?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和系統(tǒng)軟件組成的。

系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)在變，但系統(tǒng)內(nèi)在的概念沒(méi)有變。

所有的系統(tǒng)都有相似的硬件，相似的軟件組件，它們執(zhí)行著相似的功能。

這些組件是如何工作的？這些組件是如何影響程序的正確性和性能的？本書(shū)予以解答。

K&R的hello程序要完成運(yùn)行，系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都需要協(xié)調(diào)工作。本書(shū)就是告訴你在系統(tǒng)上運(yùn)行hello程序時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生了什么以及為什么會(huì)這樣。

1.1 信息就是位+上下文

圖1-2真的是hello.c的ASCII碼表示，除了可見(jiàn)的字符外，不可見(jiàn)的是sp和\n，從第一個(gè)到最后一個(gè)完整的表示出來(lái)。這就是文本文件。

“\n”是在每一行的結(jié)尾處，或者說(shuō)有“\n"才有一行的結(jié)束，其表現(xiàn)就是光標(biāo)到了下一行，另起一行。

這里說(shuō)ASCII字符構(gòu)成的文件稱為文本文件，所有其他文件都是二進(jìn)制文件，我想有點(diǎn)不對(duì)，應(yīng)該是所有由編碼字符構(gòu)成了文件是文本文件，其他是二進(jìn)制文件。編碼字符不止ASCII，還有UTF-8等等，ASCII不可以表示中文。

系統(tǒng)的所有信息都是一串位，區(qū)分這些位表示什么信息的方法，唯一方法，是讀到這些位時(shí)候的上下文。

這個(gè)上下文既然是從位的角度講的，那么至少也是在匯編語(yǔ)言級(jí)別去解釋，比如mov，是movb還是movw，這種就應(yīng)該算是上下文，更底層的機(jī)器語(yǔ)言就看不懂了。c語(yǔ)言也不是，c的表達(dá)方式就已經(jīng)在文本級(jí)別了，與位其實(shí)有一定的差距了。（這句話的理解也不知道對(duì)不對(duì)，暫且不管）

c語(yǔ)言是系統(tǒng)級(jí)編程的首選，同時(shí)也非常適用于應(yīng)用級(jí)程序的編寫(xiě)。c++和java是應(yīng)用級(jí)程序的新的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

1.2 程序被其他程序翻譯成不同的格式

可執(zhí)行目標(biāo)文件是二進(jìn)制文件，是按照一種格式打包起來(lái)的，這個(gè)格式稱為可執(zhí)行目標(biāo)程序，打包的對(duì)象是從每條c語(yǔ)句轉(zhuǎn)化出來(lái)的低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言指令。

編譯器驅(qū)動(dòng)程序完成從源文件到可執(zhí)行目標(biāo)文件的轉(zhuǎn)化。這里有驅(qū)動(dòng)兩個(gè)字。

轉(zhuǎn)化的過(guò)程有4個(gè)階段，分別用到預(yù)處理器，編譯器，匯編器，鏈接器。

• 預(yù)處理器處理的是以字符#開(kāi)頭的命令，也就是說(shuō)#開(kāi)頭的就是預(yù)處理命令，會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理器處理。
• 編譯器為不同的高級(jí)語(yǔ)言的不同的編譯器提供了通用的輸出語(yǔ)言—匯編語(yǔ)言。
• 匯編器也會(huì)打包，按照可重定位目標(biāo)程序的格式來(lái)打包。二進(jìn)制文件的字節(jié)編碼是機(jī)器語(yǔ)言指令而不是字符。
• 鏈接器，每個(gè)程序不可避免的會(huì)使用到一些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的函數(shù)什么的，每個(gè)編譯器都包含了c的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，存放在可重定位目標(biāo)程序格式打包的文件中（我認(rèn)為），將這個(gè)文件和匯編器產(chǎn)生的文件合并，就是鏈接器的作用。然后，結(jié)果是得到了可執(zhí)行目標(biāo)文件，打包格式為可執(zhí)行目標(biāo)程序。

1.3 了解編譯系統(tǒng)如何工作是大有益處的

優(yōu)化程序性能-我們確實(shí)需要了解一些機(jī)器代碼以及編譯器將不同的c語(yǔ)句轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼的方式。

兩種機(jī)器語(yǔ)言：IA32和X86-64,3章學(xué)習(xí)這個(gè)，機(jī)器語(yǔ)言，說(shuō)的是機(jī)器語(yǔ)言還是匯編，應(yīng)該是一樣的，匯編和機(jī)器是一一對(duì)應(yīng)的。所以就是機(jī)器語(yǔ)言。

3章學(xué)習(xí)這兩個(gè)語(yǔ)言，5章學(xué)習(xí)如何優(yōu)化程序性能，6章學(xué)習(xí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)

3章還將學(xué)習(xí)堆棧原理和緩沖區(qū)溢出錯(cuò)誤，這是大多數(shù)安全漏洞的主要原因。

1.4 處理器讀并解釋存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令

shell是一個(gè)命令行解釋器。

所有系統(tǒng)都有的相同外觀和特性：總線，字長(zhǎng)是一個(gè)基本的系統(tǒng)參數(shù)，4字長(zhǎng)就是32位。I/O設(shè)備，每個(gè)I/O設(shè)備都通過(guò)一個(gè)控制器或者適配器與I/O總線相連；控制器是芯片組，或在主板上或在I/O設(shè)備本身上；適配器是插在主板插槽上的卡。

處理器的核心是程序存儲(chǔ)器（PC），是一個(gè)字長(zhǎng)的存儲(chǔ)設(shè)備，或者說(shuō)寄存器。PC中始終存著某條指令的地址。這說(shuō)明一個(gè)事情：地址是一個(gè)字長(zhǎng)的。（至少表面上看是這樣的）。

寄存器文件是由一些1字長(zhǎng)的寄存器組成的。ALU計(jì)算新的數(shù)據(jù)和地址。

CPU執(zhí)行：

• 加載——把一個(gè)字節(jié)或者一個(gè)字從主存復(fù)制到寄存器。
• 存儲(chǔ)——把一個(gè)字節(jié)或者一個(gè)字從寄存器復(fù)制到主存。
• 操作——兩個(gè)寄存器的內(nèi)容復(fù)制給ALU，ALU算術(shù)運(yùn)算，并將結(jié)果存放到一個(gè)寄存器中
• 跳轉(zhuǎn)——從指令本身中抽取一個(gè)字，并復(fù)制到PC中。

3章介紹指令集結(jié)構(gòu)（每條指令的效果），4章介紹微體系結(jié)構(gòu)（處理器的實(shí)現(xiàn)）。

1.5 高速緩存至關(guān)重要

意識(shí)到高速緩存存在的應(yīng)用程序員可以利用高速緩存將他們程序的性能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。6章將介紹。

1.6 存儲(chǔ)設(shè)備形成層次結(jié)構(gòu)

每個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)設(shè)備都被組織成了一個(gè)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)。

1.7 操作系統(tǒng)管理硬件

操作系統(tǒng)有兩個(gè)基本功能：1防止硬件被失控的應(yīng)用程序?yàn)E用，2應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)單一致的機(jī)制來(lái)控制復(fù)雜而又通常大相徑庭的低級(jí)硬件設(shè)備。

操作系統(tǒng)通過(guò)幾個(gè)基本的抽象概念來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能：進(jìn)程，虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，文件。文件抽象I/O設(shè)備，虛擬存儲(chǔ)器抽象文件和主存，進(jìn)程抽象虛擬存儲(chǔ)器和處理器。

系統(tǒng)上只有一個(gè)程序的假象，是通過(guò)進(jìn)程的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

進(jìn)程是操作系統(tǒng)對(duì)正在運(yùn)行的程序的一種抽象。操作系統(tǒng)進(jìn)行的抽象。

一個(gè)cpu看上去像是在并發(fā)的執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程，這時(shí)通過(guò)處理器在進(jìn)程間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種交錯(cuò)執(zhí)行的機(jī)制是上下文切換。

上下文是操作系統(tǒng)保持跟蹤進(jìn)程運(yùn)行所需的所有狀態(tài)信息。包括：PC和寄存器文件的當(dāng)前值，主存的內(nèi)容。

單處理器系統(tǒng)在任何時(shí)候都只能執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程的代碼。

shell是一個(gè)進(jìn)程，hello是一個(gè)進(jìn)程。8章介紹進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)。

每個(gè)線程都運(yùn)行在進(jìn)程的上下文中，并共享同樣的代碼和全局變量。12章學(xué)習(xí)寫(xiě)線程化的程序。

虛擬存儲(chǔ)器為進(jìn)程提供了一個(gè)假象，即每個(gè)進(jìn)程都在獨(dú)占地使用主存。

每個(gè)進(jìn)程看到的是一致的存儲(chǔ)器，稱為虛擬地址空間。一致的，就是說(shuō)一樣的。

在linux中，每個(gè)進(jìn)程看到的虛擬地址空間由大量準(zhǔn)確定義的區(qū)組成。空間從底部向上地址不斷增加。

• 對(duì)于所有的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，代碼是從同意固定地址開(kāi)始，就是程序的代碼（這里應(yīng)該是編譯后的機(jī)器代碼了）從確定的位置開(kāi)始。也就是虛擬地址空間的底部都具有相同的地址，從這個(gè)地址開(kāi)始首先存放的是代碼，然后是c全局變量。這兩者是按照可執(zhí)行目標(biāo)文件的內(nèi)容初始化的。7章會(huì)學(xué)到更多有關(guān)地址空間的內(nèi)容。
• 在代碼和數(shù)據(jù)后是堆，運(yùn)行時(shí)堆，代碼和數(shù)據(jù)區(qū)在進(jìn)程開(kāi)始的時(shí)候就規(guī)定了大小，這是正常的，因?yàn)榇a和全局變量是不會(huì)變化的。堆會(huì)動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展和收縮，c中使用malloc和free這兩標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)就會(huì)有這種效果。9章更詳細(xì)的研究堆。
• 大約在地址空間的中間部分是一塊用來(lái)存放像C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和數(shù)學(xué)庫(kù)這樣共享庫(kù)的代碼和數(shù)據(jù)的區(qū)域。也是代碼和數(shù)據(jù)的區(qū)域。7章將學(xué)習(xí)共享庫(kù)是如何工作的。
• 位于用戶虛擬地址空間頂部的是用戶棧，編譯器用它來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用。也會(huì)收縮和擴(kuò)展，調(diào)用一個(gè)函數(shù)時(shí)就增長(zhǎng)，從一個(gè)函數(shù)返回時(shí)就收縮。這里的棧是在頂部，用戶虛擬地址空間的頂部，上面還有內(nèi)核虛擬存儲(chǔ)器，這個(gè)不管，在用戶虛擬地址空間的頂部說(shuō)明棧是向下增長(zhǎng)的，而堆緊靠著代碼和數(shù)據(jù)區(qū)說(shuō)明堆是向上增長(zhǎng)的，兩者中間是共享庫(kù)區(qū)，好理解。3章學(xué)習(xí)編譯器是如何使用棧的。
• 內(nèi)核總是駐留在內(nèi)存中的，是操作系統(tǒng)的一部分，地址空間頂部的區(qū)域（不是用戶虛擬地址空間，而是虛擬地址空間）是為內(nèi)核保留的，不允許應(yīng)用程序讀寫(xiě)這個(gè)區(qū)域的內(nèi)容或者直接調(diào)用內(nèi)核代碼定義的函數(shù)。應(yīng)用程序只能使用操作系統(tǒng)提供的統(tǒng)一的接口吧，這些接口既然不在內(nèi)核中（因?yàn)椴荒苁褂脙?nèi)核代碼），所以應(yīng)該在共享庫(kù)中。

9章將詳細(xì)解釋虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)如何工作。

文件就是字節(jié)序列，僅次而已。I/O設(shè)備可以視為文件。

系統(tǒng)中所有輸入和輸出都是通過(guò)使用一小組稱為Unix I/O的系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用讀寫(xiě)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這里有個(gè)概念，I/O就是輸入和輸出，I/O設(shè)備就是可以輸入和輸出的設(shè)備。而文件可以讀和寫(xiě)，讀和寫(xiě)又可以看作是輸出和輸入。所以，I/O設(shè)備與文件具有核心的共性。所以可以抽象。10章介紹Unix I/O。

1.8 系統(tǒng)之間利用網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)可以視為一個(gè)I/O設(shè)備，適配器就是網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)卡，有線的或者無(wú)線的），而網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)I/O設(shè)備。11章講學(xué)到如何構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，并利用這些知識(shí)創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的web服務(wù)器。

1.9 重要主題

系統(tǒng)是硬件和軟件相互交織的集合體。系統(tǒng)又是硬件和應(yīng)用程序之間的一層軟件。系統(tǒng)可以有很多名字。

在此再次強(qiáng)調(diào)幾個(gè)貫穿計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有方面的重要概念：

并發(fā)（concurrency）指同時(shí)具有多個(gè)活動(dòng)的系統(tǒng)。并行指用并發(fā)使系統(tǒng)更快。并行可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)抽象層次上運(yùn)用。從高到低的三個(gè)層次：

線程級(jí)并發(fā)：單處理器系統(tǒng)--只有一個(gè)處理器的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)也是可并發(fā)的，因?yàn)楸热绫?的單核系統(tǒng)就可以變聽(tīng)歌邊上網(wǎng)。但這種并發(fā)是模擬出來(lái)的，是的，這就是模擬出來(lái)了，是單處理器在不同進(jìn)程之間不斷切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種就叫模擬出來(lái)的并發(fā)。

多處理器系統(tǒng)分兩種：多處理器和超線程。

• 多處理器是一個(gè)集成電路芯片上有多個(gè)核（cpu），一個(gè)核完整的應(yīng)該是計(jì)算單元，寄存器文件，L1高速緩存（L2高速緩存）；這稱為一個(gè)核，一個(gè)cpu。
• 超線程是指一個(gè)核執(zhí)行多個(gè)控制流的技術(shù)，事實(shí)上，一個(gè)進(jìn)程中多個(gè)控制流就指多個(gè)線程。這個(gè)時(shí)候的核可以只有一個(gè)計(jì)算單元，但是寄存器文件和L1高速緩存可能就有多組，由于內(nèi)存中共用虛擬地址空間（一個(gè)進(jìn)程嗎）所以幾組寄存器和L1高速緩存就可以有幾組線程。常規(guī)的處理器需要大約20000個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)做不同線程間的切換，而這種超線程技術(shù)的處理器之用一個(gè)周期。

這種多處理器系統(tǒng)才可以說(shuō)是真的做到了并發(fā)吧。

指令級(jí)并行；這個(gè)微機(jī)原理中其實(shí)講的比較清楚，就是取指令和處理指令其實(shí)是分開(kāi)的，多條指令的不同步驟可以同時(shí)的進(jìn)行，這個(gè)就是指令級(jí)并行，4章研究流水線的使用，5章介紹超標(biāo)量處理器的高級(jí)模型。

單指令/多數(shù)據(jù)并行：一條指令可以產(chǎn)生多個(gè)可以并行執(zhí)行的操作。上面的是多個(gè)指令并行的執(zhí)行，這個(gè)是一個(gè)指令的不同部分并行的執(zhí)行。SIMD并行。

最高級(jí)別是線程級(jí)并發(fā)，其實(shí)多核就是進(jìn)程級(jí)的并發(fā)了，超線程是線程級(jí)的并發(fā)。再往上，就沒(méi)有了。進(jìn)程已經(jīng)到頂了。

抽象是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為重要的概念之一。

指令集結(jié)構(gòu)是對(duì)實(shí)際硬件的抽象，表示的是執(zhí)行模型。兩個(gè)處理器的執(zhí)行模型一樣不代表實(shí)際硬件的實(shí)現(xiàn)方式一樣，雖然由于執(zhí)行模型相同，也就是指令集相同，所有可以執(zhí)行相同的機(jī)器語(yǔ)言代碼，但是卻有不同的開(kāi)銷(xiāo)和性能。

1.10 小結(jié)

（OVER）

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/rayhill/archive/2012/04/15/2450641.html

總結(jié)

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