代码背后.PDFVIP

第 1 章 代码背后 知其然，并知其所以然。 —— 《朱子语类》 1.1 从编程聊起 说起编程，如果有人问我们敲进计算机的第一段代码是什么，相信很多人会说出同一个 答案——‚Hello World !‛。编程语言的教材一般都会把这段代码作为书中的第一个例子呈现 给读者。当我们按照课本或者老师的要求把它输入到开发环境，然后单击 ‚编译‛和 ‚运行‛ 按钮，映入眼帘的那行字符串定会令人欣喜不已！然而激动过后，一股强烈的好奇心可能会 驱使我们去弄清一个新的概念——编译是什么？ 遗憾的是，一般教授编程语言的老师不会介绍太多关于它的内容，最多会告诉我们：代 码只有经过编译，才能在计算机中正确执行。随着知识和经验的不断积累，我们逐渐了解到 当初单击‚编译‛按钮的时候，计算机在幕后做了一系列的工作。它先对源代码进行编译， 生成二进制目标文件，然后对目标文件进行链接，最后生成一个可执行文件。即便如此，我 们对编译的流程也只有一个模糊的认识。 直到学习了编译原理，才发现编译器原来就是语言翻译程序，它把高级语言程序翻译成 低级汇编语言程序。而汇编语言程序是不能被计算机直接识别的，必须靠汇编器把它翻译为 计算机硬件可识别的机器语言程序。而根据之前对目标文件和链接器的了解，我们可能猜测 到机器语言应该是按照二进制的形式存储在目标文件内部的。可是目标文件到底包含什么， 2 自己动手构造编译系统：编译、汇编与链接 链接后的可执行文件里又有什么？问题貌似越来越多。 图 1-1 展示了编译的大致工作流程，相信拥有一定编程经验的人，对该图所表达的含义 并不陌生。为了让源代码能正常地运行在计算机上，计算机对代码进行了‚繁复‛的处理。 可是，编译器既然是语言翻译程序，为什么不把源代码直接翻译成机器语言，却还要经过汇 编和链接的过程呢？ 源代码 汇编代码 二进制目标文件 可执行文件 编译器 汇编器 链接器 图1-1 编译的流程 似乎我们解决了一些疑惑后，总是会有更多的疑惑接踵而来。但也正是这些层出不穷的 疑惑，促使我们不断地探究简单问题背后的复杂机制。当挖掘出这些表象下覆盖的问题本质 时，可能比首次敲出‚Hello World !‛程序时还要喜悦。在后面的章节中，将会逐步探讨编译 背后的本质，将谜团一一揭开，最终读者自己可动手构造出本书所实现的编译系统——编译 器、汇编器与链接器，真正做到‚知其然，并知其所以然‛。 1.2 历史渊源 历史上很多新鲜事物的出现都不是偶然的，计算机学科的技术和知识如此，编译系统也 不例外，它的产生来源于编程工作的需求。编程本质上是人与计算机交流，人们使用计算机 解决问题，必须把问题转化为计算机所能理解的方式。当问题规模逐渐增大时，编程的劳动 量自然会变得繁重。编译系统的出现在一定程度上降低了编程的难度和复杂度。 在计算机刚刚诞生的年代，人们只能通过二进制机器指令指挥计算机工作，计算机程序 是依靠人工拨动计算机控制面板上的开关被输入到计算机内部的。后来人们想到使用穿孔卡 片来代替原始的开关输入，用卡片上穿孔的有无表示计算机世界的‚0‛和‚1‛，让计算机 自动读取穿孔卡片实现程序的录入，这里录入的指令就是常说的二进制代码。然而这种编程 工作在现在看起来简直就是一个‚噩梦‛，因为一旦穿孔卡片的制作出现错误，所有的工作 都要重新来过。 人们很快就发现了使用二进制代码控制计算机的不足，因为人工输入二进制指令的错误 率实在太高了。为了解决这个问题，人们用一系列简单明了的助记符代替计算机的二进制指 令，即我们熟知的汇编语言。可是计算机只能识别二进制指令，因此需要一个已有的程序自 动完成汇编语言到二进制指令的翻译工作，于是汇编器就产生了。程序员只需要写出汇编代 码，然后交给汇编器进行翻译，生成二进制代码。因此，汇编器将程序员从烦琐的二进制代 码中解脱出来。 使用汇编器提高了编程的效率，