CS110 计算机体系结构 5 C.A.L.L.

C.A.L.L，是编译 Compilation - 汇编 Assembly - 链接 Linking - 加载 Loading 的缩写，是从（编译执行类语言）程序代码到进程的一般过程。我们接下来一个个部分来看。

编译 Compilation

对于 C 语言而言，编译过程由 C 编译器（如 gcc）完成。在这个过程中，程序员把写好的代码文件 main.c 交给编译器，然后编译器负责把这份代码编译为汇编代码文件 main.s，其中存放的是汇编语言代码，如 RISC-V。

既然是负责把高级语言转换为汇编语言，编译器就需要恪尽职守地努力”优化“转换生成的汇编语言，使其执行需要的时空开销尽可能小。我们在使用 gcc 进行编译时，可以选择 -O2 -O3 这样的优化策略——这些策略就是不同激进程度的优化。优化有很多种类型，在此仅举一个例子来供读者理解：

int sum(int n) {
    int res = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        res += i;
    }
    return res;
}

对于以上函数，如果按照 -O0 的忠于源码的优化方式来编译，编译结束后的汇编代码可能是这样的（事实上，gcc 的翻译结果并不是 RISC-V，在此仅作演示，方便理解）：

sum:
    addi    sp, sp, -16    # 开辟栈空间
    sw      s0, 12(sp)     # 保存寄存器
    addi    s0, sp, 16
    sw      a0, -12(s0)    # 将参数 n 存入栈 (内存)
    sw      zero, -8(s0)   # res = 0
    sw      zero, -4(s0)   # i = 0
.L2:
    lw      a4, -4(s0)     # 加载 i
    lw      a5, -12(s0)    # 加载 n
    blt     a4, a5, .L3    # 如果 i < n，跳转到循环体
    j       .L4            # 否则退出循环
.L3:
    lw      a4, -8(s0)     # 加载 res
    lw      a5, -4(s0)     # 加载 i
    add     a5, a4, a5     # res += i
    sw      a5, -8(s0)     # 存回 res
    lw      a5, -4(s0)     # 加载 i
    addi    a5, a5, 1      # i++
    sw      a5, -4(s0)     # 存回 i
    j       .L2
.L4:
    lw      a0, -8(s0)     # 返回 res
    lw      s0, 12(sp)
    addi    sp, sp, 16
    ret

如果我们按照 -O3 的激进的优化方式来编译，结果可能会变成类似于这样：

sum:
    blez    a0, .L1        # 如果 n <= 0，直接跳转返回 0
    addi    a1, a0, -1     # a1 = n - 1
    mul     a0, a0, a1     # n * (n - 1)
    srli    a0, a0, 1      # n * (n - 1) / 2
    ret
.L1:
    li      a0, 0          # 返回 0
    ret

可以看到，最直观的区别就是，-O3 优化的汇编代码比 -O0 的汇编代码短得多。事实上，-O3 优化在这里避免了不必要的内存存取，改在寄存器中更快地完成这部分工作；甚至，这种优化还将庞大的循环直接从数学上化简成了求和公式。-O3 优化，在代码的时空复杂度上讲，比 -O0 优化有很大的缩减。

以上只是一个非常浅显的、便于理解的优化的例子。在后续的章节中，我们可能会涉及到如循环展开之类的优化方式，等涉及到时再补充。

汇编 Assembly

汇编过程是由汇编器 Assembler 完成的，它把由编译器生成的汇编代码汇编成二进制代码——这个过程的重点部分，我们已经在前两章中讨论过了，在此概括、补充一下完整过程：

第一步，根据含有伪指令的汇编代码来组织代码和数据，如将伪指令替换为标准指令、确定代码段、数据段的位置，声明全局符号等；第二步，汇编器将处理后的标准指令转换成二进制01串，生成机器语言；第三步，汇编器将生成的机器语言、信息表等打包为目标对象文件 .o，供后续链接器使用。

大端序 / 小端序

除了前面涉及的 RISC-V 代码翻译问题外，这里需要额外补充的是关于大端序/小端序的内容。所谓大端序/小端序 Big/Little Endian，就是缓冲区、内存、硬盘等存储容器中字节的存放/读取顺序。不难看出，这个顺序对于读取一段数据或代码来说至关重要。其中，小端序指的是最低位在最右侧的写法，大端序指的是最低位在最左侧的写法。RISC-V 使用的是小端序。比如，对于 0x12345678 这样一段十六进制数据，不同方式的存储如下：

内存地址	0x00	0x01	0x02	0x03
小端序	0x78	0x56	0x34	0x12
大端序	0x12	0x34	0x56	0x78

需要注意的是，具体按照小端序还是大端序存储/读取只是一种解释规则，具体顺序由 CPU 管理。另外，不论是小端序还是大端序，在每个字节内部的存储顺序是不会改变的——这是在说，即使是小端序，0x78 在同一内存地址字节上的存储方式还是 0b 0111 1000，而不会发生任何翻转。

汇编器的输出

这里简单整理一下汇编器的输出内容，主要包括代码和信息表两类，有兴趣的读者可以看一眼。

目标文件头 Object file header 包含目标文件中其它部分的大小和位置信息
文本段 Text segment 存储可执行的机器码
静态数据段 Static data segment 存储静态数据
符号表 Symbol table 列出文件中的标签和静态数据，方便被其他程序引用
重定向表 Relocation table 包含之后需要被链接器 Linker 修正的代码
调试信息 Debugging info 用于调试程序，记录变量名、函数名、行号与机器代码的对应关系

链接 Linking

链接过程，就是把目标 .o 文件合并整理成正式可执行文件的过程。从输入输出的角度来看，链接器 Linker 输入的是目标代码和信息表，而输出的是可执行文件。从具体操作的角度来看，链接过程中，链接器会给代码中所有的数据标签（内存中变量的地址）、指令标签（内存中代码的地址）分配一个具体的地址（动态链接库函数除外），然后把几个目标文件的文本段合并，数据段合并放在文本段后。

链接这一步的主要意义在于，在有多个目标文件的情况下，每个文件独立编译、汇编形成的二进制指令都以各自的文件第一行代码为地址 0x0000 0000——这样在整个项目运行时，代码跳转就全乱套了！因此，链接过程会给这些目标文件排个序，然后把代码、内存变量按顺序排好，然后刷新这些设计内存地址的指令。这样一来，整个项目就可以形成一个完整的可执行文件，独立于其它文件运行。

对于上面我这一段解释，有两处不严谨的地方，我将在下面一一补充：

跳转

在 RISC-V 代码中，存在 3 种指令跳转：程序内部跳转、外部函数引用、外部静态数据访问。其中，程序内部跳转是不需要链接器的，因为它使用的是代码相对地址（还记得 RISC-V B-Type 指令跳转吗？当时我们举例时只说了跳转目标在当前指令下面第几行，并没有给出具体的地址），汇编器就能正确翻译成最终执行时的二进制指令。而后两种（外部函数引用、外部静态数据访问）跳转目标地址不在指令所在文件中，因此汇编器不知道应该跳转到哪里，需要链接器来辅助定位。

静态链接 & 动态链接

在学习 C/C++ 时，你一定听说过静态（链接）库和动态（链接）库——两者都是代码对外部库的链接方式。静态链接库的整个库都会被链接器导入可执行文件，而动态链接库在链接器处只登记一个地址，到执行时才被链接上。

一旦知道了这个区别，二者的优劣势就很容易理解了。静态链接库由于在链接时就完成了写入，因此可执行文件不会跟随库的更新而更新；而且可执行文件中包含了大量静态库中未使用的函数，因此可执行文件占用空间较大；但是静态链接库由于在可执行文件中包括了全部执行所需内容，因此执行时不需要做其它链接工作，运行速度较快。反过来，动态链接库会实时更新，可执行文件较小，但运行速度略慢。

具体地说，在链接器那里，静态链接库会被直接视为项目文件的一部分，和其它目标文件一起链接为一个完整的可执行文件。而动态链接库则只在可执行文件中留下一个内存地址——这个内存地址就像一个邮箱，在链接时邮箱是空的，而加载时动态库中用到的代码段会加载进这个邮箱里，执行时就跳转到这个邮箱这里。可以说，静态库函数的导入完全发生在链接器中，而动态库函数的导入发生在链接器和加载器中。（如果你刷一些往年卷，涉及到动态库导入所在步骤的选择题都有两个答案正确）

加载 Loading

加载器，在大部分情况下，是操作系统的一部分，负责在运行前把可执行文件启动为一个进程。不同于前面三个步骤往往在编译时全部完成，加载过程在程序运行前进行。

具体地说，加载过程有以下步骤：

读取可执行文件的文件头，确定代码 text 段和数据 data 段分别的大小
申请一个足够大的内存空间，来存储代码 text 段、数据 data 段和一个栈区
把指令和数据从可执行文件里复制到新申请的内存空间（在这一步动态库加载完成）
把传递给程序的参数复制到栈区上
初始化寄存器：大部分寄存器清除数据，栈指针 sp/x2 指向第一块空栈区地址
开始运行程序，把程序的参数从栈区复制到寄存器上，设定程序计数器寄存器 PC

经过这些步骤，可执行文件就成功在操作系统上跑起来了。

至此，整个 C.A.L.L. 步骤就完成了，一个程序从高级语言代码到执行的进程的全过程大致如上，读者可以在此略作总结回顾，从下一章开始，我们就要开始探索计算机的硬件系统了。

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