编译程序与操作系统的关系

作者: keminlau 发布时间: 2010-08-31 16:49 阅读: 7085 次推荐: 2 原文链接 [收藏]

　　和很多程序员一样，编译器到目前为止对我还存在一些让我迷惑的地方。比如编译器与操作系统的关系，编译器与CPU的关系，动态链接器从哪查找共享库等。让人困惑的原因有几，第一是编译器的功能角色特殊，编译器是生成程序的程序；第二是编译过程变得越来越复杂[注]，一支编译器支持多种程序语言、支持共享库、编译优化，编译与链接可分开等；第三，操作系统的介入。本文试着从第三点——操作系统介入编译过程后对编译器的影响，看看操作系统与编译器有什么关系。

　　注：编译过程变复杂源于计算机应用变复杂。例如应用程序项目越来越庞大，功能越来越多；为了管理大项目，拆分源程序文件为多个；为了提高程序的性能，目标程序文件的链接期被延迟到运行前；为了程序的灵活安装和升级，引入各种脚本工具，如make，configure(shell)。

　　编译程序

　　我们看看编译器的一种传统定义：

　　编译程序是一支将抽象度较高的编程语言程序（也称源程序）【转化】成抽象度较低的编程语言程序（也称目标程序）的【程序】[注]。抽象度的两端分别是机器语义和人理解语义。【处理器体系】和【编程语言】是一支编译程序的根本属性。

　　注：以下仅使用【程序】一语，“器”是一种形象的比喻，不够严谨；而软件（software）是产品性的程序，最好只用在商业语境中。

　　以上对编译程序的定义描述在【现代意义下】对全面认识编译程序是不够的，因为它没有涉及操作系统，没有涉及现代的复杂的程序构建过程。有一定开发经验的程序员都知道，程序的“编译过程”包括编译、链接（静态链接与动态链接）、调试，还可能包括组态配置和安装两步。“编译”一词已经不能很好描述这个过程。整个过程可称为【程序构建】，而编译只是第一步，在这一点上，编译程序在传统意义上与现代意义上产生了不同。由于本文试图讨论编译程序与操作系统的关系，为了避免产生歧义，本文的【编译程序】包括编译和静态链接两个部分，动态链接部分有点特殊，后面会提到它的角色。

　　下面我们给出有关【操作系统与编译程序关系】的三个问题，并试图回答它们：

第一，编译程序与操作系统的关系是什么？
第二，编译程序对操作系统有依赖么？
第三，编译程序与CPU的关系又是什么？
第四，操作系统对C标准库与C编译程序的关系有什么影响？

　　为了更好的进行下一步讨论，我先给出现代编译程序比较完整的定义，并由定义引出问题：

　　现代编译程序是一支将某抽象度较高的编程语言程序【转化】为运行在【某软硬体系下】的抽象度较低的编程语言程序的【程序】。所谓硬件体系是指处理器体系，软件体系指操作系统体系。

　　要回答前三个问题，我们得厘清现代编译程序定义中的【属概念】——程序，并对操作系统有更深一层认识。

　　程序

　　程序的分类是多种多样的，比如常见的两分法是【系统程序】和【应用程序】。这是一种粗粒度的按【计算任务】不同的分法。我们看程序的定义：

　　程序（program）是完成特定【计算任务】的【指令】序列，指令由相应的【图灵机】读取并操作。

　　由以上对程序的定义可知，还可根据——程序【指令的性质】和读取程序的【图灵机】性质——两个标准再进一步对程序分类。比如，按指令序列是否连续可以分为独立程序和共享程序（使用了共享库）；按指令的抽象度可分为高级语言程序和低级语言程序。按【图灵机】的体系可分为X86程序和ARM程序，16位程序和32位程序等。

高级语言程序是不是【程序】？如果是，它的【图灵机】是什么？

我们一般理解下的【程序】是指二进制的可执行文件，那么高级语言的源程序是不是程序？从指令序列的定义看，【高级语言的源程序】是程序，因为【高级语言的源程序】与【二进制的可执行文件】一样，也是指令序列，只不过【高级语言的源程序】的【图灵机】不是CPU，也不是编译器或解释器，而是程序员。【高级语言的源程序】的功能更多体现在程序员间的相互学习和交流。

　　除了以上基本分类外，现代的程序还会受为其提供虚拟运行环境的操作系统影响，可以根据操作系统的体系属性对程序再分类，例如win32程序，linux程序。

　　操作系统

　　操作系统是什么类程序？

　　操作系统是一类比较独立的系统程序，操作系统有支持各种【图灵机】的体系类型，比如16位DOS，32位Windows，X86的BSD，ARM的 Linux等。而系统程序一般是指一支为应用程序直接提供半成品（为应用程序提供执行的虚拟环境）和协调多个应用程序并行运行的程序。所谓半成品是指，系统程序的一部分（指令序列）也是应用程序的一部分（指令序列），但这部分程序不专属任何应用程序，它是共享的。例如各种新硬件的驱动程序、C标准库函数、POSIX库函数等。而作一个协调程序，操作系统表现出与一般应用程序的程序性，如独立调度的线程，只是它们运行在权力更高的状态下。协调程序如线程调度程序。

　　非操作系统程序与操作系统的关系

　　这里的操作系统泛指像Linux这样的现代32位操作系统，而【非操作系统程序】运行在操作系统之上，对操作系统存在可能的依赖的程序。

　　其实只要是运行在某操作系统之上的程序都会烙上该操作系统的印，对操作系统有依赖，包括编译程序。不过这些程序对操作系统的依赖程度和依赖的内容确实有很多区别。例如一支最简单的【Hello world程序】都会对【操作系统的C库】产生依赖，如果去掉【Hello world程序】的输入输出功能，只作加减或逻辑运算，【Hello world程序】依然会对操作系统有少量依赖，因为【Hello world程序】由运行在该【操作系统上的编译程序】编译的，有特定的目标文件格式，并由该【操作系统的载入程序】载入内存运行[注]。这种只【在形式上】对OS存在依赖的“无用”程序可谓是最独立于OS的程序。在此基础之上，其它程序都对OS有不同程度的依赖，依赖表现在对OS内的各种程序库的依赖，比如C标准库，POSIX系统库，线程库、网络库和其它基于这些基础库的第三方应用代码库。

　　注：由此可见编译程序与引导程序、SHELL程序一样，是现代操作系统的基本部分。

　　问题初步解决