程序运行环境
程序运行的过程中，主要是跟 两个硬件（CPU 和内存） 以及 一个软件（操作系统） 打交道。
关注 CPU 和内存
我们重点关注的是 寄存器 以及 高速缓存，它们跟程序的执行机制和优化密切相关。
寄存器是 CPU 指令在进行计算的时候，临时数据存储的地方。CPU 指令一般都会用到寄存器，比如，典型的一个加法计算（c = a + b）的过程是这样的：
- 指令 1（mov）：从内取取 a 的值放到寄存器中；
- 指令 2（add）：再把内存中 b 的值取出来与这个寄存器中的值相加，仍然保存在寄存器中；
- 指令 3（mov）：最后再把寄存器中的数据写回内存中 c 的地址；
寄存器的速度也很快，所以能用寄存器就别用内存。尽量充分利用寄存器，是编译器做优化的内容之一。
高速缓存可以弥补 CPU 的处理速度和内存访问速度之间的差距。所以，我们的指令在内存读一个数据的时候，它不是老老实实地只读进当前指令所需要的数据，而是把跟这个数据相邻的一组数据都读进高速缓存了。
我们写程序时，尽量把某个操作所需的数据都放在内存中的连续区域中，不要零零散散地到处放，这样有利于充分利用高速缓存。这种优化思路叫做数据的局部性。
程序在运行时，操作系统会给它分配一块虚拟的内存空间，让它在运行期可以使用。我们目前使用的都是 64 位的机器，你可以用一个 64 位的长整型来表示内存地址，它能够表示的所有地址，我们叫做 寻址空间。64 位机器的寻址空间就有 2 的 64 次方那么大，也就是有很多很多个 TB（Terabyte），大到你的程序根本用不完。不过，操作系统一般会给予一定的限制，不会给你这么大的寻址空间。
在存在操作系统的情况下，程序逻辑上可使用的内存一般大于实际的物理内存。程序在使用内存的时候，操作系统会把程序使用的逻辑地址映射到真实的物理内存地址。有的物理内存区域会映射进多个进程的地址空间。对于不太常用的内存数据，操作系统会写到磁盘上，以便腾出更多可用的物理内存。
内存的使用
本质上来说，你想怎么用就怎么用，并没有什么特别的限制。一个编译器的作者，可以决定在哪儿放代码，在哪儿放数据，当然了，别的作者也可能采用其他的策略。实际上，C 语言和 Java 虚拟机对内存的管理和使用策略就是不同的。大多数语言还是会采用一些通用的内存管理模式。以 C 语言为例，会把内存划分为代码区、静态数据区、栈和堆。
代码区是在最低的地址区域，然后是静态数据区，然后是堆。而栈传统上是从高地址向低地址延伸，栈的最顶部有一块区域，用来保存环境变量。
- 代码区（也叫文本段）存放编译完成以后的机器码。这个内存区域是只读的，不会再修改，但也不绝对。现代语言的运行时已经越来越动态化，除了保存机器码，还可以存放中间代码，并且还可以在运行时把中间代码编译成机器码，写入代码区。
- 静态数据区保存程序中全局的变量和常量。它的地址在编译期就是确定的，在生成的代码里直接使用这个地址就可以访问它们，它们的生存期是从程序启动一直到程序结束。它又可以细分为 Data 和 BSS 两个段。Data 段中的变量是在编译期就初始化好的，直接从程序装在进内存。BSS 段中是那些没有声明初始化值的变量，都会被初始化成 0。
- 堆适合管理生存期较长的一些数据，这些数据在退出作用域以后也不会消失。比如，我们在某个方法里创建了一个对象并返回，并希望代表这个对象的数据在退出函数后仍然可以访问。
- 栈适合保存生存期比较短的数据，比如函数和方法里的本地变量。它们在进入某个作用域的时候申请内存，退出这个作用域的时候就可以释放掉。
程序与操作系统
程序需要遵守的约定包括：程序文件的二进制格式约定，这样操作系统才能程序正确地加载进来，并为同一个程序的多个进程共享代码区。在使用寄存器和栈的时候也要遵守一些约定，便于操作系统在不同的进程之间切换的时候、在做系统调用的时候，做好上下文的保护。所以，我们编译程序的时候，要知道需要遵守哪些约定。因为就算是使用同样的 CPU，针对不同的操作系统，编译的结果也是非常不同的。
程序运行的细节
首先，可运行的程序一般是由操作系统加载到内存的，并且定位到代码区里程序的入口开始执行。比如，C 语言的 main 函数的第一行代码。每次加载一条代码，程序都会顺序执行，碰到跳转语句，才会跳到另一个地址执行。CPU 里有一个指令寄存器，里面保存了下一条指令的地址。
假设我们运行这样一段代码编译后形成的程序：
int main(){
int a = 1;
foo(3);
bar();
}
int foo(int c){
int b = 2;
return b+c;
}
int bar(){
return foo(4) + 1;
}我们首先激活 main() 函数，main() 函数又激活 foo() 函数，然后又激活 bar() 函数，bar() 函数还会激活 foo() 函数，其中 foo() 函数被两次以不同的路径激活。
我们把每次调用一个函数的过程，叫做一次活动（Activation）。每个活动都对应一个活动记录（Activation Record），这个活动记录里有这个函数运行所需要的信息，比如参数、返回值、本地变量等。
目前我们用栈来管理内存，所以可以把活动记录等价于栈桢。栈桢是活动记录的实现方式，我们可以自由设计活动记录或栈桢的结构，下图是一个常见的设计：
- 返回值：一般放在最顶上，这样它的地址是固定的。foo() 函数返回以后，它的调用者可以到这里来取到返回值。在实际情况中，我们会优先通过寄存器来传递返回值，比通过内存传递性能更高。
- 参数：在调用 foo 函数时，把参数写到这个地址里。同样，我们也可以通过寄存器来传递，而不是内存。
- 控制链接：就是上一级栈桢的地址。如果用到了上一级作用域中的变量，就可以顺着这个链接找到上一级栈桢，并找到变量的值。
- 返回地址：foo 函数执行完毕以后，继续执行哪条指令。同样，我们可以用寄存器来保存这个信息。
- 本地变量：foo 函数的本地变量 b 的存储空间。
- 寄存器信息：我们还经常在栈桢里保存寄存器的数据。
- 如果在 foo 函数里要使用某个寄存器，可能需要先把它的值保存下来，防止破坏了别的代码保存在这里的数据。这种约定叫做被调用者责任，也就是使用寄存器的人要保护好寄存器里原有的信息。
- 某个函数如果使用了某个寄存器，但它又要调用别的函数，为了防止别的函数把自己放在寄存器中的数据覆盖掉，要自己保存在栈桢中。这种约定叫做调用者责任。
每个栈桢的长度是不一样的。用到的参数和本地变量多，栈桢就要长一点。但是，栈桢的长度和结构是在编译期就能完全确定的。这样就便于我们计算地址的偏移量，获取栈桢里某个数据。
总结
- CPU 上运行程序的指令，运行过程中要用到寄存器、高速缓存来提高指令和数据的存取效率。
- 内存可以划分成不同的区域保存代码、静态数据，并用栈和堆来存放运行时产生的动态数据。
- 操作系统会把物理的内存映射成进程的寻址空间，同一份代码会被映射进多个进程的内存空间，操作系统的公共库也会被映射进进程的内存空间，操作系统还会自动维护栈。
参考：《极客时间-编译原理之美》
