順序、條件、循環語句的底層解釋

順序結構

數據傳送指令

    咱們都清楚，絕大多數編譯器都把彙編語言做爲中間語言，把彙編語言程序變成可運行的二進制文件早就解決了，因此如今的高級語言基本上只須要把本身翻譯成彙編語言就能夠了。

    彙編指令總共只有那麼多，大多數指令都是對數據進行操做，好比常見的數據傳送指令mov。不難理解，被操做數據無非有三種形式，當即數，即用來表示常數值；寄存器，此時的數據即存放在指定寄存器中的內容；內存引用，它會根據計算出來的地址訪問某個內存位置。

    須要注意的是，到了彙編層級，就不像高級語言那樣隨隨便便int就能和long類型的數據相加減，他們在底層所佔有的字節是不同的，彙編指令是區分操做數據大小的，好比數據傳送指令，就有下面這些品種（x86-64 對數據傳送指令加了一條限制：兩個操做數不能都指向內存位置）。

壓棧與彈棧

    對於棧，我想沒必要多講，IT 行業的同窗都清楚，它是一種線性數據結構，其中的數據遵循「先進後出」原則，寄存器%rsp保存着棧頂元素的地址，即棧頂指針。一個程序要運行起來，離不開棧這種數據結構。

    棧使用最多的就是彈棧popq和壓棧pushq操做。好比將一個四字值壓入棧中，棧頂指針首先要減 8（棧向下增加），而後將值寫到新的棧頂地址；而彈棧則須要先將棧頂數據讀出，而後再將棧指針加 8。因此pushq和popq指令就能夠表示爲下面的形式。

// 壓棧
subq $8, %rsp
movq %rbp, (%rsp)

// 彈棧
movq (%rsp), %rax
addq $8, %rsp
複製代碼

    其餘還有算術、邏輯、加載有效地址、移位等等指令，能夠查閱相關文檔瞭解，不做過多介紹，彙編看起來確實枯燥乏味。

條件結構

    前面講的都是順序結構，咱們的程序中不可能只有順序結構，條件結構是必不可缺的元素，那麼彙編又是如何實現條件結構的呢？

    首先你須要知道，除了整數寄存器，CPU 還維護着一組條件碼寄存器，咱們主要是瞭解如何把高級語言的條件結構轉換爲彙編語言，不去關注這些條件碼寄存器，只須要知道彙編能夠經過檢測這些寄存器來執行條件分支指令。

if-else 語句

    下面是 C 語言中的if-else語句的通用形式。

if(test-expr){
    then-statement
}else{
    else-statement
}
複製代碼

    彙編語言一般會將上面的 C 語言模板轉換爲下面的控制流形式，只要使用條件跳轉和無條件跳轉，這種形式的控制流就能夠和彙編代碼一一對應，咱們以 C 語言形式給出。

t = test-expr;
    if(!t){
        goto false;
    }
    then-statement;
    goto done;
false:
    else-statement;
done:
複製代碼

    可是這種條件控制轉移形式的代碼在現代處理器上可能會很低效。緣由是它沒法事先肯定要跳轉到哪一個分支，咱們的處理器經過流水線來得到高性能，流水線的要求就是事先明確要執行的指令順序，而這種形式的代碼只有當條件分支求值完成後，才能決定走哪個分支。即便處理器採用了很是精密的分支預測邏輯，可是仍是有錯誤預測的狀況，一旦預測錯誤，那將會浪費 15 ~ 30 個時鐘週期，致使性能降低。

    在流水線中，把一條指令分爲多個階段，每一個階段只執行所需操做的一小部分，好比取指令、肯定指令類型、讀數據、運算、寫數據以及更新程序計數器。流水線經過重疊連續指令的步驟來得到高性能，好比在取一條指令的同時，執行它前面指令的算術運算。因此若是事先不知道指令執行順序，那麼事先所作的預備工做就白乾了。

    爲了提升性能，能夠改寫成使用條件數據傳送的代碼，好比下面的例子。

v = test-expr ? then-expr : else-expr；

// 使用條件數據傳送方法
v = then-expr;
ve = else-expr;
t = test-expr;
if(!t){
    v = ve;
}
複製代碼

    這樣改寫，就能提升程序的性能了，可是並非全部的條件表達式均可以使用條件傳送來編譯，通常只有當兩個表達式都很容易計算時，編譯器纔會採用條件數據傳送的方式，大部分都仍是使用條件控制轉移方式編譯。

switch 語句

    switch語句能夠根據一個整數索引值進行多重分支，在處理具備多種可能結果的測試時，這種語句特別有用。爲了讓switch的實現更加高效，使用了一種叫作跳轉表的數據結構（Radis 也是用的跳錶）。跳轉表是一個數組，表項 i 是一個代碼段的地址，當開關狀況數量比較多的時候，就會使用跳轉表。

    咱們舉個例子，仍是採用 C 語言的形式表是控制流，要理解的是執行switch語句的關鍵步驟就是經過跳轉表來訪問代碼的位置。

void switch_eg(long x, long n, long *dest){
    long val = x;
    switch(n){
        case 100:
            val *= 13;
            break;
        case 102:
            val += 10;
        case 103:
            val += 11;
            break;
        case 104:
        case 105:
            val *= val;
            break;
        default:
            val = 0;
    }
    *dest = val;
}
複製代碼

    要注意的是，上面的代碼中有的分支沒有break，這種問題在筆試中會常常遇到，沒有break會繼續執行下面的語句，即變成了順序執行。上面的代碼會被翻譯爲下面這種控制流。

void switch_eg(long x, long n, long *dest){
        static void *jt[7] = {
            &&loc_A, &&loc_def, &&loc_B,
            &&loc_C, &&loc_D, &&loc_def,
            &&loc_D
        };
        unsigned long index = n - 100;
        long val;
        if(index > 6){
            goto loc_def;
        }
        goto *jt[index];
    loc_A:
        val = x * 13;
        goto done;
    loc_B:
        x = x + 10;
    loc_C:
        val = x + 11;
        goto done;
    loc_D:
        val = x * x;
        goto done;
    loc_def:
        val = 0;
    done:
        *dest = val;
}
複製代碼

循環結構

    C 語言中有do-while、while和for三種循環結構，它們的通用形式通常都長下面那樣。

// do-while
do
    body-statement while(test-expr);
    
// while
while(test-expr)
    body-statement
    
// for
for(init-expr; test-expr; update-expr)
    body-statement
複製代碼

    do-while的特色是body-statement必定會執行一次，因此咱們能夠將do-while翻譯成下面的控制流形式，很容易就能聯想到它的彙編形式。

loop:
    body-statement;
    t = test-expr;
    if(t){
        goto loop;
    }
複製代碼

    while循環咱們給出兩種形式的控制流，其中一種包含do-while形式，以下所示。

// 第一種形式
t = test-expr;
if(!t){
    goto done;
}
do
    body-statement;
    while(test-expr);
done:


// 第二種形式
    goto test;
loop:
    body-statement;
test:
    t = test-expr;
    if(t){
        goto loop;
    }
複製代碼

    面試的時候，有的面試官會問你for循環的執行順序，如今深刻理解了三種循環的機制，不再怕面試官啦。for循環能夠轉換成以下的while形式。

init-expr;
while(test-expr){
    body-statement;
    update-expr;
}
複製代碼

    有了這種形式的for循環，咱們只須要將其中的while部分再翻譯一下就行了，前文給出了兩種while翻譯的方式，而具體採用哪一種方式，取決於編譯器優化的等級。

總結

    計算機就是用那麼幾條簡簡單單的指令就完成了各類複雜的操做，不得不折服於計算機科學家們的魅力。如今人工智能被炒的很火熱，而後人是事件、情感驅動的，而計算機是控制流驅動的，因此從架構上就決定了，馮諾依曼體系計算機實現的都是弱人工智能。