计算机系统漫游

计算机系统漫游读书笔记

本章通过一个helloworld源程序从编译到执行的的流程来说明系统的运行机制。

• 信息就是位+上下文
• 程序被其他程序翻译成不同的格式
• 了解编译系统如何工作是大有益处的
• 处理器读并解释存储在存储器中的指令
• 高速缓存至关重要
• 存储设备形成层次结构
• 操作系统管理硬件
• 系统之间利用网络通信
• 重要主题
• 小结

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1.1 信息就是位+上下文

• 系统中所有的信息都 是由一连串的位（01） 表示，这些位所代表的意义由上下文决定。

我是如何记忆的：一千个读者(上下文)就有一千个哈姆雷特（位）

我是如何拓展的：同样的符号在不同场景中代表的意义不同, 如+可表示为数字上的加，也可表示为字符串连接。

1.2 程序被其他程序翻译成不同格式

• 以人类能看懂的源代码形式存在的程序并不能让机器执行，需要经过一系列的“翻译”过程，这个过程就叫编译。
• 编译的过程进一步分解为：
  
  1. 预处理:　处理头文件，从头文件中提取需要的内容
  2. 编译：将源码翻译成汇编代码
  3. 汇编：将汇编代码翻译成对应的机器码
  4. 链接：将用到的库函数通过一定的方法提取到上一步生成的文件中

我如何记忆: 想象成流水线加工
铁矿清洗(预处理)-> 融化成铁汁(编译)->变成零件(汇编)->组装成汽车(链接)

我如何扩展: 看病流程
预约->看病/出处方->处方处理，打针还是吃药->药店拿药/去打针

1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的

1. 优化程序性能
2. 理解链接时出现的错误
3. 避免安全问题

记忆与拓展：知道汽车的原理可更好地使用车子、知道汽车抛锚时问题所在、避免出事故。

1.4 处理器读并解释存储在存储器中的指令

以上图为例 ，硬件是怎么执行./hello的：
1. 输入命令 ./hello: USB控制器->I/O桥->寄存器->内存
记忆： 收到开会通知->去会议室的通道->到达会议室
2. 加载文件(DMA): 磁盘->I/O桥->内存
记忆: 从抽屉拿出相关资料->带到会议室
3. 运行并输出: 内存->CPU->显示器
记忆： 在会议室取出准备的资料->组织语言->汇报

1.5 高速缓存至关重要

• 高速设备跟低速设备之间设立一个小容量缓存，利用局部性原理，把最近访问到的内容放进去。

我如何记忆: 经常用到的东西放在容易拿到的地方
拓展: 从网络上传来的数据会先放到高速缓冲区中, 内核再从中取出处理，而并不是一直等待。

1.6 存储设备形成层次结构

- 将一层上的存储器作为低一层的高级缓存
记忆： 权力金字塔 超高的人类越少权力越大

1.7 操作系统管理硬件

• 进程 正在运行的程序的抽象
  记忆： 做饭的一系列流程（洗菜、切菜、炒菜….）
  拓展： 写博客时突然肚子饿了，先保存文稿，去吃完东西再回来继续。

• 线程 轻量级的进程，进程包含多个线程，线程共享进程内的资源
  记忆： 做饭的时候可能有多个人一起合作，有人负责洗菜，有人负责切菜，他们共享厨具。

• 虚拟存储器 对内存和硬盘的抽象(简化)
  虚存使得进程看到的地址空间是一致的。
  地址空间布局
  

记忆: 公司内部有办公区、休息区、会议室……

• 文件: I/O设备的抽象。 文件本质上就是字节序列，仅此而已。
  记忆: 打小人?

1.8 系统之间利用网络通信

• 将1.4节中USB输入和显示器输出变成网络通信。

1.9 重要主题

• 并发 通用概念，指同时存在多个活动的系统

• 并行 用并发使系统运行得更快

• 线程级并发
  多核： 仅共享L3， 其实的每个核独有(ALU、L1、L2、寄存器…..)
  记忆: 请多个人来干活

超线程：CPU某些硬件有多个备份(PC、寄存器)
记忆: 替补球员不能闲着，也要做事, 比如呐喊….

• 指令级并行: 同时执行多秫指令
  超标量: 比一个时钟周期一条指令还快的执行速度
  记忆: 超人可以同时干多个人才能干的活

• 单指令、多数据并行(SIMD): 通过特殊的硬件来允许一条指令产生多个并行操作的方式。