1.2 CPU眼里的程序运行
●提出问题
你可能编写过很多程序，但你知道自己的代码是如何运行起来的吗？或许你已经知道了标准答案，但也别急于盖棺定论。请跟随阿布一起，站在CPU的视角，一起感受一个真实、有趣的程序启动过程。
●代码分析
打开Compiler Explorer，定义一个全局变量a；然后编写一个简单的main函数；定义一个局部变量b；再申请一段内存，并赋值为：0x1122334；最后，分别打印变量a、b、c和main函数的内存地址。让我们看一下，编译得到的可执行文件a.out的运行结果，如图1-5所示。
发现问题了吗？虽然a、b、c 3个变量，几乎是依次、连续定义的。但它们的内存地址，却相隔很远！后面我们会解释原因，此时，我们只要记住运行结果就好：a、b、c 3个变量和main函数，分别存储在4个不同的内存区域里面。
好了，代码写完了，a.out也运行起来了。但代码跟这个可执行文件a.out又有什么关系呢？让我们打开a.out文件，再抽出右边的CPU指令，如图1-6所示。
图1-5
图1-6
如你所见，所有的汇编指令，都可以在a.out文件中找到。不仅如此，甚至password也可以在a.out文件中找到，如图1-7所示。
图1-7
所以，千万不要把密码写到你的代码里面了。至此，我们已经完全可以信任a.out文件了，它存储着我们所写代码对应的CPU指令和数据。注意，CPU是无法直接运行我们的C/C++源代码的，它只能运行CPU指令，但CPU又怎么执行硬盘上的a.out文件呢？
不同于直接把a.out文件加载到真实的计算机内存里面。相反，现代操作系统，会基于物理内存和MMU协处理器，为给我们构建一个巨大的虚拟内存，如图1-8所示。
图1-8
这可以帮助程序员，编写出超越物理内存限制的代码，至于这些虚拟内存最终会被MMU映射到哪块真实的物理内存上？这里并不做具体讨论，感兴趣的同学，可以参看5.1节“CPU眼里的虚拟内存”。
万事俱备，现在可以把a.out文件从硬盘上加载到虚拟内存里面了，让我们再深入内存块的内部，看看更多的细节，如图1-9所示。
图1-9
如你所见，内存地址由低到高分别存放着main函数的CPU指令，我们称这个区域为“代码段”；随后的内存区域，存放着全局变量a的值，我们称这个区域为“数据段”；经过更长的一段距离后，来到.heap内存区域，在程序运行起来以后，会存储数值0x11223344，我们称这个区域为“堆”（heap）。
而在最上面的内存区域.stack，则存放着变量b和c的值，没错，这个区域就是我们常说的“堆栈”（stack）。不过，由于程序还没有运行起来，变量b和c的值，还没有被main函数赋值，因此，它们现在的值可能是随机的。
至此，我们的程序加载过程就基本完成了。但尽管完成了程序的加载，我们的程序依旧没有运行机会。为此，操作系统还会为我们的程序建立一个叫作“进程”的数据结构，并存储在特定的内存区域里面。其中决定程序运行的信息就是：线程的“上下文”。
简单地说，“上下文”就是CPU的寄存器状态，详情可以参看：5.8节“CPU眼里的上下文”，简单起见，我们就让rip寄存器值等于main函数的首地址，如图1-10所示。
图1-10
这样，一旦操作系统进行任务调度，让我们的进程得以执行时，rip寄存器，就会引导CPU去执行a.out文件里面的main函数，如图1-11所示。
图1-11
至此，代码的编译、加载、运行，全部完成！
●总结
（1）程序的源代码，在经过编译后，会根据源代码的意义分析出代码、数据等信息，存放在可执行文件上；如果不加调试信息的话，变量和函数的名称是不需要存储的。
（2）当计算机加载可执行文件的时候，会把代码、数据从可执行文件拷贝到不同的内存区域里面；同时，也会分配“堆”和“堆栈”的内存区域，但在程序运行之前，“堆”和“堆栈”里面的内容是不确定的。
（3）“堆”和“堆栈”之间有着巨大的内存空白，这让“堆”和“堆栈”有了充分的生长空间，虽然看上去非常浪费（如图1-12所示），但那仅仅是虚拟内存视角上的空白，只有在真正读写这段内存时，操作系统才会为其映射真正的物理内存，而且是用多少，映射多少。
图1-12
●热点问题
Q1：既然“堆”和“堆栈”都是在程序运行时，程序用到多少，就会分配多少。那会不会随着程序的运行，可执行程序.exe所占据的内存会越来越大？
A1：是的，可执行程序.exe在运行的时候，内存确实有不断增大的风险。风险1：内存泄露，不断地通过malloc/new在“堆”上申请内存，但不释放。风险2：函数递归调用，随着调用深度不断加深，“堆栈”也被不断地消耗，直至“堆栈”溢出，程序崩溃（因为操作系统一般不会任由“堆栈”无限制地消耗下去）。如果你注意看自己的Windows任务管理器的话，几乎所有的程序所占据的内存都是变化的，如图1-13所示。
图1-13
Q2：为什么没有BSS段？为什么需要BSS段？
A2：简单起见，这里没有对数据段做更多的细分。BSS段也叫未初始化的数据段，代码中没有初始化的全局变量、静态变量会被存储在这个区域，在程序运行的时候，它们的值会被统一设置成0；因为，这些数据不需要存储初值，所以可以节省.exe文件的大小，对于嵌入式系统而言，则可以节省ROM的空间。