C语言程序的生命周期

hello.c程序

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

为了能够被人读懂，hello.c 程序是从一个 C语言程序 开始的。
为了在系统上运行 hello.c 程序，每条 C 语句都必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令。
然后这些指令按照一种称为可执行目标文件的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来，等待被加载到内存中，由系统执行。

hello.c 的表示方法

hello.c 程序是以字节序列的方式储存在文件中的。每个字节都有一个整数值，对应于某些字符。

大部分的现代计算机系统都使用ASCII标准来表示文本字符，这种方式实际上就是用一个唯一的单字节大小的整数值来表示每个字符。比如下图

像 hello.c 这样只由 ASCII 字符构成的文件称为文本文件，所有其他文件都称为二进制文件。

总结：

系统中所有的信息——包括磁盘文件、内存中的程序、内存中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串比特表示的。
区分不同数据对象的唯一方法是我们读到这些数据对象时的上下文。

hello.c 被翻译成不同的格式

在 Unix 系统上，gcc 编译器读取源程序文件 hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件 hello。这个翻译过程可分为四个阶段完成：预处理器、编译器、汇编器和链接器一起构成了编译系统（compilation system）。

运行 hello 程序

可执行目标文件 hello 中的代码和数据被加载到主存。
处理器就开始执行 hello 程序的 main 程序中的机器语言指令。
这些指令将 “hello, world\n” 字符串中的字节从主存复制到寄存器文件。
再从寄存器文件中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。

操作系统管理硬件

操作系统有两个基本功能∶

防止硬件被失控的应用程序滥用；
向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。

抽象

操作系统通过几个基本的抽象概念（进程、虚拟内存和文件）来实现这两个功能。如下图所示，文件是对 I/O 设备的抽象表示，虚拟内存是对主存和磁盘 I/O 设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和 I/O 设备的抽象表示。

文件

文件就是字节序列。

每个I/O设备，包括磁盘、键盘、显示器，甚至网络，都可以看成是文件。系统中的所有输入输出都是通过使用一组称为 Unix I/O 的系统函数调用读写文件来实现的。

文件向应用程序提供了一个统一的视图来看待系统中可能含有的所有各式各样的 I/O 设备。

例如，处理磁盘文件内容的应用程序员可以非常幸运，因为他们无须了解具体的磁盘技术。进一步说，同一个程序可以在使用不同磁盘技术的不同系统上运行。

虚拟内存

虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。

程序代码和数据。 对所有的进程来说，代码是从同一固定地址开始，紧接着的是和 C 全局变量相对应的数据位置。代码和数据区是直接按照可执行目标文件的内容初始化的，在示例中就是可执行文件 hello。
堆。代码和数据区后紧随着的是运行时堆。代码和数据区在进程一开始运行时就被指定了大小，与此不同，当调用像 malloc 和 free 这样的 C 标准库函数时，堆可以在运行时动态地扩展和收缩。
共享库。 大约在地址空间的中间部分是一块用来存放像 C 标准库和数学库这样的共享库的代码和数据的区域。
栈。位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。特别地，每次我们调用一个函数时，栈就会增长；从一个函数返回时，栈就会收缩。
内核虚拟内存。 地址空间顶部的区域是为内核保留的。不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数。相反，它们必须调用内核来执行这些操作。

指令集

在处理器里，指令集架构提供了对实际处理器硬件的抽象。使用这个抽象，机器代码程序表现得就好像运行在一个一次只执行一条指令的处理器上。

进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。

在一个系统上可以同时运行多个进程，像 hello 程序在运行时，操作系统会提供一种假象：好像系统上只有这个程序在运行，程序看上去是独占地使用处理器、主存和 I/O 设备。

这是通过处理器在进程间切换来实现的，就好像一个杂耍艺人保持多个球在空中飞舞一样。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。

操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息。这种状态，也就是上下文，包括许多信息，比如 PC 和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。

在任何一个时刻，单处理器系统都只能执行一个进程的代码。当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。

线程

一个进程实际上可以由多个称为线程的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，共享同样的代码和全局数据。

虚拟机

虚拟机，它提供对整个计算机的抽象，包括操作系统、处理器和程序。

C程序的表示