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コンピュータ・システム ~ プログラマの視点から~ (1章)
情報はbit context
僕たちが書くC言語プログラムは文字をバイトサイズの整数値で表現するASCII規格に沿って各文字が表現されている。hello.cのようにASCII文字のみから表されるファイルはtext fileとよばれ、それ以外はbinary fileと呼ばれる。
コンピュータの世界では、ローカルのプログラムであろうが、ネットワーク上のパケットであろうがbitの集合に過ぎない。我々がbitの集合体をどうみるかはcontextしだいということだ。
プログラムは別のプログラムによって別の形に翻訳される
僕たち人間が読めるC言語は高水準言語と呼ばれる。C言語を機械に理解されるようにするには、マシン語命令列へ翻訳されなければならない。これらの命令は実行可能オブジェクト・プログラムと呼ばれる形にパッケージ化され、バイナリファイルとしてディスクに格納される。
UNIXシステムでは、ソースファイルからオブジェクトファイルへの翻訳はコンパイル・ドライバによっておこなわれる。具体的には、プリプロセス、コンパイル、アセンブル、リンクという順番で行われる。
以下で典型的なHello Worldを行うC言語プログラムを用いて説明する。
#include <stdio.h>
int main(void) {
myprintf("Hello World!\n");
return 0;
}
プリプロセス
プリプロセスとはヘッダファイルの中身をそのまま展開する操作です。
gccのEオプションをつけるとプリプロセスを実行できます。
拡張子はiが一般的らしい？
% gcc -E hello.c -o hello.i
これを実行すると以下のようなテキストファイルができます。
# 0 "hello.c"
# 0 "<built-in>"
# 0 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 0 "<command-line>" 2
# 1 "hello.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 1 3 4
# 33 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
# 392 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features-time64.h" 1 3 4
# 20 "/usr/include/features-time64.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 21 "/usr/include/features-time64.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h" 1 3 4
# 19 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 20 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h" 2 3 4
# 22 "/usr/include/features-time64.h" 2 3 4
# 393 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 486 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4
# 559 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 560 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h" 1 3 4
# 561 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 487 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 510 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4
# 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h" 1 3 4
# 11 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 2 3 4
# 511 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 34 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 2 3 4
# 28 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include/stddef.h" 1 3 4
# 209 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include/stddef.h" 3 4
# 209 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include/stddef.h" 3 4
typedef long unsigned int size_t;
# 34 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include/stdarg.h" 1 3 4
# 40 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include/stdarg.h" 3 4
typedef __builtin_va_list __gnuc_va_list;
# 37 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 28 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h" 1 3 4
# 19 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 20 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h" 2 3 4
# 29 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
typedef unsigned char __u_char;
typedef unsigned short int __u_short;
typedef unsigned int __u_int;
typedef unsigned long int __u_long;
typedef signed char __int8_t;
typedef unsigned char __uint8_t;
typedef signed short int __int16_t;
typedef unsigned short int __uint16_t;
typedef signed int __int32_t;
typedef unsigned int __uint32_t;
typedef signed long int __int64_t;
typedef unsigned long int __uint64_t;
typedef __int8_t __int_least8_t;
typedef __uint8_t __uint_least8_t;
typedef __int16_t __int_least16_t;
typedef __uint16_t __uint_least16_t;
typedef __int32_t __int_least32_t;
typedef __uint32_t __uint_least32_t;
typedef __int64_t __int_least64_t;
typedef __uint64_t __uint_least64_t;
typedef long int __quad_t;
typedef unsigned long int __u_quad_t;
typedef long int __intmax_t;
typedef unsigned long int __uintmax_t;
# 141 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/typesizes.h" 1 3 4
# 142 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/time64.h" 1 3 4
# 143 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
typedef unsigned long int __dev_t;
typedef unsigned int __uid_t;
typedef unsigned int __gid_t;
typedef unsigned long int __ino_t;
typedef unsigned long int __ino64_t;
typedef unsigned int __mode_t;
typedef unsigned long int __nlink_t;
typedef long int __off_t;
typedef long int __off64_t;
typedef int __pid_t;
typedef struct { int __val[2]; } __fsid_t;
typedef long int __clock_t;
typedef unsigned long int __rlim_t;
typedef unsigned long int __rlim64_t;
typedef unsigned int __id_t;
typedef long int __time_t;
typedef unsigned int __useconds_t;
typedef long int __suseconds_t;
typedef long int __suseconds64_t;
typedef int __daddr_t;
typedef int __key_t;
typedef int __clockid_t;
typedef void * __timer_t;
typedef long int __blksize_t;
typedef long int __blkcnt_t;
typedef long int __blkcnt64_t;
typedef unsigned long int __fsblkcnt_t;
typedef unsigned long int __fsblkcnt64_t;
typedef unsigned long int __fsfilcnt_t;
typedef unsigned long int __fsfilcnt64_t;
typedef long int __fsword_t;
typedef long int __ssize_t;
typedef long int __syscall_slong_t;
typedef unsigned long int __syscall_ulong_t;
typedef __off64_t __loff_t;
typedef char *__caddr_t;
typedef long int __intptr_t;
typedef unsigned int __socklen_t;
typedef int __sig_atomic_t;
# 39 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__fpos_t.h" 1 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__mbstate_t.h" 1 3 4
# 13 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__mbstate_t.h" 3 4
typedef struct
{
int __count;
union
{
unsigned int __wch;
char __wchb[4];
} __value;
} __mbstate_t;
# 6 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__fpos_t.h" 2 3 4
typedef struct _G_fpos_t
{
__off_t __pos;
__mbstate_t __state;
} __fpos_t;
# 40 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__fpos64_t.h" 1 3 4
# 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__fpos64_t.h" 3 4
typedef struct _G_fpos64_t
{
__off64_t __pos;
__mbstate_t __state;
} __fpos64_t;
# 41 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__FILE.h" 1 3 4
struct _IO_FILE;
typedef struct _IO_FILE __FILE;
# 42 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/FILE.h" 1 3 4
struct _IO_FILE;
typedef struct _IO_FILE FILE;
# 43 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/struct_FILE.h" 1 3 4
# 35 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/struct_FILE.h" 3 4
struct _IO_FILE;
struct _IO_marker;
struct _IO_codecvt;
struct _IO_wide_data;
typedef void _IO_lock_t;
struct _IO_FILE
{
int _flags;
char *_IO_read_ptr;
char *_IO_read_end;
char *_IO_read_base;
char *_IO_write_base;
char *_IO_write_ptr;
char *_IO_write_end;
char *_IO_buf_base;
char *_IO_buf_end;
char *_IO_save_base;
char *_IO_backup_base;
char *_IO_save_end;
struct _IO_marker *_markers;
struct _IO_FILE *_chain;
int _fileno;
int _flags2;
__off_t _old_offset;
unsigned short _cur_column;
signed char _vtable_offset;
char _shortbuf[1];
_IO_lock_t *_lock;
__off64_t _offset;
struct _IO_codecvt *_codecvt;
struct _IO_wide_data *_wide_data;
struct _IO_FILE *_freeres_list;
void *_freeres_buf;
size_t __pad5;
int _mode;
char _unused2[15 * sizeof (int) - 4 * sizeof (void *) - sizeof (size_t)];
};
# 44 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 52 "/usr/include/stdio.h" 3 4
typedef __gnuc_va_list va_list;
# 63 "/usr/include/stdio.h" 3 4
typedef __off_t off_t;
# 77 "/usr/include/stdio.h" 3 4
typedef __ssize_t ssize_t;
typedef __fpos_t fpos_t;
# 133 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/stdio_lim.h" 1 3 4
# 134 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 143 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;
extern int remove (const char *__filename) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int rename (const char *__old, const char *__new) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int renameat (int __oldfd, const char *__old, int __newfd,
const char *__new) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 178 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fclose (FILE *__stream);
# 188 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern FILE *tmpfile (void)
__attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (fclose, 1))) ;
# 205 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern char *tmpnam (char[20]) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern char *tmpnam_r (char __s[20]) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
# 222 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern char *tempnam (const char *__dir, const char *__pfx)
__attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) __attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (__builtin_free, 1)));
extern int fflush (FILE *__stream);
# 239 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fflush_unlocked (FILE *__stream);
# 258 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern FILE *fopen (const char *__restrict __filename,
const char *__restrict __modes)
__attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (fclose, 1))) ;
extern FILE *freopen (const char *__restrict __filename,
const char *__restrict __modes,
FILE *__restrict __stream) ;
# 293 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern FILE *fdopen (int __fd, const char *__modes) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__))
__attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (fclose, 1))) ;
# 308 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern FILE *fmemopen (void *__s, size_t __len, const char *__modes)
__attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) __attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (fclose, 1))) ;
extern FILE *open_memstream (char **__bufloc, size_t *__sizeloc) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__))
__attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (fclose, 1))) ;
# 328 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern void setbuf (FILE *__restrict __stream, char *__restrict __buf) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int setvbuf (FILE *__restrict __stream, char *__restrict __buf,
int __modes, size_t __n) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern void setbuffer (FILE *__restrict __stream, char *__restrict __buf,
size_t __size) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern void setlinebuf (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int fprintf (FILE *__restrict __stream,
const char *__restrict __format, ...);
extern int printf (const char *__restrict __format, ...);
extern int sprintf (char *__restrict __s,
const char *__restrict __format, ...) __attribute__ ((__nothrow__));
extern int vfprintf (FILE *__restrict __s, const char *__restrict __format,
__gnuc_va_list __arg);
extern int vprintf (const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg);
extern int vsprintf (char *__restrict __s, const char *__restrict __format,
__gnuc_va_list __arg) __attribute__ ((__nothrow__));
extern int snprintf (char *__restrict __s, size_t __maxlen,
const char *__restrict __format, ...)
__attribute__ ((__nothrow__)) __attribute__ ((__format__ (__printf__, 3, 4)));
extern int vsnprintf (char *__restrict __s, size_t __maxlen,
const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg)
__attribute__ ((__nothrow__)) __attribute__ ((__format__ (__printf__, 3, 0)));
# 403 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int vdprintf (int __fd, const char *__restrict __fmt,
__gnuc_va_list __arg)
__attribute__ ((__format__ (__printf__, 2, 0)));
extern int dprintf (int __fd, const char *__restrict __fmt, ...)
__attribute__ ((__format__ (__printf__, 2, 3)));
extern int fscanf (FILE *__restrict __stream,
const char *__restrict __format, ...) ;
extern int scanf (const char *__restrict __format, ...) ;
extern int sscanf (const char *__restrict __s,
const char *__restrict __format, ...) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn.h" 1 3 4
# 119 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn-common.h" 1 3 4
# 24 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn-common.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h" 1 3 4
# 25 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn-common.h" 2 3 4
# 120 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn.h" 2 3 4
# 431 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
extern int fscanf (FILE *__restrict __stream, const char *__restrict __format, ...) __asm__ ("" "__isoc99_fscanf")
;
extern int scanf (const char *__restrict __format, ...) __asm__ ("" "__isoc99_scanf")
;
extern int sscanf (const char *__restrict __s, const char *__restrict __format, ...) __asm__ ("" "__isoc99_sscanf") __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__))
;
# 459 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int vfscanf (FILE *__restrict __s, const char *__restrict __format,
__gnuc_va_list __arg)
__attribute__ ((__format__ (__scanf__, 2, 0))) ;
extern int vscanf (const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg)
__attribute__ ((__format__ (__scanf__, 1, 0))) ;
extern int vsscanf (const char *__restrict __s,
const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg)
__attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) __attribute__ ((__format__ (__scanf__, 2, 0)));
extern int vfscanf (FILE *__restrict __s, const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg) __asm__ ("" "__isoc99_vfscanf")
__attribute__ ((__format__ (__scanf__, 2, 0))) ;
extern int vscanf (const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg) __asm__ ("" "__isoc99_vscanf")
__attribute__ ((__format__ (__scanf__, 1, 0))) ;
extern int vsscanf (const char *__restrict __s, const char *__restrict __format, __gnuc_va_list __arg) __asm__ ("" "__isoc99_vsscanf") __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__))
__attribute__ ((__format__ (__scanf__, 2, 0)));
# 513 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fgetc (FILE *__stream);
extern int getc (FILE *__stream);
extern int getchar (void);
extern int getc_unlocked (FILE *__stream);
extern int getchar_unlocked (void);
# 538 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fgetc_unlocked (FILE *__stream);
# 549 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fputc (int __c, FILE *__stream);
extern int putc (int __c, FILE *__stream);
extern int putchar (int __c);
# 565 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fputc_unlocked (int __c, FILE *__stream);
extern int putc_unlocked (int __c, FILE *__stream);
extern int putchar_unlocked (int __c);
extern int getw (FILE *__stream);
extern int putw (int __w, FILE *__stream);
extern char *fgets (char *__restrict __s, int __n, FILE *__restrict __stream)
__attribute__ ((__access__ (__write_only__, 1, 2)));
# 632 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern __ssize_t __getdelim (char **__restrict __lineptr,
size_t *__restrict __n, int __delimiter,
FILE *__restrict __stream) ;
extern __ssize_t getdelim (char **__restrict __lineptr,
size_t *__restrict __n, int __delimiter,
FILE *__restrict __stream) ;
extern __ssize_t getline (char **__restrict __lineptr,
size_t *__restrict __n,
FILE *__restrict __stream) ;
extern int fputs (const char *__restrict __s, FILE *__restrict __stream);
extern int puts (const char *__s);
extern int ungetc (int __c, FILE *__stream);
extern size_t fread (void *__restrict __ptr, size_t __size,
size_t __n, FILE *__restrict __stream) ;
extern size_t fwrite (const void *__restrict __ptr, size_t __size,
size_t __n, FILE *__restrict __s);
# 702 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern size_t fread_unlocked (void *__restrict __ptr, size_t __size,
size_t __n, FILE *__restrict __stream) ;
extern size_t fwrite_unlocked (const void *__restrict __ptr, size_t __size,
size_t __n, FILE *__restrict __stream);
extern int fseek (FILE *__stream, long int __off, int __whence);
extern long int ftell (FILE *__stream) ;
extern void rewind (FILE *__stream);
# 736 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fseeko (FILE *__stream, __off_t __off, int __whence);
extern __off_t ftello (FILE *__stream) ;
# 760 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fgetpos (FILE *__restrict __stream, fpos_t *__restrict __pos);
extern int fsetpos (FILE *__stream, const fpos_t *__pos);
# 786 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern void clearerr (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int feof (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern int ferror (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern void clearerr_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int feof_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern int ferror_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern void perror (const char *__s);
extern int fileno (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern int fileno_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
# 823 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int pclose (FILE *__stream);
extern FILE *popen (const char *__command, const char *__modes)
__attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (pclose, 1))) ;
extern char *ctermid (char *__s) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__))
__attribute__ ((__access__ (__write_only__, 1)));
# 867 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern void flockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int ftrylockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern void funlockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 885 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int __uflow (FILE *);
extern int __overflow (FILE *, int);
# 902 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 2 "hello.c" 2
# 3 "hello.c"
extern int myprintf(const char *format, ...);
int main(void) { myprintf("Hello, world\n"); }
本当にstdio.hが展開されているだけです。
コンパイル
次にhello.iをアセンブリプログラムにします。これもテキストファイルです。
拡張子はsらしい？
% gcc -S hello.i -o hello.s
以下のようなアセンブリプログラムができます。
.file "hello.c"
.text
.section .rodata
.LC0:
.string "Hello, world\n"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
endbr64
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
leaq .LC0(%rip), %rax
movq %rax, %rdi
movl $0, %eax
call myprintf@PLT
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 11.4.0"
.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:
アセンブル
次にこれをアセンブルしてマシン語に直します。ファイル名はhello.oです。
asはgccの裏で動いているアセンブラです。マシン語に直してくれます。
% as hello.s -o hello.o
ここまでの一連の動作をmyprintf.cに対しても行います。
ちなみにmyprinf.cの中身はこれ。
#include <unistd.h>
int myprintf(const char *format, ...) {
return write(1, format, __builtin_strlen(format));
}
やってることは簡単で、引数として渡したformatのバイト数分を標準出力(file descriptor1)にwriteするだけです。
リンク
最後にリンクします。リンクとは複数のリロケータブルオブジェクトプログラム(.oファイル)をつなぎ合わせて実行可能ファイルを生成する操作です。本当はldでやりたいんですが、リンクすべきものがおおすぎたので、一旦gccでやりました。わかる人いたらおしえてくださいー！
% gcc hello.o myprintf.o -o hello
% ./hello
Hello, World!
この一連の操作をgccは以下のコマンド一つでやってくれます。
% gcc hello.c -o hello
なんかちょっと理解できた気がします。
プロセッサはメモリに格納された命令を読んで解釈する
システムのハードウェア構成
ハードウェアは大雑把に言えば、これらで構成されています。
これらの役割とコンピュータにどう接続されているかを説明します。
- バス
- I/O Device
- Main memmory
- Processor(CPU)
- ALU
バス
バスは電気配線の集合で、IOデバイスやCPU、メモリをつないでいるもので、これら各構成要素の間でバイト列からなる情報をいったりきたりさせている。ワードというバイト列の単位でやりとりしている。ワードサイズはマシン固有で8bitのもの、4bitがほとんである。
I/O Device
IOデバイスは外界とのつなぎとめである。各IOデバイスはコントローラ、アダプタを介してI/Oバスに接続されている。
Main memmory
一時的な記憶デバイス。Dynamic Random Access Memmory(DRAM)チップの集合体。
プログラムが実行されて、命令やデータが読み出される場所。
CPU
CPUの中心にはPC(プログラム・カウンタ)と呼ばれるワードサイズの記憶デバイス(レジスタ)がある。PCは常に次に実行される命令のアドレスを指している。
システムに電源が供給されてから遮断されるまでの間、プロセッサはPCが指している命令を実行し、次の命令を指すようにPCを更新する。
調べたところ、PCはOSによって最初に実行される命令のアドレスがわかるらしい。次に実行する命令が何かPCがわかるのは、アーキテクチャによって違うらしいが、各命令が次に実行されるべき命令のアドレスをもってるらしい。(ここもわかる人、教えてください！)
キャッシュは性能を左右する
物理法則により大きなストレージは、小さなストレージと比べて遅いし、安い。
たとえば、ディスクドライブはメインメモリの1000倍大きいが、10,000,000倍遅い。
また皮肉なことに、メインメモリを早くするよりプロセッサを早くするほうが簡単なので、
プロセッサの処理速度とメインメモリの読み出し速度のギャップがどんどん開いていく。
これを解決するために開発者はキャッシュという仕組みを開発した。
この小型で高速なストレージデバイスは階層化されている。(レジスタファイル, L1, L2, L3...)
キャッシュはstatic random access memmory(SRAM) で実装されており、DRAMと比べて圧倒的に高速である。
キャッシュはアクセスの局所性を利用したものであり、頻繁にアクセスされそうなデータをキャッシュに保持されることで、大部分のメモリ操作を高速なキャッシュを用いて行うことができる。
ストレージデバイスの階層化は何もキャッシュだけにとどまらない。レジスタファイルはL0として階層化の頂点にいるし、DRAMやローカルディスク、分散ファイルやウェブサーバは更にSRAMで実装されるキャッシュの下層に位置する。
上層に位置するストレージデバイスは一階層下のストレージデバイスのキャッシュとして動く。
まとめ
長くなりすぎたので、いったんここでおわります。
一章はもう少し続くのでお楽しみにー！
やっぱりコンピュータは美しいなぁ...
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