计算机语言发展

妖狐艹你老母 2021-11-17 00:48 380阅读 0赞

计算机真正能够理解的是低级语言，因为 CPU 只负责计算，本身不具备智能。你输入一条指令（instruction），它就运行一次，然后停下来，等待下一条指令。这些指令都是二进制的，称为操作码（opcode），比如加法指令就是00000011。最初，编写程序就是手写二进制指令，然后通过各种开关输入计算机，比如：要做加法了，就按一下加法开关。后来，发明了纸带打孔机，通过在纸带上打孔，将二进制指令自动输入计算机。

为了解决二进制指令的可读性问题，工程师将那些指令写成了八进制。二进制转八进制是轻而易举的，但是八进制的可读性也不行。很自然地，最后还是用文字表达，加法指令写成 ADD。内存地址也不再直接引用，而是用标签表示。这样的话，就多出一个步骤，要把这些文字指令翻译成二进制，这个步骤就称为汇编（assembling），完成这个步骤的程序就叫做 汇编（assembler）。它处理的文本，自然就叫做汇编代码（aseembly code）。标准化以后，称为汇编语言（assembly language），缩写为 asm。对于人类来说，二进制程序是不可读的，根本看不出来机器干了什么。为了解决可读性的问题，以及偶尔的编辑需求，就诞生了汇编语言。汇编语言就是低级语言，直接描述/控制 CPU 的运行。如果你想了解 CPU到底干了些什么，以及代码的运行步骤，就一定要学习汇编语言。

寄存器

CPU 本身只负责运算，不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中，CPU 要用的时候就去内存读写数据。但是，CPU 的运算速度远高于内存的读写速度，为了避免被拖慢，CPU 都自带一级缓存和二级缓存。但是，CPU 缓存还是不够快，另外数据在缓存里面的地址是不固定的，CPU 每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此，除了缓存之外，CPU 还自带了寄存器（register），用来储存最常用的数据。也就是说，那些最频繁读写的数据（比如循环变量），都会放在寄存器里面，CPU 优先读写寄存器，再由寄存器跟内存交换数据。寄存器不依靠地址区分数据，而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称，我们告诉 CPU 去具体的哪一个寄存器拿数据，这样的速度是最快的。有人比喻寄存器是 CPU 的零级缓存。寄存器只能存放很少量的数据，大多数时候，CPU 要指挥寄存器直接跟内存交换数据。

早期的 x86 CPU 只有8个寄存器，而且每个都有不同的用途。现在的寄存器已经有100多个了，都变成通用寄存器，不特别指定用途了，但寄存器的名字都被保存了下来。  
eax，ebx，ecx，edx，edi，esi，ebp，esp，其中 esp 有特定用途，用于保存当前栈（Stack）的地址。

我们常常看到 32位 CPU、64位 CPU 这样的名称，其实指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4个字节，64位就是8个字节。所以，64位操作系统是需要64位 CPU 支持。

内存模型：堆（Heap）

程序运行时，操作系统会给它分配一段内存，用来储存程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址，比如：从 0x1000 到 0x8000，起始地址是较小的那个地址，结束地址是较大的那个地址。  
程序在运行中，对于动态的内存占用请求（比如：新建对象，或 malloc 命令），系统就会从预先分配好的那段内存之中，划出一部分给用户，具体规则是从起始地址开始划分（实际上，起始地址会有一段静态数据，这里忽略）。举例来说，用户要求得到10个字节内存，那么从起始地址 0x1000 开始给他分配，一直分配到地址 0x100A，如果再要求得到22个字节，那么就分配到 0x1020。这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域，叫做堆（Heap）。它由起始地址开始，从低位（地址）向高位（地址）增长。Heap 的一个重要特点就是不会自动消失，必须手动释放，或者由垃圾回收机制来回收。

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内存模型：栈（Stack）  
简单说，Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域。

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请看下面的例子。

int main() {
    
        int a = 2;
        int b = 3;
        return add_a_and_b(a, b);
    
    }

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上面代码中，系统开始执行main函数时，会为它在内存里面建立一个帧（frame），所有 main 的内部变量（a 和 b ）都保存在这个帧里面。main 函数执行结束后，该帧就会被回收，释放所有的内部变量，不再占用空间。  
main 函数内部调用了 add\_a\_and\_b 函数。执行到这一行的时候，系统也会为add\_a\_and\_b新建一个帧，用来储存它的内部变量。也就是说，此时同时存在两个帧：main和add\_a\_and\_b。一般来说，调用栈有多少层，就有多少帧。等到add\_a\_and\_b运行结束，它的帧就会被回收，系统会回到函数main刚才中断执行的地方，继续往下执行。通过这种机制，就实现了函数的层层调用，并且每一层都能使用自己的本地变量。

所有的帧都存放在 Stack，由于帧是一层层叠加的，所以 Stack 叫做栈。生成新的帧，叫做"入栈"，英文是 push；栈的回收叫做"出栈"，英文是 pop。Stack 的特点就是，后进先出，因为最内层的函数调用，最先运行结束，每一次函数执行结束，就自动释放一个帧，直到所有函数执行结束，整个 Stack 就都释放了。  
Stack 是由内存区域的结束地址开始，从高位（地址）向低位（地址）分配。比如，内存区域的结束地址是0x8000，第一帧假定是16字节，那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始；第二帧假定需要64字节，那么地址就会移动到0x7FB0。

堆（Heap）和 栈（Stack）的区别  
它们都是存放数据的一块内存空间。它们主要区别是：stack是有结构的，每个区块按照一定次序存放，可以明确知道每个区块的大小；heap是没有结构的，数据可以任意存放。因此，stack的寻址速度要快于heap。

一般来说，每个线程分配一个stack，每个进程分配一个heap，也就是说，stack 是线程独占的，heap 是线程共用的。此外，stack 创建的时候，大小是确定的，数据超过这个大小，就发生 stack overflow 错误，而heap的大小是不确定的，需要的话可以不断增加。根据上面这些区别，数据存放的规则是：只要是局部的、占用空间确定的数据，一般都存放在 stack 里面，否则就放在 heap 里面。

请看下面这段代码

//整个 Method1 方法会在 stack 里面创建一个帧
    public void Method1(){
    
        //i 的值是整数，占用空间大小确定，而且是局部变量，所以放在 stack 中。
        int i=4; 
    
        //obj 是局部变量，类型为指针，占用空间大小确定，指向一个对象的实例，所以放在 stack 中。 
        //这里同时产生的对象实例（ classA Object），且无法确定其所占用的内存空间大小，因此对象实例存放在堆中 。
        classA obj = new classA();
    
    }

来源： http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/01/assembly-language-primer.html

转载于:https://www.cnblogs.com/zbseoag/p/10833616.html

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