时 main 都已经不再调用 add 函数了，因为已经被 gcc 内联优化了。
好吧，构建个合适的用例也不容易。

000000000040052d <add>:
  40052d:       8d 04 37                lea    eax,[rdi+rsi*1]
  400530:       c3                      ret

0000000000400531 <main>:
  400531:       48 83 ec 08             sub    rsp,0x8
  400535:       be 03 00 00 00          mov    esi,0x3
  40053a:       bf f0 05 40 00          mov    edi,0x4005f0
  40053f:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  400544:       e8 c7 fe ff ff          call   400410 <printf@plt>
  400549:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  40054e:       48 83 c4 08             add    rsp,0x8
  400552:       c3                      ret
  400553:       66 2e 0f 1f 84 00 00    nop    WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
  40055a:       00 00 00
  40055d:       0f 1f 00                nop    DWORD PTR [rax]

禁止内联优化

我们用如下命令，关闭 gcc 的内联优化：

gcc -fno-inline -O1 -g3 -Wall -o simple simple.c

再来看下汇编代码，此时的机器码就符合理想的验证结果了。

000000000040052d <add>:
  40052d:       8d 04 37                lea    eax,[rdi+rsi*1]
  400530:       c3                      ret

0000000000400531 <main>:
  400531:       48 83 ec 08             sub    rsp,0x8
  400535:       be 02 00 00 00          mov    esi,0x2
  40053a:       bf 01 00 00 00          mov    edi,0x1
  40053f:       e8 e9 ff ff ff          call   40052d <add>
  400544:       89 c6                   mov    esi,eax
  400546:       bf f0 05 40 00          mov    edi,0x4005f0
  40054b:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  400550:       e8 bb fe ff ff          call   400410 <printf@plt>
  400555:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  40055a:       48 83 c4 08             add    rsp,0x8
  40055e:       c3                      ret
  40055f:       90                      nop

总结

1. 对于 C 语言的变量，编译器会为其分配一段内存空间来存储
   函数内的局部变量，放入栈空间是理想的映射方式。不过编译的优化模式下，则会尽量使用寄存器来存储，寄存器不够用了，才会使用栈空间。
   全局变量，则有对应的内存段来存储，这个以后可以再聊。
2. 对于 C 语言的函数，编译器会编译为独立的一段机器指令
   调用该函数，则是执行 call 指令，意思是接下来跳转到执行这一段机器指令。