二进制文件如何在不同的机器上运行？

Question

我一直想知道可执行二进制文件实际上是如何工作的。编译总是被表述为

获取源代码并将其翻译成机器语言

但这到底意味着什么呢？即：

1. 我可以将二进制文件从计算机 A 移动到计算机 B 并期望它能正常工作吗？（假设我还移动了相应的库）
2. 每个可执行二进制文件是否都适合于特定的处理器？
3. 可执行二进制文件中包含什么样的信息？
4. 为什么 Windows 上的可执行文件可以在任何 Windows 版本上启动？（如果它们能正常工作那就另当别论了）
5. 为什么我不能在 Windows 上运行 Linux 可执行文件？这与内核有关吗（与处理器无关）？

请记住，我对处理器和编译器的了解有限，对汇编一无所知。

Answer 1

1. 不一定。如果它是为了可移植性而构建的并且平台兼容，那么可以（例如，64 位版本的 Windows 能够执行 32 位和 64 位 Windows 可执行文件，但不再能执行 16 位可执行文件）。
2. 不一定。它们是为特定指令集制作的。由于这些通常是扩展，并且具有向后兼容性，因此您可能在较新的处理器上运行较旧的文件，但不一定反过来。例如，为 Windows 95 编译的程序可能仍会在今天的硬件上运行，但您无法在旧的 Windows 95 机器上运行为今天的硬件编译的程序。但是，如果两台机器运行完全不同的指令，则可执行文件将不兼容（例如 Intel 与 ARM）。
3. 这是依赖于平台的，有多种格式具有不同的标题和内容，但基本上总是有某种标题作为索引，告诉操作系统在哪里找到特定的东西（例如主入口点）。
4. 他们实际上不能（见上面的#2）。
5. 首先，Windows 和 Linux 的可执行文件使用不同的格式。但即便如此，它们之间还是存在差异，例如整个环境和提供的平台 API/库。例如，Linux 可执行文件通常会尝试与窗口管理器（如 X11）通信，而 Windows 程序则会尝试调用 Windows API。但是，有办法让这些事情正常运作。据我所知，旧版本的 Windows（NT？）实际上有 POSIX 扩展，因此您可以运行一组有限的 Linux 程序，尽管我从未真正尝试过或仔细研究过。另一方面，对于 Linux，有 Wine 等工具会尝试模拟 Windows 环境，提供 API 文件、路径转换等。它不是完整的模拟（就像使用虚拟机一样）。

Answer 2

1. 仅在非常受控的情况下：两台计算机必须具有兼容的处理器和操作系统。

2. 不是特定处理器，而是一组兼容的处理器。例如，为兼容 x86 而编译的文件，没有扩展名，将在每个 Intel 或 AMD x86 或 x64 处理器上运行，前提是操作系统兼容。

3. 首先是编译步骤中的机器代码。除此之外，还有一些其他所谓的“部分”，例如资源（有没有想过，为什么可执行文件在 Windows 上有专用图标，即使它没有运行，但只是显示在资源管理器中）、二进制兼容性描述等。

4. 这是 1. 的副作用：只要操作系统提供与可执行格式的兼容性，就可以启动它。现代 Windows 版本提供了一系列兼容性：DOS、Win16、Win32、Win64、dotnet 是最重要的。

5. 操作系统为可执行文件提供了一个执行必不可少的环境。Linux 和 Windows 之间的环境差别很大。这意味着您不能直接在一个操作系统上运行可执行文件。目前正在进行的项目旨在弥补这一差距：WINE 项目旨在允许在 Linux（和其他操作系统）上启动 Windows 可执行文件，而 Cygwin 项目旨在使 Linux 软件可以在 Windows 上运行。Cygwin 的目标不是二进制兼容性，而是允许重新编译未修改的源代码。

重要的是要理解，可执行文件（例如.exe）是不是编译过程的结果 - 它是链接过程，它将编译的输出与创建我在 3 中描述的内容所需的其他要素结合起来。