计算机基础（三）：C语言与汇编

编程语言的发展

上一篇计算机基础（二）：汇编语言与内存介绍了汇编语言，却没有给出汇编代码，主要是因为汇编虽然简单、直接，但人们很少使用汇编直接编写程序。

汇编虽然不再要求我们写0、1组合，只需要对着CPU厂商的开发手册写程序就行，但是要我们熟悉CPU的构造，以及计算机组成原理、体系结构等等知识，其实我们只想关注要通过计算机解决的计算问题，使用、熟悉计算机并不是目的，这些只是手段。实现程序时思维需要在解决的问题与计算机底层知识之间相互切换，使用汇编的成本还是太高。因此编程语言更进一步，继续向前发展，抽象出了C语言，继而又产生了其他更多的高级语言。

语言的设计

编程语言到底干了一件什么事儿？一言以蔽之：操作数据。通过操作数据，实现通过有限次的运算步骤，得到最终结算问题的解。具体这些操作包括如下：

1. 移动：从内存到CPU、从CPU到内存；
2. 基本运算： +、-、*、/ 等基本数学运算；
3. 逻辑运算：移位、与、或、非等逻辑运算。

那如何设计一门语言，当然也应该围绕着操作数据而展开。另外，每一门语言都是为了解决它上一级语言的问题，也就是对它上一级语言的高度抽象，比如汇编语言是对ISA指令集的抽象，C语言是对汇编语言的高度抽象。但无论如何，设计一门语言始终包含如下三个方面：

1. 数据类型系统；
2. 抽象对数据的操作；
3. 添加语言自身的特性。

C语言的设计

C语言使用int、long定义数据类型，使用 +、-、*、/ 等符号抽象汇编中的运算指令操作，而对于语言自身的特性而言，C语言并没有其自身的特性，它是对汇编语言纯粹的抽象，具体表现为：

1. 指令段：抽象 为 函数；
2. 操作单元的大小 抽象为类型系统（基础数据类型-byte、short、int，内存单元2^n(n>=0)）,其他类型：结构体（表示不规则内存单元）、数组（相同类型的多个内存单元））；
3. 指令段之间的调用抽象为函数之间的调用4. 数据地址操作抽象为指针操作

C语言与汇编的映射

函数调用

先来看一段C语言的HelloWorld：

#include 
  
int main()
{
    /* 我的第一个 C 程序 */
    printf("Hello, World! \n");

    return 0;
}
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然后编译为汇编代码：

gcc -S  -fno-asynchronous-unwind-tables helloc.c

cat helloc.s 
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具体展示汇编代码如下：

        .file   "helloc.c"
        .text
        .section        .rodata
.LC0:
        .string "Hello, World! "
        .text
        .globl  main
        .type   main, @function
main:
        endbr64
        pushq   %rbp
        movq    %rsp, %rbp
        leaq    .LC0(%rip), %rdi
        call    puts@PLT
        movl    $0, %eax
        popq    %rbp
        ret
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits
        .section        .note.gnu.property,"a"
        .align 8
        .long    1f - 0f
        .long    4f - 1f
        .long    5
0:
        .string  "GNU"
1:
        .align 8
        .long    0xc0000002
        .long    3f - 2f
2:
        .long    0x3
3:
        .align 8
4:
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1. 大致看一下main指令片段中的含义，首先是开辟当前指令片段的栈桢，rbp寄存器指向栈底，rsp指向栈顶：
   pushq %rbp // 将上一个指令片段的栈底地址压栈
   movq %rsp, %rbp // 将当前栈顶地址覆盖给栈底寄存器

2. leaq 取出 LCO 地址，赋值给rdi寄存器，然后 call 调用另一个指令片段，我们有理由猜测其实际上是对应的调用 printf 来实现打印的功能，上一步可能就是传参的动作。
   leaq .LC0(%rip), %rdi
   call puts@PLT

3. 将 0 这个数放到 eax 寄存器，弹出rbp，即当前main的指令片段的栈底寄存器，ret退出执行，也就表示了main的执行结束，同时eax寄存器中存储着函数返回值。
   movl $0, %eax
   popq %rbp
   ret

小结

联系到上一篇的内容，这次我们从实际的汇编代码层面理解了函数调用的压栈与出栈操作。