深入理解计算机系统（一）：计算机系统漫游，再学hello world

前言：

2020年毕业到今2024年，恰好进入行业第四个年头，随着入行越久，对技术本身越发觉得空虚，空是肚子里没有真墨水，虚是虚度一天有一天，一年又一年的时间。4年时间，我把自己从研发干到版本经理，再干到项目负责人，现在干到售后的岗位。干的活确实也不算少，但是自身的知识体系是一点都没建立起来。本人从事GPU行业，做的既有上层应用适配，又有底层驱动逻辑。尤其是做售后以来，干的越久，越觉得应该把自身的知识体系建立起来，公司是内网办公，一些工作的经验记录没办法记到优快云笔记上。所以优快云主要是用做知识体系的构建笔记，想到要学什么就做个记录学什么吧！

至于为什么要学习计算机系统，是因为在工作中发现计算机系统愈发重要，同时我也恰巧有这本书。既然想做出改变，就从这本经典的《深入理解计算机系统开始》吧！

我对自己在本书的学习要求是，计算机系统知道个大概，扩展的知识能够实操验证，看一遍是不可能读明白的，看完之后能知道个大概就达到本书学习的目的了。

1.1 信息就是位+上下文

基本概念：

• 源程序：由.c程序编译而成的bit 序列，8bit为一组（字节），每个字节表示某个文本字符
• ASCII： 一个文本索引表，类似密码本的翻译手册
• 二进制文件：所有其他文件称为
• 文本文件：由ASCII码组成的文件

数据都是一串位来表示的，区分不同数据对象就是联系上下文

Tips：C语言的起源：C语言是用于Unix操作系统而设计的。

1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式

gcc -o hello hello.c
hello.c -> cpp预处理器 -> hello.i(预处理) -> 编译器 -> hello.s -> 汇编器（as）-> hello.o -> 链接器 -> hello (可执行目标文件)

• 预处理阶段：.h 文件复制粘贴
• 编译阶段：编译器（ccl）将源文件翻译成汇编语言
• 汇编阶段：汇编器（as）翻译成机器语言，即二进制文件
• 链接阶段：链接标准库，例如hello调用的printf， printf 在已经预编译好的目标文件中，这个文件需要合并到目标程序中，这样就能得到完整的可执行目标文件。

tips：GCC 来自于最早的开源项目GNU(GNU IS NOT UNIX),GNU项目还有我们熟悉GDB 调试器。

1.3 了解编译器系统如何工作

后面讲。

1.4 处理器读并解释存储在存储器中的指令

./hello
运行hello程序。

1.4.1 系统硬件的组成

要了解hello程序运行时发生了什么？
就要了解一些硬件的基本组成。

1. 总线：贯穿整个系统的电子管道，可以传递字节信息在各个部件间。设定为定长字节块（word）。有（4 个字节）32位的也有（8个字节）64位的，这里是不是常说的32位和64位操作系统（这个跟cpu的GPRS，处理器一次处理的数据有关）的区别。但是意思差不多一致，就是越大的跑道，将更加满足硬件传输的需求。
2. I/O设备：每个I/O设备都通过一个控制器或适配器于I/O总线相连。
3. 主存：临时存储设备 DRAM（动态存储器）
4. 处理器：中央处理单元（CPU ），是执行存储在主存的引擎。处理器的核心是一个字长的存储设备（寄存器），称为PC（程序计数器），在任何时刻PC 都指向主存中的某条机器语言指令。看起来PC就像一个接单员，一直从主存中取工单（指向主存中的某条机器指令），将工单里面的计算内容放在寄存器文件中 （寄存器文件就是一个小的存储设备），然后ALU（算术逻辑单元–真正的打工王者）将寄存器文件的内容复制到输入，操作运算再到输出，存到寄存器里，最后寄存器将目标结果传到主存指定位置。大概就是这么个流程，但是处理器这么牛的东西，肯定不会这么简单。

1.4.2 运行hello程序

当我们执行./hello的时候，机器是怎么运转的呢？

从上图可以看到，从键盘开始键入./hello 并按回车开始，CPU会将hello程序的机器数据从磁盘复制到主存。利用DMA技术，可以从磁盘直接到主存（后面讲）。只要hellp中的代码和数据加载到主存，处理器就可以开始执行程序。PC通过主存到寄存器文件，在通过ALU计算结果后将目标寄存器文件靠回到显示设备上。

1.5 高速缓存

从上述的例子可以看到，要执行最简单的程序，也要经过大量的时间将数据从一个地方加载到另一个地方（磁盘->主存->寄存器文件->主存->显示），在整个程序的耗时占了大部分。拷贝耗时是整个程序运行的开销的大部分。
那么缓存越快，机器运行的效率就越高，设备性能越好！
但是对高速缓存我总结：越近越快，越快越贵 —除了空间能换时间，金钱也可以换时间。

所以为了节省成本，设计者设计高速缓存的存储器，作为暂时的集结区域，只存当前处理器需要处理的信息。

1.6 存储设备形成分级

存储结构层次分级：

1.7 操作系统管理硬件

硬件是通过操作系统来控制的
操作系统两个基本功能概括：

1. 防止硬件被失控的应用程序滥用
2. 想应用程序提供简单一致的机制来控制复杂繁多的低级硬件设备

抽象概念：

• 进程：对处理器、主存、I/O设备的抽象表示
• 虚拟存储器：对主存和I/O设备的抽象表示
• I/O设备 ：文件是对I/O设备的抽象表示

1.7.1 进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种表示

• 一个系统可以运行多个进程
• 并发：只是看上去执行多个进程，其实都是轮流来
• 进程间的切换，交错执行命令的机制，称为上下文切换
• 哪个进程在CPU上来执行时操作系统决定的。

1.7.2 线程

一个进程可以有多个线程的执行单元组成，多线程的方案比多进程更高效。

1.7.3 虚拟存储器

虚拟存储器：是一个抽象概念，他为了让每个进程都认为自己独占了主存而设计。
虚拟化空间：每个进程看到一致的存储器，称为虚拟地址空间。

ps：上图中的地址是从下往上增的。
程序代码和数据：对于所有进程来说，代码是从同一固定的地址开始，紧接着是和C全局变量相对应的数据位置。
堆：代码和数据区随后运行的就是堆。代码和数据区是在进程运行一开始就被规定的（执行文件hello代码和数据大小固定），与此不同，随着代码中malloc和free，堆可以动态的扩展和收缩。后面详细讲
共享库：后面讲
栈：位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用他实现函数调用。和堆一样，用户栈在执行程序期间动态扩展和收缩。
内核虚拟存储器： 内核总是驻留在内存中，是操作系统的一部分，地址空间的顶部是为内核保留的。

1.7.4 文件

文件 就是字节序列。每个I/O设备，包括磁盘、键盘、鼠标、显示器，网络，都视为文件，系统所有的输入输出都是通过使用系统函数调用读写文件来实现的。

Linux 的核心就是文件思想。

可以了解一下Linux之父：linux Torvalds

1.8 系统之间的网络通信

本地客户端键入命令，远端服务器运行程序，将运行的结果远程发送回客户端，客户端再显示到显示器上。

1.9 几个重要的概念

1.9.1 并发和并行

计算机发展的动力来源于需求：

 1.想要计算机做的更多。
 2.想要计算机运行的更快。

并发：指同时具有多个活动的系统
并行：用并发让一个系统运行的更快。
1. 线程级并发
构建出进程这个抽象，就能设计出同时执行多个程序的系统，这就是并发的抽象概念。使用线程 ，甚至可以在一个进程中执行多个控制流。
前文里面说过：并发执行只是模拟出来的概念，一台单处理器的计算机系统只能在一个时间处理一个任务，而执行的过程中可以快速切换进程，这样就是先了并发。这样的处理器系统叫做单处理器系统。

当构建一个单操作系统内核控制多处理器，就得到了一个多处理器系统。目前常见的处理器都是多核多线程的（超线程）。
顾名思义，多核，就是将多个CPU集成到一个芯片上。每个核都配备有独立的L1和L2高速缓存。
超线程：同时多线程，是一项允许CPU执行多个控制流的技术，这个就涉及到硬件设计，简单来说就是，CPU计算过程中需要将数据装载到高速缓存，而这个转载的过程又不需要计算，所以这个时间CPU可以切到另一个线程，处理另一个已经完成数据装载的任务。
多处理器芯片的出现，就可以完成上述两个需求。如果需求够大，可以叠100个核上去都行。

2.指令级并行
在更底层的层次里，现代处理器可以同时执行多条指令的属性，叫做指令级并行。原来不能指令级并行的处理器，完成一个指令通常需要2~10个时钟周期。而当处理支持指令级并行后，可以同时处理100条命令，换算下来甚至不需要一个时钟周期就能完成一个命令，这样被称为超标量superscalar。
3.单指令、多数据并行
在底层设计上，许多处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个可以并发执行的操作，称为单指令、多数据。SIMD并行。

1.9.2 计算机系统中抽象的重要性

抽象的使用是计算机科学的重要概念之一。
例如C语言的函数原型。
抽象有不同层次的抽象，抽象的概念，就是统一编程标准的过程，保证各种操作系统都能在一套完整的硬件平台上运行。