一文解釋清楚什么是程序

雖然在這里我們主要關(guān)注的是操作系統(tǒng)，但畢竟操作系統(tǒng)的目的就是能更好的運(yùn)行用戶(hù)程序，而且該教程主要是站在程序員的角度來(lái)講解操作系統(tǒng)，作為程序員是繞不開(kāi)程序這個(gè)話題的，因此在深入理解操作系統(tǒng)之前還是有必要來(lái)聊一聊程序是怎么一回事。

究竟什么是程序？

我們引用Wikipedia對(duì)計(jì)算機(jī)程序的定義：

A computer program is a collection of instructions that performs a specific task when executed by a computer.

翻譯成大白話就是，能指揮計(jì)算機(jī)干活的一堆指令就叫計(jì)算機(jī)程序。那怎樣才能寫(xiě)出指揮計(jì)算機(jī)干活的指令呢？這就涉及到程序是怎么來(lái)的。

程序是怎么來(lái)的呢？

程序是我們廣大程序員們用編程語(yǔ)言一個(gè)字符一個(gè)字符寫(xiě)出來(lái)的文本字符串，只不過(guò)這些文本字符串是人類(lèi)可以認(rèn)識(shí)的。無(wú)論用的什么程序語(yǔ)言，C/C++、Java、Python、JavaScript、C#、Perl、Lua、Shell、匯編語(yǔ)言等等等等，只要是你寫(xiě)出來(lái)的文本字符串能指揮計(jì)算機(jī)干活，這都叫程序。這些程序員認(rèn)識(shí)的文本字符串就是可以指揮計(jì)算機(jī)完成特定任務(wù)的指令。你可能有點(diǎn)糊涂了，這些文本字符串真的就是計(jì)算機(jī)能用來(lái)完成特定任務(wù)的指令嗎？計(jì)算機(jī)不是只認(rèn)識(shí)0和1這兩個(gè)數(shù)字嗎？

天才的榆木疙瘩

計(jì)算機(jī)其實(shí)是一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)得非常差的家伙，以至于差到只能認(rèn)識(shí)兩個(gè)數(shù)，0和1，其它的就都不能認(rèn)識(shí)了，我們要面對(duì)的就是這樣一個(gè)榆木疙瘩。

雖然這個(gè)榆木疙瘩數(shù)學(xué)不好識(shí)數(shù)不多，但是這家伙有一個(gè)我們?nèi)祟?lèi)難以望其項(xiàng)背的能力，不，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是超能力，那就是這個(gè)榆木疙瘩算數(shù)非?？欤瑢?duì)于簡(jiǎn)單的加法我們?nèi)祟?lèi)可能一般一秒能算不超過(guò)10個(gè)，但是計(jì)算機(jī)一秒可以完成數(shù)十億次的計(jì)算，簡(jiǎn)直是天才！雖然計(jì)算機(jī)能認(rèn)識(shí)的數(shù)就只有0和1這么簡(jiǎn)單，但是其計(jì)算速度體現(xiàn)出了簡(jiǎn)單的威力。

從文本字符串到機(jī)器指令

至此，我們知道程序員(人類(lèi))和計(jì)算機(jī)是兩個(gè)完全不同的物種，不同的物種能理解的語(yǔ)言是完全不同的，就好比普通的人不會(huì)明白一群鳥(niǎo)語(yǔ)在說(shuō)什么一樣，我們?nèi)祟?lèi)也不能打開(kāi)vim或者宇宙無(wú)敵IDE——Visual Studio直接寫(xiě)0和1吧（雖然這是可以的，早期的程序員確實(shí)就是這么干的，牛不牛）。

因此，我們需要某種魔法把人類(lèi)認(rèn)識(shí)的C/C++、Java、Python之類(lèi)的翻譯出計(jì)算機(jī)可以認(rèn)識(shí)二進(jìn)制01指令。這樣的魔法就來(lái)自?xún)蓚€(gè)東西，編譯器和解釋器。

翻譯官編譯器和解釋器

編譯器大家應(yīng)該都比較熟悉，我們寫(xiě)好C/C++程序后第一步就是編譯，這里編譯工作就是編譯器來(lái)完成的。你可以簡(jiǎn)單的理解為編譯器把C/C++程序直接翻譯成計(jì)算機(jī)可以認(rèn)識(shí)的01二進(jìn)制機(jī)器指令。

對(duì)于解釋器有的同學(xué)可能就不是那么熟悉了，寫(xiě)Java、Python、C#程序的時(shí)候你從沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)要“編譯一下Java，編譯一下Python，編譯一下C#”吧。你可能會(huì)說(shuō)C/C++程序我能理解了，編譯器把C/C++程序直接翻譯成了01二進(jìn)制機(jī)器指令，那Java、Python一類(lèi)的程序是怎么運(yùn)行的呢？

大家可以想一想，你在寫(xiě)Python、Java、C#程序之前是不是要安裝一堆東西，稱(chēng)之為“運(yùn)行時(shí)環(huán)境”？

如果你想不起來(lái)，趕緊重新搭一套環(huán)境試試是不是這么回事。

這里的運(yùn)行時(shí)環(huán)境其實(shí)就是解釋器。你可以把這個(gè)解釋器簡(jiǎn)單的理解為就是一個(gè)程序，只不過(guò)。。。注意注意！??！前方高能?。?！，只不過(guò)是解釋器這個(gè)程序可以運(yùn)行你寫(xiě)的Java、Python、C#的程序， 解釋器是一個(gè)可以運(yùn)行程序的程序?。?！ 那解釋器這個(gè)程序又是怎么來(lái)的呢？一般情況下這些解釋器其實(shí)是用C/C++寫(xiě)出來(lái)的。只不過(guò)用C/C++寫(xiě)的這個(gè)程序?qū)ｉT(mén)用來(lái)執(zhí)行你寫(xiě)的Java、Python之類(lèi)的程序，高能完畢。

偉大的C語(yǔ)言

希望到目前為止你還沒(méi)有暈，到這里我們知道了，不管我們用的是Java、Python、JavaScript什么的也好最終都逃不出C/C++(Go等語(yǔ)言除外)，CPU不直接執(zhí)行Java、Python、JavaScript之類(lèi)的解釋型語(yǔ)言程序，CPU可以直接執(zhí)行的是解釋器代碼，解釋器最終來(lái)執(zhí)行Java等程序，這就是解釋型語(yǔ)言效率不如編譯型語(yǔ)言效率高的原因。因?yàn)镃/C++程序最終被編譯器翻譯成了01機(jī)器指令，CPU可以直接運(yùn)行運(yùn)行機(jī)器指令，而對(duì)于解釋型語(yǔ)言來(lái)說(shuō)CPU首先執(zhí)行的是解釋器的程序，然后解釋器再執(zhí)行你寫(xiě)的程序，性能上當(dāng)然不及編譯型語(yǔ)言。

而C++程序其實(shí)在編譯過(guò)程中也會(huì)轉(zhuǎn)化為C程序然后再轉(zhuǎn)為01二進(jìn)制機(jī)器指令，并且們使用的Windows、Linux、MacOS等操作系統(tǒng)同樣是用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的，從最底層的操作系統(tǒng)到上層的應(yīng)用程序?qū)嶋H上都逃脫不了C語(yǔ)言。

從這個(gè)角度看，C語(yǔ)言真是一門(mén)偉大的語(yǔ)言。

回到操作系統(tǒng)

饒了一大圈我們回到操作系統(tǒng)，接下來(lái)關(guān)于操作系統(tǒng)的講解中涉及到示例程序沒(méi)有明確說(shuō)明的話指的是C語(yǔ)言程序。請(qǐng)注意，如果你對(duì)C語(yǔ)言不熟悉也沒(méi)有關(guān)系，我們示例都非常簡(jiǎn)單不會(huì)涉及到復(fù)雜的C語(yǔ)言相關(guān)概念與用法，有任何語(yǔ)言的使用經(jīng)驗(yàn)都可輕松應(yīng)對(duì)。

C語(yǔ)言程序編譯好后生成的可執(zhí)行程序在Windows中就是我們熟悉的exe程序，在Linux下是elf程序，這些可執(zhí)行程序編譯好后和普通文件一樣存放在磁盤(pán)當(dāng)中。

在接下來(lái)關(guān)于操作系統(tǒng)的討論當(dāng)中，沒(méi)有明確說(shuō)明的話，以下幾個(gè)詞匯，"程序"，"用戶(hù)程序"，"應(yīng)用程序"指的都是編譯好后放在磁盤(pán)上的可執(zhí)行程序。

操作系統(tǒng)也是程序

一定要認(rèn)識(shí)到，操作系統(tǒng)也是程序，只不過(guò)這個(gè)程序不是簡(jiǎn)單的往屏幕上打印helloworld，不能用來(lái)文字語(yǔ)音視頻聊天，不能用來(lái)上網(wǎng)，不能用來(lái)看電影，不能用來(lái)玩游戲。那么這個(gè)貌似什么娛樂(lè)設(shè)施都提供不了的程序有什么用呢？這個(gè)程序的作用無(wú)比重要，該程序的作用是為以上用戶(hù)程序提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，管理計(jì)算機(jī)硬件資源包括：CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、網(wǎng)卡、外設(shè)等等等等，這個(gè)程序就是該教程重點(diǎn)關(guān)注的操作系統(tǒng)。

總結(jié)

這是該教程的第一節(jié)，在這一節(jié)中我們從各個(gè)方面講解了程序這一話題。

程序分為編譯型程序，比如C/C++，以及解釋型程序比如Java、Python、JavaScript等。編譯型程序被編譯器直接翻譯成CPU可以直接運(yùn)行的機(jī)器指令，而解釋型程序無(wú)需編譯，其運(yùn)行依靠的是解釋器，解釋器是一個(gè)可以執(zhí)行程序的程序，解釋器這個(gè)程序一般是由C/C++程序編寫(xiě)的。

需要我們注意的是操作系統(tǒng)也是一個(gè)程序，只不過(guò)這個(gè)程序的作用比較特殊，這個(gè)程序是用來(lái)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種軟硬件資源的，比如提供進(jìn)程、線程機(jī)制，管理CPU等等，這個(gè)程序也是接下來(lái)該教程的主角。