你好，我是LMOS。
歡迎來到操作系統第一課。在真正打造操作系統前，有一條必經之路：你知道程序是如何運行的嗎？
一個熟練的編程老手只需肉眼看着代碼，就能對其運行的過程了如指掌。但對於初學者來說，這常常是很困難的事，這需要好幾年的程序開發經驗，和在長期的程序開發過程中對編程基本功的積累。
我記得自己最初學習操作系統的時候，面對邏輯稍微復雜的一些程序，在編寫、調試代碼時，就會陷入代碼的迷宮，找不到東南西北。
不知道你現在處在什么階段，是否曾有同樣的感受？我常常說，扎實的基本功就像手里的指南針，你可以一步步強大到不依賴它，但是不能沒有。
因此今天，我將帶領你從“Hello World”起，扎實基本功，探索程序如何運行的所有細節和原理。
一切要從牛人做的牛逼事說起
第一位牛人，是世界級計算機大佬的傳奇——Unix之父Ken Thompson。
在上世紀60年代的一個夏天，Ken Thompson的妻子要回娘家一個月。呆在貝爾實驗室的他，竟然利用這極為孤獨的一個月，開發出了UNiplexed Information and Computing System（UNICS）——即UNIX的雛形，一個全新的操作系統。
要知道，在當時C語言並沒有誕生，從嚴格意義上說，他是用B語言和匯編語言在PDP-7的機器上完成的。
牛人的朋友也是牛人，他的朋友Dennis Ritchie也隨之加入其中，共同創造了大名鼎鼎的C語言，並用C語言寫出了UNIX和后來的類UNIX體系的幾十種操作系統，也寫出了對后世影響深遠的第一版“Hello World”：
#include "stdio.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
printf("Hello World!\n");
return 0;
}
計算機硬件是無法直接運行這個C語言文本程序代碼的，需要C語言編譯器，把這個代碼編譯成具體硬件平台的二進制代碼。再由具體操作系統建立進程，把這個二進制文件裝進其進程的內存空間中，才能運行。
聽起來很復雜？別急，接着往下看。
程序編譯過程
我們暫且不急着摸清操作系統所做的工作，先來研究一下編譯過程和硬件執行程序的過程，約定使用GCC相關的工具鏈。
那么使用命令：gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 或者 gcc ./HelloWorld.c -o ./HelloWorld ，就可以編譯這段代碼。其實，GCC只是完成編譯工作的驅動程序，它會根據編譯流程分別調用預處理程序、編譯程序、匯編程序、鏈接程序來完成具體工作。
下圖就是編譯這段代碼的過程：
其實，我們也可以手動控制以上這個編譯流程，從而留下中間文件方便研究：
- gcc HelloWorld.c -E -o HelloWorld.i預處理：加入頭文件，替換宏。
- gcc HelloWorld.c -S -c HelloWorld.s編譯：包含預處理，將C程序轉換成匯編程序。
- gcc HelloWorld.c -c HelloWorld.o匯編：包含預處理和編譯，將匯編程序轉換成可鏈接的二進制程序。
- gcc HelloWorld.c -o HelloWorld鏈接：包含以上所有操作，將可鏈接的二進制程序和其它別的庫鏈接在一起，形成可執行的程序文件。
程序裝載執行
對運行內容有了了解后，我們開始程序的裝載執行。
我們將請出第三位牛人——大名鼎鼎的阿蘭·圖靈。在他的眾多貢獻中，很重要的一個就是提出了一種理想中的機器：圖靈機。
圖靈機是一個抽象的模型，它是這樣的：有一條無限長的紙帶，紙帶上有無限個小格子，小格子中寫有相關的信息，紙帶上有一個讀頭，讀頭能根據紙帶小格子里的信息做相關的操作並能來回移動。
文字敘述還不夠形象，我們來畫一幅插圖：
不理解？下面我再帶你用圖靈機執行一下“1+1=2”的計算，你就明白了。我們定義讀頭讀到“+”之后，就依次移動讀頭兩次並讀取格子中的數據，最后讀頭計算把結果寫入第二個數據的下一個格子里，整個過程如下圖：
這個理想的模型是好，但是理想終歸是理想，想要成為現實，我們得想其它辦法。
於是，第四位牛人來了，他提出了電子計算機使用二進制數制系統和儲存程序，並按照程序順序執行，他叫馮諾依曼，他的電子計算機理論叫馮諾依曼體系結構。
根據馮諾依曼體系結構構成的計算機，必須具有如下功能：
- 把程序和數據裝入到計算機中；
- 必須具有長期記住程序、數據的中間結果及最終運算結果；
- 完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理；
- 根據需要控制程序走向，並能根據指令控制機器的各部件協調操作；
- 能夠按照要求將處理的數據結果顯示給用戶。
為了完成上述的功能，計算機必須具備五大基本組成部件：
- 裝載數據和程序的輸入設備；
- 記住程序和數據的存儲器；
- 完成數據加工處理的運算器；
- 控制程序執行的控制器；
- 顯示處理結果的輸出設備。
根據馮諾依曼的理論，我們只要把圖靈機的幾個部件換成電子設備，就可以變成一個最小核心的電子計算機，如下圖：
是不是非常簡單？這次我們發現讀頭不再來回移動了，而是靠地址總線尋找對應的“紙帶格子”。讀取寫入數據由數據總線完成，而動作的控制就是控制總線的職責了。
更形象地將HelloWorld程序裝入原型計算機
下面，我們嘗試將HelloWorld程序裝入這個原型計算機，在裝入之前，我們先要搞清楚HelloWorld程序中有什么。
我們可以通過gcc -c -S HelloWorld得到（只能得到其匯編代碼，而不能得到二進制數據）。我們用objdump -d HelloWorld程序，得到/lesson01/HelloWorld.dump，其中有很多庫代碼（只需關注main函數相關的代碼），如下圖：
以上圖中，分成四列：第一列為地址；第二列為十六進制，表示真正裝入機器中的代碼數據；第三列是對應的匯編代碼；第四列是相關代碼的注釋。這是x86_64體系的代碼，由此可以看出x86 CPU是變長指令集。
接下來，我們把這段代碼數據裝入最小電子計算機，狀態如下圖：
重點回顧
以上，對應圖中的偽代碼你應該明白了：現代電子計算機正是通過內存中的信息（指令和數據）做出相應的操作，並通過內存地址的變化，達到程序讀取數據，控制程序流程（順序、跳轉對應該圖靈機的讀頭來回移動）的功能。
這和圖靈機的核心思想相比，沒有根本性的變化。只要配合一些I/O設備，讓用戶輸入並顯示計算結果給用戶，就是一台現代意義的電子計算機。
到這里，我們理清了程序運行的所有細節和原理。還有一點，你可能有點疑惑，即printf對應的puts函數，到底做了什么？而這正是我們后面的課程要探索的！
這節課的配套代碼，你可以從這里下載。
思考題
為了實現C語言中函數的調用和返回功能，CPU實現了函數調用和返回指令，即上圖匯編代碼中的“call”，“ret”指令，請你思考一下：call和ret指令在邏輯上執行的操作是怎樣的呢？
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