上一篇「CPU 提供了什么」中，我们了解了物理的层面的 CPU，为我们提供了什么。
本篇，我们介绍下高级语言「C 语言」是如何在物理 CPU 上面跑起来的。
C 语言提供了什么
C 语言作为高级语言，为程序员提供了更友好的表达方式。在我看来，主要是提供了以下抽象能力：
- 变量，以及延伸出来的复杂结构体
我们可以基于变量来描述复杂的状态。
- 函数
我们可以基于函数，把复杂的行为逻辑，拆分到不同的函数里，以简化复杂的逻辑以。以及，我们可以复用相同目的的函数，现实世界里大量的基础库，简化了程序员的编码工作。
示例代码
构建一个良好的示例代码，可以很好帮助我们去理解。
下面的示例里，我们可以看到 变量 和 函数 都用上了。
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| #include "stdio.h"
int add (int a, int b) {
return a + b;
}
int main () {
int a = 1;
int b = 2;
int c = add(a, b);
printf("a + b = %d\n", c);
return 0;
}
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编译执行
毫无意外，我们得到了期望的 3。
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| $ gcc -O0 -g3 -Wall -o simple simple.c
$ ./simple
a + b = 3
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汇编代码
我们还是用 objdump 来看看，编译器生成了什么代码：
- 变量
局部变量，包括函数参数，全部被压入了 栈 里。
- 函数
函数本身，被单独编译为了一段机器指令
函数调用，被编译为了 call 指令，参数则是函数对应那一段机器指令的第一个指令地址。
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| $ objdump -M intel -j .text -d simple
# 截取其中最重要的部分
000000000040052d <add>:
40052d: 55 push rbp
40052e: 48 89 e5 mov rbp,rsp
400531: 89 7d fc mov DWORD PTR [rbp-0x4],edi
400534: 89 75 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8],esi
400537: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
40053a: 8b 55 fc mov edx,DWORD PTR [rbp-0x4]
40053d: 01 d0 add eax,edx
40053f: 5d pop rbp
400540: c3 ret
0000000000400541 <main>:
400541: 55 push rbp
400542: 48 89 e5 mov rbp,rsp
400545: 48 83 ec 10 sub rsp,0x10
400549: c7 45 fc 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x1
400550: c7 45 f8 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
400557: 8b 55 f8 mov edx,DWORD PTR [rbp-0x8]
40055a: 8b 45 fc mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
40055d: 89 d6 mov esi,edx
40055f: 89 c7 mov edi,eax
400561: e8 c7 ff ff ff call 40052d <add>
400566: 89 45 f4 mov DWORD PTR [rbp-0xc],eax
400569: 8b 45 f4 mov eax,DWORD PTR [rbp-0xc]
40056c: 89 c6 mov esi,eax
40056e: bf 20 06 40 00 mov edi,0x400620
400573: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
400578: e8 93 fe ff ff call 400410 <printf@plt>
40057d: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
400582: c9 leave
400583: c3 ret
400584: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
40058b: 00 00 00
40058e: 66 90 xchg ax,ax
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函数内的局部变量，为什么会放入栈空间呢？
这个刚好和局部变量的作用域关联起来了：
- 函数执行结束，返回的时候，局部变量也应该失效了
- 函数返回的时候，刚好要恢复栈高度到上一个调用者函数。
这样的话，只需要栈高度恢复，也就意味着被调用函数的所有的临时变量，全部失效了。
函数内的局部变量，一定会放入栈空间吗？
答案是，不一定。
上面我们是通过 -O0 编译的，接下来，我们看下 -O1 编译生成的机器码。
此时的局部变量直接放在寄存器里了，不需要写入到栈空间了。
不过，此时 main 都已经不再调用 add 函数了，因为已经被 gcc 内联优化了。
好吧，构建个合适的用例也不容易。
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| 000000000040052d <add>:
40052d: 8d 04 37 lea eax,[rdi+rsi*1]
400530: c3 ret
0000000000400531 <main>:
400531: 48 83 ec 08 sub rsp,0x8
400535: be 03 00 00 00 mov esi,0x3
40053a: bf f0 05 40 00 mov edi,0x4005f0
40053f: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
400544: e8 c7 fe ff ff call 400410 <printf@plt>
400549: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
40054e: 48 83 c4 08 add rsp,0x8
400552: c3 ret
400553: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
40055a: 00 00 00
40055d: 0f 1f 00 nop DWORD PTR [rax]
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禁止内联优化
我们用如下命令，关闭 gcc 的内联优化：
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| gcc -fno-inline -O1 -g3 -Wall -o simple simple.c
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再来看下汇编代码，此时的机器码就符合理想的验证结果了。
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| 000000000040052d <add>:
40052d: 8d 04 37 lea eax,[rdi+rsi*1]
400530: c3 ret
0000000000400531 <main>:
400531: 48 83 ec 08 sub rsp,0x8
400535: be 02 00 00 00 mov esi,0x2
40053a: bf 01 00 00 00 mov edi,0x1
40053f: e8 e9 ff ff ff call 40052d <add>
400544: 89 c6 mov esi,eax
400546: bf f0 05 40 00 mov edi,0x4005f0
40054b: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
400550: e8 bb fe ff ff call 400410 <printf@plt>
400555: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
40055a: 48 83 c4 08 add rsp,0x8
40055e: c3 ret
40055f: 90 nop
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总结
- 对于 C 语言的变量，编译器会为其分配一段内存空间来存储
函数内的局部变量，放入栈空间是理想的映射方式。不过编译的优化模式下，则会尽量使用寄存器来存储，寄存器不够用了，才会使用栈空间。
全局变量，则有对应的内存段来存储，这个以后可以再聊。
- 对于 C 语言的函数，编译器会编译为独立的一段机器指令
调用该函数，则是执行 call 指令，意思是接下来跳转到执行这一段机器指令。