#include <stdio.h>

int main(void) 
{ 	
	printf("hello world\n"); 	
	return 0; 
}

								        	   Hello程式

  hello程式作為C語言最經典的程式，雖然在實現上非常簡單，無非就是在顯示器上列印 " hello world " 幾個字元，但是卻需要計算機上幾乎所有硬體裝置以及作業系統、系統軟體協同工作才能執行起來。

  近幾年來，在軟體工程師（特別是C語言工程師）的面試過程中，對於 「 hello程式是如何執行起來的 」 之類 的面試題不斷出現，由此，在這篇博文上將」對hello程式從誕生到死亡的各個階段發生了什麼，以及計算機是如何執行該程式進行詳解。

  博文共分為五個部分，講述了hello程式的一生，分別為：孕育、出生、實現 「 碼 」生價值、休眠、死亡。

一、孕育

1、程式設計師行為

  從我們開始構思hello程式的功能開始，hello程式小生命的光輝一生便已開啟，直到確定hello程式的功能是在顯示器上顯示 " hello world "這句話時，就像一顆受精卵 ( Idea ) 在溫床上著陸。

  此時我們開啟一個編輯器（類似Linux作業系統上的vim編輯器），將手放在鍵盤上，開始敲擊鍵盤，按下腦子裡所想的字元，直到程式碼完成，生成hello.c檔案，此刻hello程式小生命的模樣被勾勒完成，等待出生。

2、計算機行為

  在這些過程中值得思考的是，我們寫的hello.c程式碼檔案（一般稱為原始檔）究竟是什麼東西？計算機在這個過程中又做了哪些事情？

  首先，我們寫的hello.c程式碼檔案（一般稱為原始檔）究竟是什麼東西？其實，我們寫的原始檔是一系列由0和1組成的位序列，8個位為一組，被稱之為位元組，而每個位元組就是原始檔上的每個字元，這些字元是由ASCII碼錶示的字元。因此，原始檔被稱之為文字檔案，與之相對應的是二進位制檔案，文字檔案與二進位制檔案的區別在於文字檔案只能存放char型字元變數，而二進位制檔案能夠存放char/int/float/double等等的資料。

  其次，計算機在這個過程中又做了哪些事情呢？為使大家能夠更加清晰的理解計算機的運作過程，博主繪製瞭如下的計算機硬體系統圖，並依據此圖進行講解。

  計算機硬體系統主要由中央處理單元（CPU）、主記憶體儲器（主記憶體）、匯流排、輸入輸出裝置（I/O裝置）組成，各個部分的功能如下：
  1、中央處理單元（CPU）
   簡稱處理器，它主要用作解釋或執行主記憶體中儲存的指令。而處理器主要分為四個部分，分別是程式計數器（PC）、暫存器、算術/邏輯單元（ALU）、CPU對外匯流排介面。從系統上電開始，程式計數器便會指向主記憶體中的某一條程式指令，處理器會不斷地去處理執行PC指向的程式指令。當程式計數器指向某一條指令時，處理器會讀取該指令，執行該指令表達的動作，然後更新PC，繼續執行新的指令。暫存器是一個小的儲存裝置，是由一些一個字長的暫存器組成。ALU能夠計算新的程式指令地址以及資料。CPU對外匯流排介面是CPU與外界通訊的虛擬媒介，對於 " 介面 " 這個概念，我們可以理解為插頭與插座，CPU對外匯流排介面好比插座，外界的資料流好比插頭，插頭與插座相匹配才能資訊往來。
  2、主記憶體儲器（主記憶體）
   主記憶體是一個臨時儲存裝置，它的作用是儲存程式指令以及程式處理的資料。它是一個掉電丟失的裝置，當我們使用word等文字編輯器時，在沒有儲存檔案時，檔案裡的資料都會儲存在記憶體中，一旦計算機被斷電，檔案裡的資料將會直接丟失！
  3、匯流排
   一種電子線管道，用於在計算機各個部分之間傳遞位元組資訊
  4、輸入輸出裝置（I/O裝置）
   能夠與計算機系統建立連線的裝置，是控制訊號輸入或資訊輸出的媒介。常見的輸入輸出裝置包括滑鼠、鍵盤、顯示器等等。當然，只有輸入輸出裝置是不足以和計算機成功建立連線，每個輸入輸出裝置都需要有一個控制器或介面卡與計算機連線（準確的說是與I/O匯流排進行連線）。

  在講解好計算機硬體系統後，我們在計算機硬體系統的基礎上看看我們敲下的字元都去哪了。

  在上面這張圖上我們可以看到1和2兩條線路，這兩條線路就是我們敲下的字元以及最後的原始檔的成長路線。首先來看1號線路，在我們敲下某一個字元時，字元隨著鍵盤到達USB控制器，後面便隨著I/O匯流排一路奔向CPU，中途經過的I/O橋是外界資料流與CPU的月老，能夠將兩者牽上紅繩，友好交流，隨後，字元到達CPU對外匯流排介面，並流向暫存器，最終通過系統匯流排、記憶體匯流排到達主記憶體，並隨著一個個字元的輸入，字元會在主記憶體內按次序堆積。直到我們按下 " 儲存檔案 " 鍵，剛剛存放的所有字元便隨著既定好的2號線湧向磁碟，儲存在磁碟的某一塊區域。

  至此，hello程式小生命的 " 碼 " 生便來到了轉折點，即將開啟 " 碼 " 生第二階段：出生。

二、出生

  在 " 十月懷胎 " 後，hello程式小生命將會出生，會面臨四大階段：預處理、編譯、組合、連結。這四個階段的目的是為了將高階語言轉換為為機器碼，讓計算機能夠知道hello程式小生命的使命。

  1、預處理

    前處理器會根據 " # " 這個命令去修改原始檔。hello程式第一行程式碼 " #include <stdio.h> " 告訴前處理器需要在當前位置包含 " stdio.h " 這個標頭檔案的內容，因此，前處理器便查詢該標頭檔案，並將該標頭檔案的內容完整的替換" #include <stdio.h> " 這句話。修改完成的原始檔名變為 " hello.i "。

  2、編譯

    編譯器將修改過的原始檔進行一次編譯，生成 " hello.s " 檔案，該檔案是一個組合程式檔案。

  3、組合

    組合器將組合程式檔案再一次轉換，轉換為計算機能夠看懂的機器碼，機器碼檔案是由0或1組成的檔案，也被稱為可重定向目標檔案，該檔案（hello.o）實質上是一個二進位制檔案。如果我們用文字檔案去檢視該檔案，則看到的將是一堆亂碼。

  4、連結

    由於hello程式內使用了printf庫函數，而printf庫函數存放於單獨編譯好了的 " printf.o " 檔案內，我們需要將 " printf.o " 檔案與 " hello.o " 檔案進行合併。整個程式碼需要正常執行還需要啟動程式碼檔案還能正常啟動執行，因此，連結器將 " printf.o " 、" hello.o " 、啟動程式碼檔案進行連結，生成 " hello " 可執行目標檔案，儲存在硬碟裡，該檔案可以被直接載入執行。

  經過出生的四大階段，我們的hello程式小生命已經誕生，接下來它將會經歷成長，並實現它的 「碼 」 生價值。

三、實現 「 碼 」 生價值

  hello程式小生命的一生極其短暫，它的使命在它把 " hello world " 這句話顯示在顯示器上時便完成。下面我們來探索一下它的短暫 " 碼 " 生。

  1、啟動 " 碼 " 生

    由於在windows的整合環境下啟動hello程式使得hello程式小生命得一生被安排得明明白白，以至於我們無法一步步看清它的成長， 因此這裡以Linux作業系統為例進行講解，shell是Linux作業系統下的命令直譯器，當shell的滑鼠遊標在閃爍時，提示我們輸入命令，我們輸入 " ./hello " 後，shell便會把從鍵盤輸入的 " ./hello " 讀入暫存器，儲存在主記憶體中。具體過程如下圖1號線路。

  2、能量儲備

    當我們輸入 " ./hello " 後按下確認鍵，則shell便會執行命令，shell將使用一些指令將硬碟中存放的hello可執行檔案程式指令以及資料複製到主記憶體，為最終使命做準備。具體過程如下圖2號線路。

  3、釋放能量

    當主記憶體中載入了hello程式指令以及資料時，處理器便會開始執行程式指令，最終，處理器將主記憶體中存放的 " hello world\n " 字元複製到暫存器， 在經I/O匯流排流向顯示器，在顯示器中顯示 " hello world " 。具體過程如下圖3號線路。

四、休眠

  當程式執行完後，hello程式積攢的能量被釋放完，將進入休眠狀態，它沉睡於硬碟的某個區域，等待喚醒（在shell中輸入 " ./hello "）。當再次被喚醒時，它會再次儲備能量並釋放能量。

五、死亡

  當我們將硬碟中的hello程式相關檔案全部刪除時，hello程式小生命的一生在此終結。