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CPU是怎麽看懂代碼的?

備註:這是我問答內容的壹個精編版,增加了壹些內容,所以和原內容略有不同。

去年底,有中國開發者已經開發出文言文編程語言,並在GitHub上摘得了5500星,在國內引起不小反響。這件事給普通人的印象是, 科技 發展日新月異,電腦CPU太厲害,都能讀懂文言文了!

CPU真的能看懂文言文代碼嗎?答案是CPU既看不懂文言文代碼,也看不懂英文代碼。

現在的CPU晶體管數量動輒幾十億個,結構非常復雜,但內部傳輸的信號只有兩種:高電壓和低電壓,分別代表數字信號“1”和“0”(也有相反的),因此CPU唯壹能看懂的就是由“1”和“0”組成的代碼。

由於程序(代碼)存儲在電腦硬盤中時,也是“1”和“0”的形式,是否就意味著,只要程序存到硬盤中,CPU就能認識呢?

答案是CPU仍然看不懂這些程序,因為以“1”和“0”位模式存儲的程序和以“1”和“0”寫成的機器語言完全是兩回事,簡單說,兩者的區別類似於漢語書和英語書都用紙和油墨印制,但依然是兩種不同的語言,不會英語的依然看不懂英語書。

機器語言是CPU唯壹能看懂的語言,也是第壹代編程語言。

圖片說明:早期的計算機程序員使用機器語言編程,將用0和1數字編成的程序代碼打在紙帶或卡片上(打孔代表1,不打孔代表0),再將它通過紙帶機或卡片機輸入計算機,進行運算。

機器語言的最大特點是面向計算機硬件編程,簡單說就是程序員需要通曉計算機硬件知識,寫的程序要真實表示數據是如何被計算機操縱的。對程序員來說這就比較頭大,壹方面不僅需要通曉計算機硬件知識,另壹方面如果計算機使用了不同的硬件,那麽就得重新編程。

畢竟上得了“廳堂”(搞掂硬件)下得了“廚房”(玩得轉軟件),只有少數大神能做到,加上機器語言純用“0”和“1”序列組成,非常單調枯燥,不僅扼殺了編程的趣味,而且對視力也是壹種考驗,稍微壹眼花,看錯1或0的排列位置,就會制造壹個大BUG。

於是,有壹幫人開始琢磨了:能不能將計算機硬件從編程中分離出來,讓硬件知識小白也能編程?

最先開竅的是藍色巨人IBM,它在其System/360計算機中引入了ISA(Instruction Set Architecture)概念,將編程所需要了解的硬件信息從硬件中抽象出來,這樣編程人員就可以面向ISA編程。由於ISA是用來描述編程時用到的抽象機器(不是具體的電腦CPU),包括了壹套指令集和壹些寄存器,因此,程序員只要知道ISA,不需要了解具體的硬件知識,就可以編寫程序,在ISA相同的電腦上運行。

這樣壹來,就出現了匯編語言,但匯編語言用符號寫成,還是不夠接地氣兒,於是高級語言就誕生了。高級語言的誕生,使程序員將精力從復雜的計算機結構轉移到要解決的問題,從而可以專心烹調程序大餐。

由此也可以看出,現在的程序員並不都是了解計算機硬件的,所以妹子們不要指望自己的程序員男朋友給妳DIY電腦,或者電腦壞了,他能給妳省下壹筆修理費。他說不會修,那就是真的不會修。

自從高級語言出現後,人類開始了在編程語言上的放飛自我,經過數十年的發明創造,現在的高級編程語言已超過2500種,像比較知名的C++和Java等,都屬於高級語言。

但問題出現了,CPU能理解的機器語言還是那個機器語言,幾十年來沒有變化,讓它讀懂高級語言那是不可能的。

怎麽辦?

其實,早在高級語言出現之前的匯編語言時代,聰明的計算機研發人員就開發出了專門的程序,用來將匯編語言和高級語言翻譯成機器語言,其過程相當於將英語名著翻譯成漢語著作。

說白了,這種翻譯程序相當於人類中的翻譯家。

翻譯程序有兩種工作方法:編譯和解釋,相應的程序名稱是編譯器和解釋器。兩者的區別是,編譯是在執行前把整個源程序(高級語言程序)翻譯成目標程序(機器語言程序),而解釋是壹次只翻譯和執行源程序中的壹行。

打個形象的比方,解釋器相當於發布會的實時翻譯,演講的嘉賓說壹句,實時翻譯馬上翻譯壹句。編譯器則相當於著作翻譯家,整本翻譯完成後,再讓出版社印刷上市。

經過翻譯程序的努力,現在CPU能看懂程序員寫的程序了。當然,用開頭提到的文言文編程語言編寫的程序想要讓CPU看懂,還得多壹道翻譯步驟,即要麽翻譯成Javascript,要麽翻譯成Python。多轉了壹圈,不知道程序執行效率如何。

由於CPU不能直接理解用高級語言寫成的代碼,必須依賴翻譯程序翻譯成機器語言,因此翻譯程序可以極大地影響甚至決定處理器性能的發揮。如果沒有壹個好的翻譯程序,那麽CPU的性能再強大,也好比茶壺裝的餃子,倒不出來。

正因為如此,谷歌在安卓4.4之後,拋棄了Dalvik虛擬機,改為ART,實際是將翻譯程序從解釋器切換到編譯器,發揮了芯片的性能,提高了程序運行效率。

現在,手機大廠包括華為、OPPO和vivo都開始重視編譯器開發,說到底就是為了發揮芯片性能,讓它不再成為倒不出餃子的茶壺。

最後總結壹下,用翻譯程序把程序員編寫的程序翻譯成二進制代碼的機器語言後,CPU就能看懂代碼了,而且翻譯程序的優劣可以影響乃至決定CPU性能發揮。

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