问题

为什么不同系统不能兼容同一个已编译的可执行二进制文件?

回答
想象一下,你有一个精心制作的乐高积木模型,它可以在你的客厅里玩得很好。但如果你想把它带到朋友家,而他家只有一套完全不同品牌、尺寸和连接方式的积木,你的模型很可能根本拼不起来,或者即使勉强拼上,也因为接口不匹配而无法正常运作。

同一个已编译的可执行二进制文件,就像这个乐高模型一样,它已经被“固化”了,包含了针对特定“环境”的指令和数据。这个“环境”在计算机领域,主要指以下几个方面:

首先,是操作系统。不同的操作系统,比如Windows、macOS、Linux,就像是不同的“积木系统”。它们各自有一套管理硬件、文件系统、内存分配、进程调度以及如何启动和运行程序的规则和接口。一个为Windows编译的可执行文件,里面包含了调用Windows特有的API(应用程序编程接口)的指令,例如如何打开一个文件、如何绘制一个窗口。Windows操作系统知道如何理解和响应这些Windows API调用。而macOS或Linux则完全不认识这些Windows API,它们有自己的一套API,就像不同牌子的积木有不同的连接方式。如果你试图在Linux上运行一个Windows程序,Linux的内核找不到它认识的Windows API指令,自然就无法执行。

其次,是处理器架构(CPU架构)。电脑的心脏——CPU,有不同的“语言”。最常见的有x86(32位和64位)、ARM等。一个为Intel x86处理器编译的可执行文件,里面包含的是x86指令集。而如果你想在用ARM处理器的设备上(比如大部分智能手机、树莓派),运行这个x86程序,那就像是让一个只懂英语的人去听法语广播,他完全无法理解其中的内容。CPU必须能够直接理解和执行二进制文件中的机器码指令,而这些指令对于不同的架构是截然不同的。

再者,是操作系统和处理器架构的组合。甚至在同一类操作系统下,不同的组合也可能产生不兼容。例如,在Linux下,虽然大多数Linux发行版共享许多底层库,但它们可能对共享库的版本要求、加载方式、甚至核心工具链(编译工具)的版本有所差异。一个在较新版本的Linux上编译的程序,可能依赖了某个只在较新版本中才存在的库特性,那么在旧版本的Linux上运行就可能出错。同样,同一款游戏如果发布了Windows 64位和macOS M1芯片的版本,它们是分开编译的,不能直接通用,因为底层的指令集和操作系统提供的服务都不同。

最后,还有依赖的库。可执行文件通常不是孤立存在的,它会调用系统中已经安装的各种动态链接库(DLL on Windows, .so on Linux, .dylib on macOS)。这些库包含了程序运行所需的函数和资源。如果你的可执行文件依赖的某个库,在目标系统上不存在、版本不匹配,或者由于其他原因无法被加载,那么程序也会无法运行。这就像你的乐高模型需要一块特定的齿轮,而朋友家恰好没有这个型号的齿轮。

简而言之,编译过程实际上是将人类可读的程序代码,翻译成特定CPU能够直接执行的机器码,并且这个翻译过程会考虑目标操作系统的“游戏规则”。一旦这个翻译完成,生成的文件就“绑定”了特定的语言(机器码)和特定的规则(操作系统API),除非目标系统恰好拥有相同的CPU语言和相同的操作系统规则,否则就无法理解和运行它。这就是为什么软件开发者需要为不同的操作系统和处理器架构分别编译和发布程序的根本原因。

网友意见

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主要的原因是格式不同API不同,前者更重要一些。

一个可执行的二进制文件包含的不仅仅是机器指令,还包括各种数据、程序运行资源,机器指令只是其中的一部分。

一个可执行文件要被执行的时候,操作系统需要为其分配资源,这些资源包括:内存空间(物理的和虚拟的),进程、线程资源等等,其中可执行文件的机器指令一般都放在代码段(汇编语言里称之为text段),其它资源可能放到数据段以及其它段里,这里“段”(segment)可以大致的理解为一段内存范围。操作系统(Windows/Linux)需要知道这个可执行文件需要多大的内存,有多少个段,分别载入到哪些内存地址上。可执行文件需要告诉操作系统,要为可执行文件准备哪些东西它才能运行。

可执行文件在执行之前,操作系统要有一些准备工作,因为不同的操作系统,准备工作是不同的,所以可执行文件的格式不完全相同。Windows上大部分可执行文件为PE格式,Linux里大部分可执行文件为ELF格式。格式不同导致了不同的可执行文件无法跨平台直接使用。这是原因之一。

当然了,我见过网上有大神解决了一些格式不同的问题,但跨平台运行还需要解决另一个障碍,就是操作系统API不同。一个可执行文件所执行的绝大多数操作(比如:文件操作、输入输出、内存申请释放、任务调度等等)都需要与操作系统交互才能完成,而不同的操作系统使用这些操作的方法完全不同,所以这个障碍更难跨越。这是原因之二。

如果能解决以上两个原因,那么有些可执行文件理论上是可以跨Windows和Linux在x86平台上运行的,因为Intel和AMD的CPU里,主要的硬件指令(机器指令)是相同的,也就是说0101这种二进制数,是一样的。但是如果切换到ARM平台,会有更大的麻烦就是硬件指令也不同,那么就完全没办法了。

有没有可能有跨平台运行的可执行文件呢,理论上是存在的,过去的时候也有一些办法,但限制极多,比如Windows过去是支持COM格式的文件的,这个文件就没有文件头,大小不能超过64K,只能在一个16位环境里(真实的或者虚拟的)运行,是真正的裸二进制文件。Linux里某些BIN文件恰好也是裸二进制文件(有些BIN文件没有ELF头,但不是所有的BIN都是这样的)。经过一些配置以后BIN文件也是可以在Linux上运行的。于是某些精巧设计的COM/BIN文件可以在限制极多的情况下跨平台运行,但也许只能做计算,无法做输出,大小也只有64K大,并且如果要做稍微复杂点的操作,就需要两套机器代码实现。另外,很不幸的是64位环境里COM文件已经不再支持了。

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