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編譯器與操作系統有何關(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(wèn)，編譯器與操作系統之間有何關(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(guò)程變得越來(lái)越復雜，一支編譯器支持多種程序語(yǔ)言、支持共享庫、編譯優(yōu)化，編譯與鏈接可分開(kāi)等； 第三，操作系統的介入。 今天我們試著(zhù)從操作系統介入編譯過(guò)程后對編譯器的影響，看看操作系統與編譯器有什么關(guān)系。 編譯程序 我們看看編譯器的一種傳統定義： 編譯程序是一支將抽象度較高的編程語(yǔ)言程序（也稱(chēng)源程序）【轉化】成抽象度較低的編程語(yǔ)言程序（也稱(chēng)目標程序）的【程序】[注]。抽象度的兩端分別是機器語(yǔ)義和人理解語(yǔ)義�！咎幚砥黧w系】和【編程語(yǔ)言】是一支編譯程序的根本屬性。 注：以下僅使用【程序】一語(yǔ)，“器”是一種形象的比喻，不夠嚴謹；而軟件（software）是產(chǎn)品性的程序，最好只用在商業(yè)語(yǔ)境中。 以上對編譯程序的定義描述在【現代意義下】對全面認識編譯程序是不夠的，因為它沒(méi)有涉及操作系統，沒(méi)有涉及現代的復雜的程序構建過(guò)程。有一定開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的程序員都知道，程序的“編譯過(guò)程”包括編譯、鏈接（靜態(tài)鏈接與動(dòng)態(tài)鏈接）、調試，還可能包括組態(tài)配置和安裝兩步�！熬幾g”一詞已經(jīng)不能很好描述這個(gè)過(guò)程。整個(gè)過(guò)程可稱(chēng)為【程序構建】，而編譯只是第一步，在這一點(diǎn)上，編譯程序在傳統意義上與現代意義上產(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)【操作系統與編譯程序關(guān)系】的三個(gè)問(wèn)題，并試圖回答它們： ·第一，編譯程序與操作系統的關(guān)系是什么？ ·第二，編譯程序對操作系統有依賴(lài)么？ ·第三，編譯程序與CPU的關(guān)系又是什么？ ·第四，操作系統對C標準庫與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，先給出現代編譯程序比較完整的定義，并由定義引出問(wèn)題： 現代編譯程序是一支將某抽象度較高的編程語(yǔ)言程序【轉化】為運行在【某軟硬體系下】的抽象度較低的編程語(yǔ)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體系。 要回答前三個(gè)問(wèn)題，我們得厘清現代編譯程序定義中的【屬概念】——程序，并對操作系統有更深一層認識。 程序 程序的分類(lèi)是多種多樣的，比如常見(jiàn)的兩分法是【系統程序】和【應用程序】。這是一種粗粒度的按【計算任務(wù)】不同的分法。我們看程序的定義： 程序（program）是完成特定【計算任務(wù)】的【指令】序列，指令由相應的【圖靈機】讀取并操作。 由以上對程序的定義可知，還可根據——程序【指令的性質(zhì)】和讀取程序的【圖靈機】性質(zhì)——兩個(gè)標準再進(jìn)一步對程序分類(lèi)。比如，按指令序列是否連續可以分為獨立程序和共享程序（使用了共享庫）；按指令的抽象度可分為高級語(yǔ)言程序和低級語(yǔ)言程序。按【圖靈機】的體系可分為X86程序和ARM程序，16位程序和32位程序等。 高級語(yǔ)言程序是不是【程序】？如果是，它的【圖靈機】是什么？ 我們一般理解下的【程序】是指二進(jìn)制的可執行文件，那么高級語(yǔ)言的源程序是不是程序？從指令序列的定義看，【高級語(yǔ)言的源程序】是程序，因為【高級語(yǔ)言的源程序】與【二進(jìn)制的可執行文件】一樣，也是指令序列，只不過(guò)【高級語(yǔ)言的源程序】的【圖靈機】不是CPU，也不是編譯器或解釋器，而是程序員�！靖呒壵Z(yǔ)言的源程序】的功能更多體現在程序員間的相互學(xué)習和交流。 除了以上基本分類(lèi)外，現代的程序還會(huì )受為其提供虛擬運行環(huán)境的操作系統影響，可以根據操作系統的體系屬性對程序再分類(lèi)，例如win32程序，Linux程序。 操作系統 操作系統是什么類(lèi)程序？ 操作系統是一類(lèi)比較獨立的系統程序，操作系統有支持各種【圖靈機】的體系類(lèi)型，比如16位DOS，32位Windows，X86的BSD，ARM的 linux等。而系統程序一般是指一支為應用程序直接提供半成品（為應用程序提供執行的虛擬環(huán)境）和協(xié)調多個(gè)應用程序并行運行的程序。所謂半成品是指，系統程序的一部分（指令序列）也是應用程序的一部分（指令序列），但這部分程序不專(zhuān)屬任何應用程序，它是共享的。例如各種新硬件的驅動(dòng)程序、C標準庫函數、POSIX庫函數等。而作一個(gè)協(xié)調程序，操作系統表現出與一般應用程序的程序性，如獨立調度的線(xiàn)程，只是它們運行在權力更高的狀態(tài)下。協(xié)調程序如線(xiàn)程調度程序。 非操作系統程序與操作系統的關(guān)系 這里的操作系統泛指像Linux這樣的現代32位操作系統，而【非操作系統程序】運行在操作系統之上，對操作系統存在可能的依賴(lài)的程序。 其實(shí)只要是運行在某操作系統之上的程序都會(huì )烙上該操作系統的印，對操作系統有依賴(lài)，包括編譯程序。不過(guò)這些程序對操作系統的依賴(lài)程度和依賴(lài)的內容確實(shí)有很多區別。例如一支最簡(jiǎn)單的【Hello world程序】都會(huì )對【操作系統的C庫】產(chǎn)生依賴(lài)，如果去掉【Hello world程序】的輸入輸出功能，只作加減或邏輯運算，【Hello world程序】依然會(huì )對操作系統有少量依賴(lài)，因為【Hello world程序】由運行在該【操作系統上的編譯程序】編譯的，有特定的目標文件格式，并由該【操作系統的載入程序】載入內存運行[注]。這種只【在形式上】對OS存在依賴(lài)的“無(wú)用”程序可謂是最獨立于OS的程序。在此基礎之上，其它程序都對OS有不同程度的依賴(lài)，依賴(lài)表現在對OS內的各種程序庫的依賴(lài)，比如C標準庫，POSIX系統庫，線(xiàn)程庫、網(wǎng)絡(luò )庫和其它基于這些基礎庫的第三方應用代碼庫。 注：由此可見(jiàn)編譯程序與引導程序、SHELL程序一樣，是現代操作系統的基本部分。 問(wèn)題初步解決 編譯程序與操作系統的關(guān)系 有了以上的對程序以及操作系統本質(zhì)的一定了解后，我們知道編譯程序與操作系統有一定親緣性。但這種親緣性的一些表現會(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(kāi)發(fā)工作站才需要編譯程序。而所有Linux發(fā)行版的應用程序都可能使用了共享庫，需要動(dòng)態(tài)鏈接這些系統共享庫。由此可見(jiàn)，應該分開(kāi)【開(kāi)發(fā)期】與【運行期】來(lái)看待編譯程序與操作系統的關(guān)系。在開(kāi)發(fā)期，編譯程序運行操作系統之上，屬于【非操作系統程序】，對操作系統有依賴(lài)；在運行期，編譯程序的子部分——動(dòng)態(tài)鏈接程序和加載程序屬于操作系統有機部分。 由以可得編譯程序與操作系統的關(guān)系有： ●第一，編譯程序的編譯部分和靜態(tài)鏈接部分是運行在操作系統上的系統程序； ●第二，編譯程序的動(dòng)態(tài)鏈接部分與操作系統的親緣性更強，所以完全可把動(dòng)態(tài)鏈接部分獨立出來(lái)[FIXME：動(dòng)態(tài)鏈接程序與操作系統具體關(guān)系未知]； ●第三，編譯程序的編譯輸出格式是操作系統相關(guān)的。 由此可見(jiàn)，編譯程序是操作系統相關(guān)的，編譯程序也是操作系統的功能很重要組成部分，但編譯程序沒(méi)有被集成入操作系統內核內，所以編譯程序不算是操作系統的有機組成部分。 編譯程序對操作系統的依賴(lài) 由上面可得，編譯程序是運行操作系統之上【非操作系統程序】，對操作系統有依賴(lài)。編譯程序是一支【計算集中】更大的程序，它相對于應用程序對OS依賴(lài)會(huì )少一些，依賴(lài)有： ●形式依賴(lài)（由另一支同軟硬體系的編譯程序[行話(huà)本地編譯器]，編譯得到或不同軟硬體系的編譯程序[行話(huà)交叉編譯器]，交叉編譯得到） ●C庫依賴(lài)，讀取高級語(yǔ)言源碼程序文件，寫(xiě)入低級語(yǔ)言的目標文件 編譯程序與CPU的關(guān)系 這個(gè)問(wèn)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器碼。我們說(shuō)編譯程序的【操作系統相關(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。 操作系統對C標準庫與C編譯程序的關(guān)系的影響 操作系統對C庫沒(méi)有什么影響，C庫是一種通用代碼庫。是給用戶(hù)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)現的。c庫中的有些功能是c庫代碼本身實(shí)現的，也有一些是利用操作系統實(shí)現的。 以下課程可免費試聽(tīng)C語(yǔ)言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 想學(xué)習的你和我聯(lián)系預約就可以免費聽(tīng)課了。 宋工企鵝號：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 
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