編譯器和作業系統

 

和很多程式員一樣，編譯器到目前為止對我還存在一些讓我迷惑的地方。比如編譯器與作業系統的關係，編譯器與CPU的關係，動態連結器從哪尋找共用庫等。讓人困惑的原因有幾，第一是編譯器的功能角色特殊，編譯器是產生程式的程式；第二是編譯過程變得越來越複雜[注]，一支編譯器支援多種程式語言、支援共用庫、編譯最佳化，編譯與連結可分開等；第三，作業系統的介入。本文試著從第三點——作業系統介入編譯過程後對編譯器的影響，看看作業系統與編譯器有什麼關係。

　　註：編譯過程變複雜源於電腦應用變複雜。例如應用程式項目越來越龐大，功能越來越多；為了管理大項目，拆分來源程式檔案為多個；為了提高程式的效能，目標程式檔案的連結期被延遲到運行前；為了程式的靈活安裝和升級，引入各種指令碼工具，如make，configure(shell)。

　　編譯器

　　我們看看編譯器的一種傳統定義：

　　編譯器是一支將抽象度較高的程式設計語言程式（也稱來源程式）【轉化】成抽象度較低的程式設計語言程式（也稱目標程式）的【程式】[注]。抽象度的兩端分別是機器語義和人理解語義。【處理器體系】和【程式設計語言】是一支編譯器的根本屬性。

　　註：以下僅使用【程式】一語，“器”是一種形象的比喻，不夠嚴謹；而軟體（software）是產品性的程式，最好只用在商業語境中。

　　以上對編譯器的定義描述在【現代意義下】對全面認識編譯器是不夠的，因為它沒有涉及作業系統，沒有涉及現代的複雜的程式構建過程。有一定開發經驗的程式員都知道，程式的“編譯過程”包括編譯、連結（靜態連結與動態連結）、調試，還可能包括組態配置和安裝兩步。“編譯”一詞已經不能很好描述這個過程。整個過程可稱為【程式構建】，而編譯只是第一步，在這一點上，編譯器在傳統意義上與現代意義上產生了不同。由於本文試圖討論編譯器與作業系統的關係，為了避免產生歧義，本文的【編譯器】包括編譯和靜態連結兩個部分，動態連結部分有點特殊，後面會提到它的角色。

　　下面我們給出有關【作業系統與編譯器關係】的三個問題，並試圖回答它們：

·第一，編譯器與作業系統的關係是什嗎？

·第二，編譯器對作業系統有依賴嗎？

·第三，編譯器與CPU的關係又是什嗎？

·第四，作業系統對C標準庫與C編譯器的關係有什麼影響？

　　為了更好的進行下一步討論，我先給出現代編譯器比較完整的定義，並由定義引出問題：

　　現代編譯器是一支將某抽象度較高的程式設計語言程式【轉化】為運行在【某軟硬體系下】的抽象度較低的程式設計語言程式的【程式】。所謂硬體體系是指處理器體系，軟體體系指作業系統體系。

　　要回答前三個問題，我們得釐清現代編譯器定義中的【屬概念】——程式，並對作業系統有更深一層認識。

　　程式

　　程式的分類是多種多樣的，比如常見的兩分法是【系統程式】和【應用程式】。這是一種粗粒度的按【計算任務】不同的分法。我們看程式的定義：

　　程式（program）是完成特定【計算任務】的【指令】序列，指令由相應的【圖靈機】讀取並操作。

　　由以上對程式的定義可知，還可根據——程式【指令的性質】和讀取程式的【圖靈機】性質——兩個標準再進一步對程式分類。比如，按指令序列是否連續可以分為獨立程式和共用程式（使用了共用庫）；按指令的抽象度可分為進階語言程式和低級語言程式。按【圖靈機】的體系可分為X86程式和ARM程式，16位程式和32位程式等。

進階語言程式是不是【程式】？如果是，它的【圖靈機】是什嗎？

我們一般理解下的【程式】是指二進位的可執行檔，那麼進階語言的來源程式是不是程式？從指令序列的定義看，【進階語言的來源程式】是程式，因為【進階語言的來源程式】與【二進位的可執行檔】一樣，也是指令序列，只不過【進階語言的來源程式】的【圖靈機】不是CPU，也不是編譯器或解譯器，而是程式員。【進階語言的來源程式】的功能更多體現在程式員間的相互學習和交流。

　　除了以上基本分類外，現代的程式還會受為其提供虛擬運行環境的作業系統影響，可以根據作業系統的體系屬性對程式再分類，例如win32程式，linux程式。

　　作業系統

　　作業系統是什麼類程式？

　　作業系統是一類比較獨立的系統程式，作業系統有支援各種【圖靈機】的體系類型，比如16位DOS，32位Windows，X86的BSD，ARM的 Linux等。而系統程式一般是指一支為應用程式直接提供半成品（為應用程式提供執行的虛擬環境）和協調多個應用程式並行啟動並執行程式。所謂半成品是指，系統程式的一部分（指令序列）也是應用程式的一部分（指令序列），但這部分程式不專屬任何應用程式，它是共用的。例如各種新硬體的驅動程式、C標準庫函數、POSIX庫函數等。而作一個協調程式，作業系統表現出與一般應用程式的程式性，如獨立調度的線程，只是它們運行在權力更高的狀態下。協調程式如線程發送器。

　　非作業系統程式與作業系統的關係

　　這裡的作業系統泛指像Linux這樣的現代32位作業系統，而【非作業系統程式】運行在作業系統之上，對作業系統存在可能的依賴的程式。

　　其實只要是運行在某作業系統之上的程式都會烙上該作業系統的印，對作業系統有依賴，包括編譯器。不過這些程式對作業系統的依賴程度和依賴的內容確實有很多區別。例如一支最簡單的【Hello world程式】都會對【作業系統的C庫】產生依賴，如果去掉【Hello world程式】的輸入輸出功能，只作加減或邏輯運算，【Hello world程式】依然會對作業系統有少量依賴，因為【Hello world程式】由運行在該【作業系統上的編譯器】編譯的，有特定的目標檔案格式，並由該【作業系統的載入程式】載入記憶體運行[注]。這種只【在形式上】對OS存在依賴的“無用”程式可謂是最獨立於OS的程式。在此基礎之上，其它程式都對OS有不同程度的依賴，依賴表現在對OS內的各種程式庫的依賴，比如C標準庫，POSIX系統庫，線程庫、網路程式庫和其它基於這些基礎庫的第三方應用程式碼程式庫。

　　註：由此可見編譯器與引導程式、SHELL程式一樣，是現代作業系統的基本部分。

　　問題初步解決

　　編譯器與作業系統的關係

　　有了以上的對程式以及作業系統本質的一定瞭解後，我們知道編譯器與作業系統有一定親緣性。但這種親緣性的一些表現會讓人迷惑。例如Linux發行版可以不安裝有編譯器的，只有開發工作站才需要編譯器。而所有Linux發行版的應用程式都可能使用了共用庫，需要動態連結這些系統共用庫。由此可見，應該分開【開發期】與【運行期】來看待編譯器與作業系統的關係。在開發期，編譯器運行作業系統之上，屬於【非作業系統程式】，對作業系統有依賴；在運行期，編譯器的子部分——動態連結程式和載入程式屬於作業系統有機部分。

　　由以可得編譯器與作業系統的關係有：

·第一，編譯器的編譯部分和靜態連結部分是運行在作業系統上的系統程式；

·第二，編譯器的動態連結部分與作業系統的親緣性更強，所以完全可把動態連結部分獨立出來[FIXME：動態連結程式與作業系統具體關係未知]；

·第三，編譯器的編譯輸出格式是作業系統相關的。

　　由此可見，編譯器是作業系統相關的，編譯器也是作業系統的功能很重要組成部分，但編譯器沒有被整合入作業系統核心內，所以編譯器不算是作業系統的有機組成部分。

　　編譯器對作業系統的依賴

　　由上面可得，編譯器是運行作業系統之上【非作業系統程式】，對作業系統有依賴。編譯器是一支【計算集中】更大的程式，它相對於應用程式對OS依賴會少一些，依賴有：

·形式依賴（由另一支同軟硬體系的編譯器[行話本地編譯器]，編譯得到或不同軟硬體系的編譯器[行話交叉編譯器]，交叉編譯得到）

·C庫依賴，讀取進階語言源碼程式檔案，寫入低級語言的目標檔案

　　編譯器與CPU的關係

　　這個問題在編譯器的定義裡已經有答案了，一支編譯器只編譯產生一種機器碼。我們說編譯器的【作業系統相關性】是後天進化得到的，而編譯器的【處理器相關性】是天生的。

　　作業系統對C標準庫與C編譯器的關係的影響

　　作業系統對C庫沒有什麼影響，C庫是一種通用程式碼程式庫。是給使用者編程提供的介面，程式員只需要和這些介面打交道就可以了，而不需要知道具體怎麼實現的。c庫中的有些功能是c庫代碼本身實現的，也有一些是利用作業系統實現的。