“ 一次真实的代码运行之旅 ”
01
提出问题
你可能编写过很多程序，但你知道自己的代码，是如何运行起来的吗？或许你已经知道了标准答案，但也别急于盖棺定论。请跟随阿布一起，用CPU的视角，一起感受一个真实、有趣的：程序启动过程。
02
代码分析
打开 Compiler Explorer，定义一个全局变量 a；然后，编写一个简单的 main 函数；定义一个局部变量 b；再申请一段内存，并赋值为：0x1122334；最后，分别打印变量 a，b，c 和 main 函数的内存地址。
让我们看一下，编译得到的可执行文件 a.out 的运行结果，如图所示。
发现问题了吗？虽然 a，b，c 3个变量，几乎是依次、连续定义的。但它们的内存地址，却相隔很远！后面我们会解释原因，此时，我们只要记住这个运行结果就好：a，b，c 3个变量和 main 函数，分别存储在 4 个不同的内存区域里面。
好了，代码写完了，a.out 也运行起来了。但代码跟这个可执行文件 a.out 又有什么关系呢？让我们打开 a.out 文件，再抽出右边的：CPU 指令，如图所示：
如你所见，所有的汇编指令，都可以在 a.out 文件中找到。不仅如此，甚至 password 也可以在 a.out 文件中找到，如图1-7所示：
所以，千万不要把密码写到你的代码里面了。至此，我们已经完全可以信任 a.out 文件了，它存储着我们所写代码对应的：CPU指令、和数据。注意，CPU是无法直接运行我们的C/C++源代码的，它只能运行 CPU 指令，但 CPU 又怎么执行硬盘上的 a.out 文件呢？
不同于直接把 a.out 文件，加载到真实的：计算机内存里面。相反，现代操作系统，会基于：物理内存和 MMU 协处理器，为给我们构建一个巨大的虚拟内存，如图所示：
这可以帮助程序员，编写出：超越物理内存限制的代码，至于，这些虚拟内存最终会被 MMU 映射到哪块真实的物理内存上？这里并不做具体讨论，感兴趣的同学，可以参看：CPU眼里的：虚拟内存
万事具备，现在可以把 a.out 文件从硬盘上加载到虚拟内存里面了，让我们再深入到内存块的内部，看看更多的细节，如图所示：
如你所见，内存地址，由低到高，分别存放着：main 函数的 CPU 指令，我们也称这个区域为：代码段；随后的内存区域，存放着全局变量 a 的值，我们也称这个区域为：数据段；经过更长的一段距离后，来到.heap这个内存区域，在程序运行起来以后，会存储数值：0x11223344，我们也称这个区域为 “堆”（heap）。
而在最上面的内存区域.stack，则存放着变量 b 和 c 的值，没错，这个区域就是我们常说的：“堆栈”（stack）。不过，由于程序还没有运行起来，变量 b 和 c 的值，还没有被 main 函数赋值，因此，它们现在的值，可能是随机的。
至此，我们的程序加载过程，就基本完成了。但尽管完成了程序的加载，我们的程序依旧没有运行机会。为此，操作系统还会为我们的程序，建立一个叫做：“进程”的数据结构，并存储在特定的内存区域里面。其中决定程序运行的信息就是：线程的“上下文”。
简单的说，“上下文”就是 CPU 的寄存器状态，详情可以参看：CPU眼里的：上下文 | Context，简单起见，我们就让 rip 寄存器值等于：main 函数的首地址，如图所示：
这样，一旦操作系统进行任务调度，让我们的进程得以执行时，rip 寄存器，就会引导 CPU 去执行a.out文件里面的 main 函数，如图所示：
至此，代码的编译、加载、运行，全部完成！
03
总结
1. 程序的源代码，在经过编译后，会根据源代码的意义，分析出：代码、数据、等信息，存放在可执行文件上；如果不加调试信息的话，变量和函数的名称，是不需要存储的。
2. 当计算机加载可执行文件的时候，会把代码、数据，从可执行文件，拷贝到不同的内存区域里面；同时，也会分配“堆”和“堆栈”的内存区域，但在程序运行之前，“堆”和“堆栈”里面的内容是不确定的。
3. “堆”和“堆栈”之间，有着巨大的内存空白，这让“堆”和“堆栈”有了充分的生长空间，虽然看上去非常浪费， 但那仅仅是虚拟内存视角上的空白，只有在真正读写这段内存时，操作系统才会为其映射真正的物理内存，而且是用多少，映射多少。
04
热点问题
Q1：既然“堆”和“堆栈”都是在程序运行时，程序用到多少，就会分配多少。那会不会随着程序的运行，可执行程序*ex.e**，所占据的内存会越来越大？
A1：是的，可执行程序*ex.e**在运行的时候，内存确实有不断增大的风险。
风险 1：内存泄露，不断的通过 malloc/new 在 “堆” 上申请内存，但不释放；
风险 2：函数递归调用，随着调用深度不断加深，“堆栈”也被不断的消耗，直至“堆栈”溢出，程序崩溃（因为操作系统一般不会任由“堆栈”无限制的消耗下去）。
如果你注意看自己的Windows任务管理器的话，几乎所有的程序，它们所占据的内存都是变化的，如图所示：
Q2：为什么没有BSS段，为什么需要BSS段？
A2：简单起见，这里没有对数据段作更多的细分。BSS段也叫未初始化的数据段，代码中没有初始化的全局变量、静态变量会被存储在这个区域，在程序运行的时候，它们的值会被统一设置成：0；因为，这些数据不需要存储初值，所以可以节省*ex.e**文件的大小，对于嵌入式系统而言，则可以节省ROM的空间。
05
更多知识
如果喜欢阿布这种解读方式，希望更加系统学习这些编程知识的话，也可以考虑看看由 阿布 亲自编写，并有多位 微软大佬 联袂推荐的新书《CPU眼里的C/C++》
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