C语言：内存中程序是如何运行的

程序是保存在硬盘中的，要载入内存才能运行，CPU 也被设计为只能从内存中读取数据和指令。

对于 CPU 来说，内存仅仅是一个存放指令和数据的地方，并不能在内存中完成计算功能，例如要计算 a = b +c，必须将 a、b、c 都读取到 CPU 内部才能进行加法运算。为了了解具体的运算过程，我们不妨先来看一下CPU 的结构。

CPU 是一个复杂的计算机部件，它内部又包含很多小零件，如下图所示：

运算单元是 CPU 的大脑，负责加减乘除、比较、位移等运算工作，每种运算都有对应的电路支持，速度很快。

寄存器（Register）是 CPU 内部非常小、非常快速的存储部件，它的容量很有限，对于 32 位的 CPU，每个寄存器一般能存储 32 位（4 个字节）的数据，对于 64 位的 CPU，每个寄存器一般能存储 64 位（8 个字节）的数据。为了完成各种复杂的功能，现代 CPU 都内置了几十个甚至上百个的寄存器，嵌入式系统功能单一，寄存器数量较少。

我们经常听说多少位的 CPU，指的就是寄存器的的位数。现在个人电脑使用的 CPU 已经进入了 64 位时代，例如 Intel 的 Core i3、i5、i7 等。

那么，在 CPU 内部为什么又要设置缓存呢？虽然内存的读取速度已经很快了，但是和 CPU 比起来，还是有很大差距的，不是一个数量级的，如果每次都从内存中读取数据，会严重拖慢 CPU 的运行速度，CPU 经常处于等待状态，无事可做。在 CPU 内部设置一个缓存，可以将使用频繁的数据暂时读取到缓存，需要同一地址上的数据时，就不用大老远地再去访问内存，直接从缓存中读取即可。

大家在购买 CPU 时，也会经常关心缓存容量，例如 Intel Core i7 3770K 的三级缓存为 8MB，二级缓存为256KB，一级缓存为 32KB。容量越大，CPU 越强悍。

缓存的容量是有限的，CPU 只能从缓存中读取到部分数据，对于使用不是很频繁的数据，会绕过缓存，直接到内存中读取。所以不是每次都能从缓存中得到数据，这就是缓存的命中率，能够从缓存中读取就命中，否则就没命中。关于缓存的命中率又是一门学问，哪些数据保留在缓存，哪些数据不保留，都有复杂的算法。

CPU指令

要想让 CPU 工作，必须借助特定的指令，例如 add 用于加法运算，sub 用于除法运算，cmp 用于比较两个数的大小，这称为 CPU 的指令集（Instruction Set）。我们的 C 语言代码最终也会编译成一条一条的 CPU 指令。不同型号的 CPU 支持的指令集会有所差异，但绝大部分是相同的。

我们以 C 语言中的加法为例来演示 CPU 指令的使用。假设有下面的 C 语言代码：

int a = 0X14, b = 0XAE, c;
c = a + b;

在 VS2010 Debug 模式下生成的 CPU 指令为：

mov ptr[a], 0X14
mov ptr[b], 0XAE
mov eax, ptr[a]
add eax, ptr[b]
mov ptr[c], eax

mov 和 add 都是 CPU 指令：

1）mov 用来将一个数值移动到一个存储位置。这个数值可以是一个常数，也可以在内存或者寄存器上；这个存储位置可以是寄存器或者内存。

第一条指令中，ptr[a]表示变量 a 的地址，0X14 是一个数值，mov ptr[a], 0X14 表示把数值 0X14 移动到ptr[a] 指向的内存，也就是给变量 a 赋值。第二条指令与此类似。

第三条指令中，eax 是寄存器的名字，该寄存器常用在加法运算中，用来保存某个加数或运算结果，mov eax,ptr[a]表示把变量 a 的值移动到寄存器 eax 中

第五条指令表示把寄存器 eax 的值移动到变量 c 中，此时 exa 中的值为 a、b 相加的和。

2）add 用来将两个数值相加，这两个数值可以在寄存器或者内存中，add 会将相加的结果放在第一个数所在的位置。第四条指令 add eax, ptr[b]表示把 eax 和 ptr[b] 中的数值相加，并把结果放在 eax 中。

总起来讲：第一二条指令给变量 a、b 赋值，第三四条指令完成加法运算，第五条指令将运算结果赋值给变量 c。

实际上，上面的代码是汇编语言，不是 CPU 指令，汇编语言还要经过简单的转换才能成为 CPU 指令；为了更加容易地说明问题，这些语句也没有严格遵守汇编的语法。有兴趣的同学可以自行学习汇编语言，这里不再展开讲解。

本节我们讲解了 CPU 的简单构造以及 CPU 指令，重点是让大家认识寄存器这个小而快速的存储部件，它在程序运行过程中起着至关重要的作用，CPU 就是用它来记录程序的运行状态，然后根据它的值再决定下一步的操作。