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编译器如何将机器码存储在内存

发布时间: 2022-10-18 11:22:55

‘壹’ c语言变量如何存储在内存中

在系统为一个程序分配的空间中,分成许多段,比如有代码段,存放程序可执行代码,有数据段,可以分配变量,有常量段,专门存放常量,是只读的。常量变量可以位于数据段中,仍然是变量,只是程序没有改动权限。在程序执行到main之前,系统负责将常量区存储的常量赋值给常量。

‘贰’ 谁能简单阐述下java编译执行的过程

Java虚拟机(JVM)是可运行Java代码的假想计算机。只要根据JVM规格描述将解释器移植到特定的计算机上,就能保证经过编译的任何Java代码能够在该系统上运行。本文首先简要介绍从Java文件的编译到最终执行的过程,随后对JVM规格描述作一说明。

一.Java源文件的编译、下载、解释和执行
Java应用程序的开发周期包括编译、下载、解释和执行几个部分。Java编译程序将Java源程序翻译为JVM可执行代码?字节码。这一编译过程同C/C++的编译有些不同。当C编译器编译生成一个对象的代码时,该代码是为在某一特定硬件平台运行而产生的。因此,在编译过程中,编译程序通过查表将所有对符号的引用转换为特定的内存偏移量,以保证程序运行。Java编译器却不将对变量和方法的引用编译为数值引用,也不确定程序执行过程中的内存布局,而是将这些符号引用信息保留在字节码中,由解释器在运行过程中创立内存布局,然后再通过查表来确定一个方法所在的地址。这样就有效的保证了Java的可移植性和安全性。

运行JVM字节码的工作是由解释器来完成的。解释执行过程分三部进行:代码的装入、代码的校验和代码的执行。装入代码的工作由"类装载器"(class loader)完成。类装载器负责装入运行一个程序需要的所有代码,这也包括程序代码中的类所继承的类和被其调用的类。当类装载器装入一个类时,该类被放在自己的名字空间中。除了通过符号引用自己名字空间以外的类,类之间没有其他办法可以影响其他类。在本台计算机上的所有类都在同一地址空间内,而所有从外部引进的类,都有一个自己独立的名字空间。这使得本地类通过共享相同的名字空间获得较高的运行效率,同时又保证它们与从外部引进的类不会相互影响。当装入了运行程序需要的所有类后,解释器便可确定整个可执行程序的内存布局。解释器为符号引用同特定的地址空间建立对应关系及查询表。通过在这一阶段确定代码的内存布局,Java很好地解决了由超类改变而使子类崩溃的问题,同时也防止了代码对地址的非法访问

随后,被装入的代码由字节码校验器进行检查。校验器可发现操作数栈溢出,非法数据类型转化等多种错误。通过校验后,代码便开始执行了。

Java字节码的执行有两种方式:
1.即时编译方式:解释器先将字节码编译成机器码,然后再执行该机器码。
2.解释执行方式:解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成Java字节码程 序的所有操作。
通常采用的是第二种方法。由于JVM规格描述具有足够的灵活性,这使得将字节码翻译为机器代码的工作

具有较高的效率。对于那些对运行速度要求较高的应用程序,解释器可将Java字节码即时编译为机器码,从而很好地保证了Java代码的可移植性和高性能。

二.JVM规格描述
JVM的设计目标是提供一个基于抽象规格描述的计算机模型,为解释程序开发人员提很好的灵活性,同时也确保Java代码可在符合该规范的任何系统上运行。JVM对其实现的某些方面给出了具体的定义,特别是对Java可执行代码,即字节码(Bytecode)的格式给出了明确的规格。这一规格包括操作码和操作数的语法和数值、标识符的数值表示方式、以及Java类文件中的Java对象、常量缓冲池在JVM的存储映象。这些定义为JVM解释器开发人员提供了所需的信息和开发环境。Java的设计者希望给开发人员以随心所欲使用Java的自由。

JVM定义了控制Java代码解释执行和具体实现的五种规格,它们是:
JVM指令系统
JVM寄存器
JVM栈结构
JVM碎片回收堆
JVM存储区

2.1JVM指令系统

JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。Java指令也是由 操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数,操作数进紧随在操作码的后面,其长度根据需要而不同。操作码用于指定一条指令操作的性质(在这里我们采用汇编符号的形式进行说明),如iload表示从存储器中装入一个整数,anewarray表示为一个新数组分配空间,iand表示两个整数的"与",ret用于流程控制,表示从对某一方法的调用中返回。当长度大于8位时,操作数被分为两个以上字节存放。JVM采用了"big endian"的编码方式来处理这种情况,即高位bits存放在低字节中。这同 Motorola及其他的RISC CPU采用的编码方式是一致的,而与Intel采用的"little endian "的编码方式即低位bits存放在低位字节的方法不同。

Java指令系统是以Java语言的实现为目的设计的,其中包含了用于调用方法和监视多先程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令,目前已使用了160多种操作码。

2.2JVM指令系统

所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器,便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问,这有利于提高运行速度。然而,如果虚拟机中的寄存器比实际CPU的寄存器多,在实现虚拟机时就会占用处理器大量的时间来用常规存储器模拟寄存器,这反而会降低虚拟机的效率。针对这种情况,JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是:
pc程序计数器
optop操作数栈顶指针
frame当前执行环境指针
vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针
所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop,frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。

2.3JVM栈结构

作为基于栈结构的计算机,Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后,便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架,以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息:
局部变量
执行环境
操作数栈

局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。
执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。它们是:上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。例如:如果解释器要执行iadd(整数加法),首先要从frame寄存器中找到当前执行环境,而后便从执行环境中找到操作数栈,从栈顶弹出两个整数进行加法运算,最后将结果压入栈顶。
操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。

2.4JVM碎片回收堆

Java类的实例所需的存储空间是在堆上分配的。解释器具体承担为类实例分配空间的工作。解释器在为一个实例分配完存储空间后,便开始记录对该实例所占用的内存区域的使用。一旦对象使用完毕,便将其回收到堆中。
在Java语言中,除了new语句外没有其他方法为一对象申请和释放内存。对内存进行释放和回收的工作是由Java运行系统承担的。这允许Java运行系统的设计者自己决定碎片回收的方法。在SUN公司开发的Java解释器和Hot Java环境中,碎片回收用后台线程的方式来执行。这不但为运行系统提供了良好的性能,而且使程序设计人员摆脱了自己控制内存使用的风险。

2.5JVM存储区

JVM有两类存储区:常量缓冲池和方法区。常量缓冲池用于存储类名称、方法和字段名称以及串常量。方法区则用于存储Java方法的字节码。对于这两种存储区域具体实现方式在JVM规格中没有明确规定。这使得Java应用程序的存储布局必须在运行过程中确定,依赖于具体平台的实现方式。

JVM是为Java字节码定义的一种独立于具体平台的规格描述,是Java平台独立性的基础。目前的JVM还存在一些限制和不足,有待于进一步的完善,但无论如何,JVM的思想是成功的。

对比分析:如果把Java原程序想象成我们的C++原程序,Java原程序编译后生成的字节码就相当于C++原程序编译后的80x86的机器码(二进制程序文件),JVM虚拟机相当于80x86计算机系统,Java解释器相当于80x86CPU。在80x86CPU上运行的是机器码,在Java解释器上运行的是Java字节码。

Java解释器相当于运行Java字节码的“CPU”,但该“CPU”不是通过硬件实现的,而是用软件实现的。Java解释器实际上就是特定的平台下的一个应用程序。只要实现了特定平台下的解释器程序,Java字节码就能通过解释器程序在该平台下运行,这是Java跨平台的根本。当前,并不是在所有的平台下都有相应Java解释器程序,这也是Java并不能在所有的平台下都能运行的原因,它只能在已实现了Java解释器程序的平台下运行。

‘叁’ C语言是怎么经过转换将变量的值存储在内存中的

C语言编译器负责将源代码中的十进制的10翻译成4字节数据:0A(16进制)(实际存储为二进制,但描述起来太长不方便一般用16进制显示和描述),而一个字节的10实际上的二进制就是你说的00001010。

实际上在处理存储之前需要先分配一个内存给变量 i,并在编译环境中注册登记这个变量名-地址关系(变量表),方便后续代码访问此变量时匹配到该地址,比如遇到 i=i+2时,编译器就会生成一个指令对该地址的值进行+2操作。此外还需要生成一个MOV指令代码指挥CPU执行:数据保存到该地址。

如果你对编译后的细节感兴趣,可以在调试时按CTRL+ALT+D(VS的快捷键,也可以通过菜单导航到“调试-窗口-反汇编”,其他编译器在调试菜单中找)切换到反汇编窗口查看编译结果,系统会逐条显示每一条语句对应的汇编指令。

当你对汇编指令感到好奇之后,可以看看汇编、编译原理、8086 CPU原理、以及数字电路的译码器 等书籍,不需要完全看懂,了解下会对你学习任何编程语言有帮助,不仅仅局限于C语言。

‘肆’ C语言哪些函数语句的机器码会存储在内存中

自然不会,每一个变量(包括函数)都有自己的生命周期,程序结束后释放所有的内存,程序运行时只有被声明为inline内联函数,或者正在被调用的函数(也就是你上面收提及的第一种情况)存储在内存中(栈区),调用完毕后立即释放内存。
回答完毕,祝楼主学习进步。

‘伍’ V8编译生成的机器码究竟是什么

实际上V8的JIT编译器是直接在内存中生成机器码的,并不会先生成文本形式的汇编然后再使用汇编器去转换为机器码。“动态生成机器码”听起来可能有点玄乎,其实根本没啥,就是往内存里写字节,这些字节正好是某些机器码的意思,然后把这块内存当作函数去调用就是了。由于代码自身就是动态生成的,在生成的代码里直接嵌入resolve好的各种值其实就相当于传统编译流程里的“动态链接”的效果。顺手放俩我以前博客的传送门:V8实际上自带一个用C++实现的“汇编器库”用来动态生成机器码。它并不把文本形式的汇编转换为机器码,而是提供一组C++ API,调用这个API的函数就可以在内存里生成机器码来。有兴趣的同学可能会知道,V8的MacroAssembler库源自Animorphic的Strongtalk VM,而Strongtalk VM也是HotSpot JVM的前辈。V8 Design Elements文档里所描述的是最初期的V8的状态。当时的V8只有一个JIT编译器,一个JavaScript函数通常只会被JIT编译一次。这个JIT编译器做的优化也不是很多。后来V8演化为拥有两个JIT编译器,一个初级编译器(baseline compiler,名字叫做Full Code Generator,简称FullCodeGen),和一个优化编译器(optimizing compiler,名字叫做Crankshaft),两个编译器结合在一次构成双层编译。JavaScript函数通常会先被FullCodeGen编译,然后如果还继续执行很多次的话则会再被Crankshaft重新编译一遍,生成更优化的代码。在这个架构中,FullCodeGen里生成的代码还是跟V8 Design Elements的相似,会通过inline cache来实现property access;而这些inline cache不但用于实现fast property access,更重要的是它们会被用于收集profile,然后等到Crankshaft编译的时候,它就可以看先前收集的profile来做profile-guided optimization。以这个 function foo(p) { return p.x } 为例,参数p没有任何特别的地方,所以JavaScript引擎也无法知道p到底可能有怎样的值。但通过FullCodeGen生成的代码所收集到的profile信息,Crankshaft再去编译 foo() 的时候就可以知道p之前通常指向一个Map(hidden class)为0x2c97ccb179d1的类型的对象。这个类型的constructor为Point、[[Prototype]] 为Point.prototype、对象里有足够空间容纳10个内嵌的字段(in-object property),并且其中2个slot被用于存储Smi类型,剩余的8个slot未被使用。

‘陆’ 程序如何占内存

这儿我只讨论像C和汇编这样的编译型语言的问题。解释型语言的占用内存情况和编译语言完全不同。

所有的编译型语言在执行前最终都要转换成机器码。在windows下,.exe的主要进行工作的部分就是机器码。(像链接信息和资源和原始的源程序没有直接关系)。在执行程序的时候,机器码会先被读入内存,然后执行。
像图片,文本这一类的东西,使用什么语言都不会改变它们占用内存的情况。差异就在于机器码占用内存的情况。机器码越多,占用也越多。

编译过程其实就是把源程序转变成机器码的过程。汇编和机器码的关系几乎是一一对应的。写一句汇编程序,通常就是一个机器码指令。而像C语言一个语句通常对应很多个机器指令。实现同样的功能,使用汇编语言一定可以比像C这样的高级语言实现编译后相同或更少的机器指令。因为理论上说你可以把编译好后的机器指令一个一个用汇编“写”出来。
当然这只是理论上来说,用汇编写出比C语言编译出来的机器指令多很多也有可能。
在高级语言中,不同的编译器编译相同的程序,生成的机器码可能完全不同。执行时占用的内存也不同。汇编程序的编译出来的几乎都一样。

上面的说法用来理解所谓程序占用内存的问题是可以。但现实的系统中还涉及到不同计算机类型使用不同的机器指令。动态装入程序,以及虚拟机等等问题。具体程序是如何占用内存的,不看相当数量的东西是不可能完全理解的。

‘柒’ C语言的基本类型在内存中怎么储存的

C语言的基本类型在内存中以二进制的形式储存的。

1、整型数据:所有整数(正负零)在内存中都是以补码的形式存在。对于一个正整数来说,它的补码就是它的原码本身。对于一个负整数来说,它的补码为原码取反再加1。

2、字符型数据:把字符的相对应的ASCII码放到存储码单元中,而这些ASCII代码值在计算机中同样以二进制补码的形式存放的。

3、实型数据:也叫浮点数,在计算机中也是以二进制的方式存储,关键在于如何将十进制的小数转化为二进制来表示。

展资料:

根据计算机的内部字长和编译器的版本,C语言的基本类型表示的数的长度范围是有限定的。十进制无符号整常数的范围为0~65535,有符号数为-32768~+32767。八进制无符号数的表示范围为0~0177777。十六进制无符号数的表示范围为0X0~0XFFFF或0x0~0xFFFF。

如果使用的数超过了上述范围,就必须用长整型数来表示。长整型数是用后缀“L”或“l”来表示的。长整数158L和基本整常数158在数值上并无区别。

‘捌’ 汇编语言编译器编译出来的机器码是不是可以放到任何计算机里面运行

当然是不行的,用什么CPU的汇编语言形成的机器码只能被该类CPU所处硬件环境运行。

‘玖’ 程序编译后的机器码是在内存,还是硬盘

程序编译后,机器码是存在硬盘。

在执行时,机器码,被操作系统,读入内存。