[面试直通版]操作系统之编程语言与运行原理(上)

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计算机的层次结构划分

学习目标

回顾为什么分层？

计算机的层次结构

程序编译与程序解释

典型问题：

语言表达

编译与解释

高级语言的虚拟机

编译器原理剖析

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• 计算机的层次结构划分

• 由于是基础性知识，所以没有相关的面试题

• 学习目标

• 掌握高级语言、汇编语言、指令集等概念
• 掌握计算机层次结构

• 回顾为什么分层？

• 在网络那说了
• 分层的目的是为了不同层实现不同的功能，并且层与层之间的关联是解耦合的
• 类比函数的实现与设计，函数体不能太长
• 太长就应该分成多个函数去实现、设计
• 计算机层次结构也是由于如此原因也进行了划分
• 一个良好的设计规范：
• 复杂系统的实现要有清晰明确的分层设计

• 计算机的层次结构

• 也可以划分为7个层次：
• 应用层
• 高级语言层
• 汇编语言层
• 操作系统层
• 传统机器层
• 微程序机器层
• 硬件逻辑层
• 操作系统层及其以上的层次可以理解为软件
• 以下的层次可以理解为硬件
• 应用层
• 主要解决的是
• 满足用户在各种场景下便捷使用计算机的需求
• 呈现为不同的多种多样的软件，满足办公场景、娱乐场景、学习场景等等
• 呈现为满足各种需求的应用
• 高级语言层
• 程序员面向的计算机层次
• 主要目的是
• 编程实现易用的应用层软件提供用户使用
• 汇编语言层
• 偏底层软件工程师面向的计算机层次
• 汇编语言可以翻译成可直接执行的机器语言
• 操作系统层
• 传统硬件与传统软件的分界线
• 向上提供了简易的操作接口
• 向下对接了指令系统，管理硬件资源
• 传统机器层->微程序
• 微程序机器层->微指令
• 硬件逻辑层->门电路
• 一条微程序由多条微指令所组成
• 门电路就是实现微指令具体的工作硬件
• 具体例子理解
• QQ这个软件在用户的层面是一个应用
• 在应用层呈现为一个app
• 底层有很多语言来实现，如有c/c++、Qt、MFC、HTML，这些属于高级语言层
• 这些高级语言通过编译器编译成汇编语言，然后交给操作系统去执行
• 操作系统它作为中介把汇编语言翻译成机器语言，然后实际地在门电路上来执行

• 程序编译与程序解释

• 典型问题：

• 请简述对Java字节码的理解
• 编译和解释有什么区别？请举例说明

• 语言表达

• 进行编程时要把人类语言转换为计算机语言实现
• 人类语言->程序语言(编程：软件工程师)
• 程序语言->机器语言(编译/解释：编译器/解释器)

• 编译与解释

• 为方便理解引入2概念
• 抽象的高级计算机语言L1
• 抽象的低级计算机语言L0
• 编译
• 使用L1进行程序逻辑描述
• L1实现一个程序，通过编译器来生成对应底层语言L0的程序，然后在操作系统上运行
• 2者实现的程序是逻辑一致的
• 解释
• 同样的，使用L1进行程序逻辑描述
• 不同的是，会有另外一个角色的加入
• 它是另外一种使用L1/L0实现的程序
• 这个程序称为解释器
• 解释器会把L1的每一行程序代码作为输入
• 输入进解释器
• 输入不是完整的输入，是一条一条的输入
• 然后输出一条又一条的偏底层的计算机语言L0
• 编译时是完整的生成另外一种程序
• 解释时只是作为一种输入，进行一条又一条的解释
• 来个例子理解
• 解释
• 用中英文翻译来理解
• 解释是一行一行逐字地把中文翻译成英文
• 因为是逐字逐行地去翻译的
• 所以在这个过程里没有全局的优化
• 编译
• 是整体的，有全局的优化和考虑

• 高级语言的虚拟机

• 以Java为例
• 从上往下为：
• Java程序
• Java字节码
• Java虚拟机
• 操作系统
• 为什么要有虚拟机
• 不同平台有不同的编译器
• 不同平台部署需要重新编译
• 如果程序从一个平台到另外一个平台，代码通常是需要重新编译的
• 编译结果不复用，导致无法运行
• 通过虚拟机，能一次编译，随处运行
• Java虚拟机向下兼容了不同的操作系统，再往下有不同架构CPU的兼容
• 所以Java虚拟机在某种程度上给编程用户是屏蔽了底层不同平台细节的
• Java是编译+解释型语言
• 它的编译和解释发生在2个部分
• 首先由Java程序编译为JVM字节码
• 再由虚拟机把字节码解释为对应的机器码进行运行
• 字节码(英语：Bytecode):通常指的是已经经过编译，但与特定机器代码无关，需要解释器转译后才能成为机器代码的中间代码
• 字节码通常不像源码一样可以让人阅读，而是编码后的数值常量、引用、指令等构成的序列

• 编译器原理剖析

• 编译器的运行过程
• 开始->词法分析->语法分析->语义分析->中间代码生成->优化分析->代码生成->结果
• 词法分析
• 保留关键字：int、float....
• 保留运输符：+、-、*、/
• 变量的转换
• 把代码作为字符流，来进入词法分析器，输出符合流，方便后面的工作
• 语法分析
• 构建语法树，判断语法树是否合法
• 将前面的符号流改造成语法树
• 语义分析
• 构建语义树
• 进行类型检查与类型转换
• 中间代码生成
• 生成计算机容易理解的代码
• 大多是三地址代码
• 优化分析
• 顾名思义
• 代码生成
• 得到前面优化的三地址代码
• 对其进行映射成相应的汇编语言指令