计算机基础知识 - runtime - 《C 语言学习》

含义一：程序生命周期中的阶段
含义二：运行时库（runtime library）
含义三：运行时系统（runtime system）

实际上编程语境中的 runtime 至少有三个含义，

指「程序运行的时候」，即程序生命周期中的一个阶段。例句：「Rust 比 C 更容易将错误发现在编译时而非运行时。」
指「运行时库」，即 glibc 这类原生语言的标准库。例句：「C 程序的 malloc 函数实现需要由运行时提供。」
指「运行时系统」，即某门语言的宿主环境。例句：「Node.js 是一个 JavaScript 的运行时。」

含义一：程序生命周期中的阶段

一个程序从写好代码字符串（起点）到跑完退出（终点），有一整套标准化的生命周期（流程），可以被拆分为多个阶段。这其中编译阶段是 compile time，链接阶段是 link time，那运行起来的阶段自然就是 run time 了。

含义二：运行时库（runtime library）

怎样理解 runtime library 呢？要知道 C、C++ 和 Rust 这类「系统级语言」相比于 JavaScript 这类「应用级语言」最大的特点之一，就在于它们可以胜任嵌入式裸机、操作系统驱动等贴近硬件性质的开发——而所谓 runtime library，大致就是这时候你没法用的东西。

#include <stdio.h> // 1
int main(void) { // 2
  printf("Hello World!\n"); // 3
}

这里面除了最后一个括号，每行都和运行时库有很大关系，在缺少操作系统和标准库的裸机环境下，上面的代码是跑不起来的。

stdio.h 里的符号是 C 标准库提供的 API，我们可以 include 进来按需使用（但注意运行时库并不只是标准库）。
main 函数是程序入口，但难道可执行文件的机器码一打开就是它吗？这需要有一个复杂的启动流程，是个从 _start 开始的兔子洞。
printf 是运行时库提供的符号。可这里难道不是直接调操作系统的 API 吗？实际上不管是 OS 的系统调用还是汇编指令，它们都不方便让你直接把字符串画到终端上，这些过程也要靠标准库帮你封装一下。

虽然 C 的 if、for 和函数等语言特性都可以很朴素且优雅地映射（lowering）到汇编，但必然会有些没法直接映射到系统调用和汇编指令的常用功能，比如上面介绍的那几项。对于这些脏活累活，它们就需要由运行时库（例如 Linux 上的 glibc 和 Windows 上的 CRT）来实现。

运行时库并不只是标准库，你就算不显式 include 任何标准库，也有一些额外的代码会被编译器插入到最后的可执行文件里。比如上面提到的 main 函数，它在真正执行前就需要大量来自运行时库的辅助。

总之，由于系统级语言被设计成既可以用来写操作系统上的原生应用，也可以用来写 bare metal 的裸机程序，因此这类语言需要的运行时（runtime）被设计成了可以按需使用的库（library），于是我们就自然地得到了 runtime library 这个概念。

含义三：运行时系统（runtime system）

上面介绍的运行时库，主要针对的是 C、C++ 和 Rust 这些「系统级语言」。只要将这个概念继续推广到其他高级语言，这时候的「运行时」指的就是 runtime system 了——如果讨论某门高级语言的运行时，我们通常是在讨论一个更重、更大而全的运行时库。

比如 Java 的运行时是 JRE，C# 的运行时是 CLR。这两者都相当于一个需要在 OS 上单独安装的软件，借助它们来解释执行相应语言的程序（编译出的字节码）。而对 JavaScript 来说，一般「JS 引擎」是个不带 IO 支持的虚拟机，需要浏览器和 Node 这样的「JS 运行时」才能让它控制文件、网络、图形等硬件资源而真正实用。这些都是很经典的模型了。

典型的高级语言「运行时系统」里大概需要这些基础组件：

一个解释执行字节码的虚拟机，多半得带个垃圾回收器。
如果语言是源码解释执行，那么需要一个编译器前端做词法分析和语法分析。
如果运行时支持 JIT 优化，那么还得藏着个编译器后端（动态生成机器码）。
IO 相关能力，比如 Node.js 的 fs.readFile 之类。