深入理解计算机系统(CSAPP):第一章.计算机系统漫游

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计算机系统由硬件和系统软件组成，共同工作运行应用程序。

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

1.1 信息就是上下文+位

hello 的生命周期是从一个源程序开始，即程序员通过编辑器创建并保存文本文件。源程序实际上是一个由0或1组成的位(比特) 序列，8个位被组织称1组，称为字节。每个字节表示程序中的某些文本字符。

hello.c程序是以字节序列的方式存放在文件当中的。每个字节都有一个整数值，对应某些字符。像hello.c这样由 ASCII 字符构成的文件称为文本文件，所有其他文件都称为二进制文件。

系统中所有的信息——磁盘文件、内存中的程序、内存中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串比特表示的。区分不同的数据对象的唯一方法是我们读取到这些数据对象时的上下文。比如，在不同的上下文中，一个同样的字节序列可能表示一个整数、浮点数、字符串或者机器指令。

1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式

在系统上为了运行hello.c程序，每条C语言都必须被其他程序转化为一系列低级机器语言指令。然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打包好，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。目标程序也称为可执行目标文件。

在unix系统上，从源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的：

linux> gcc -o hello hello.c

GCC编译器驱动程序读取源文件程序hello.c ，并且把它翻译成一个可执行目标文件hello。这个翻译过程可以分为四个阶段完成。（预处理器、编译器、汇编器、链接器）构成了编译系统。

预处理阶段：预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始C程序。比如hello.c中的第一行 #include<stdio.h> 命令预处理器读取系统文件stdio.h的内容，并且直接插入源程序文本中，得到新的C程序，通常以 .i 作为文件扩展名。

编译阶段：编译器（ccl）将文本文件hello.i 翻译成文本文件hello.s 。他包含了一个汇编语言程序，该程序包含函数main的定义

main
    subq $8,%rsp
    movl $.LC0,%edi
    call puts
    movl $0,%eax
    addq $8,%rsp
    ret

汇编阶段：汇编器（as）将hello.s 翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中，这时hello.o文件是一个二进制文件，它包含的17个字符是函数main的指令编码，如果在文本编辑器中打开hello.o文件，将是一堆乱码

链接阶段：链接器（ld）在程序hello.c中调用了printf函数，printf函数存在于一个名为printf.o的单独预编译的好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中。

1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的

优化程序性能
理解链接时出现的错误
避免安全漏洞

1.4 处理器读并解释存储在内存当中的指令

此时此刻，源文件hello.c 已经被编译系统编译成了可执行目标文件。在Unix系统上运行该文件。

linux> ./hello
hello, world
linux>

1.4.1 系统的硬件组成

总线

贯穿整个系统的一组电子管道，称作总线。携带信息字节并负责在各个部件间传递，通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字。字中的字节数是一个基本的系统参数，各个系统不尽相同。现在大多数机器字长要么是4字节（32个位），要么是8字节（64个位）。

I/O设备

系统与外部世界的联系通道。主要包括鼠标键盘，显示器，磁盘等，每个I/O设备都会通过一个控制器或者适配器与I/O总线相连。控制器与适配器之间的区别主要是他们的封装方式。

控制器是I/O设备本身或者系统的主印制电路板（通常称为主板）上的芯片组。

适配器则是一块插在主板插槽上的卡。

主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行时，用来存放程序和程序处理的数据。

从物理上来说，主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM）组成的。

从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引）。

处理器

中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释（或执行）存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个大小为一个字节的存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC），在任何时候，PC都指向主存中的某条机器语言指令。

从系统通电开始，处理器不断的执行程序计数器所指向的指令，在更新程序计数器，指向下一条指令。处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的，这个模型由指令集架构决定。

这些操作围绕着主存、寄存器文件和算数/逻辑单元（ALU）进行。

寄存器文件时一个小的存储设备，由一些单个字长的寄存器组成，每个寄存器有唯一的名字。

ALU计算新的数据和地址值。

加载：从主存复制一个字节或者一个字到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容
存储：从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容
操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖寄存器中原来的内容
跳转：从指令本身抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器（PC）中，以覆盖PC中原来的值

1.4.2 运行hello程序

初始时，shell程序执行他的指令，等待我们输入一个指令。将字符逐一读入寄存器，再把它放到内存中。

当结束命令输入时。shell执行一系列指令加载hello文件，这些指令将hello目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存，数据包括最终会输出的字符串“hello, world”

一旦目标文件hello中的代码和数据加载到主存，处理器开始执行hello程序的main程序中的机器语言指令。指令将“hello, world” 字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件复制到显示设备。

1.5 高速缓存只至关重要

hello程序的机器指令最初是放在磁盘上，当程序加载时，他们被复制到主存；当处理器运行程序时，指令又从主存复制到处理器。相似的，数据“hello，world” 开始时在磁盘中，然后被复制到主存，最后从主存中复制到显示设备。这些赋值就是开销，减慢了程序的工作。

根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行的慢，而快速设备的造价要远远高于同类的低速设备。然而，处理器从寄存器文件中读取文件的速度要比从主存中读取数据快100倍。更加麻烦的是，处理器与主存之间的差距还在主键增加，加快处理器运行速度比加快主存的运行速度要容易和便宜的多。

针对处理器和主存之间的差异，系统设计者发明了高速缓存存储器(cache memory)，作为暂时的集结区域，存放处理器近期可能需要的信息。

位于处理器芯片上的L1高速缓存的容量可以多达数万字节，访问速度几乎和寄存器文件一样快。

一个容量为数十万到数百万字节的更大的L2高速缓存通过一条特殊的总线连接到处理器，进程访问L2高速缓存的时间要比访问L1高速缓存的时间长5倍，但是仍然比访问主存的时间快5~10倍。

L1和L2 高速缓存使用一种叫做静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。

1.6 存储设备形成层次结构

1.7 操作系统管理硬件

操作系统有两个基本作用：

防止硬件被失控的应用程序滥用
向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。

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抽象。在一个系统上可以同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占的使用硬件。

然而并发运行，则是说在一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。

无论在单核还是多核系统中，一个CPU看上去都像是在并发的执行多个进程，这是通过处理器在进程间切换来实现的。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。

操作系统保持跟踪进程运行所需要的所有状态信息。这种状态，也就是上下文，包括许多信息，比如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。在任何一个时刻，单处理器系统都只能处理一个进程的代码。当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换。即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递给新进程。新进程就会从上次停止的地方开始。

从一个进程到另一个进程的转换是由操作系统内核管理的，内核是操作系统代码常驻内存的部分。

1.7.2 线程

尽管通常情况下我们认为一个进程只有单一的控制流，但是在现代系统中，一个进程实际上可以有多个称为线程的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。因为多线程之间比多进程之间更容易共享数据，也因为线程一般来说都比进程更高效，当有多处理器可用时，多线程也是一种使得程序可以运行的更快的方法。