01計算機系統(tǒng)漫游

本書的主要作用：幫助我們了解當(dāng)我們在系統(tǒng)上執(zhí)行hello程序時，系統(tǒng)發(fā)生了什么以及為什么會這樣

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

信息是「位+上下文」

hello的生命周期從最初的源程序（源文件） 開始，是一個名為hello.c的文本文件

• 源程序?qū)嶋H上就是一個由值0和1組成的位（也稱為比特）序列

• 8個位被組織為一組，稱為字節(jié) ，每個字節(jié)表示程序中的某些文本字符

• 例如，ASCII標(biāo)準(zhǔn)使用一個唯一的單字節(jié)大小的整數(shù)值表示每個字符
  

hello.c以字節(jié)序列的方式存儲在文件當(dāng)中，每一個字節(jié)都具有一個整數(shù)值

• 例如，# 對應(yīng)的整數(shù)為35，即0010 0011

• 例如，i對應(yīng)的整數(shù)為105，即0110 1001

• 例如，\n對應(yīng)的整數(shù)為110，每一行結(jié)尾都具有一個以表示換行

• 例如，SP對應(yīng)的整數(shù)為32，有空格的地方就具有它

計算機系統(tǒng)中的所有信息，都是由一串比特表示的，并通過上下文進行區(qū)分

• 一個同樣的字節(jié)序列，可能表示一個整數(shù)、浮點數(shù)、字符串或者機器指令

• 數(shù)字的機器表示方式與實際的整數(shù)和實數(shù)不同，它們是對真值的有限近似

程序被其他程序翻譯成不同的格式

hello程序從C語言開始，是適合人類閱讀的方式，但最終要化為一系列低級機器語言指令，

• 這些指令按照一種稱為可執(zhí)行目標(biāo)程序的格式進行打包

• 打包完成以二進制磁盤文件的形式進行存儲，目標(biāo)程序也稱為可執(zhí)行目標(biāo)文件

• Unix系統(tǒng)上，整個過程的轉(zhuǎn)化由編譯器驅(qū)動程序完成

上述過程對應(yīng)的指令為

gcc -o hello hello.c

整個過程中，由GCC完成將源文件hello.c翻譯為可執(zhí)行文件hello

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翻譯的過程可以劃分為四個階段，對應(yīng)執(zhí)行的程序如下所示，四者構(gòu)成了編譯系統(tǒng)

• 預(yù)處理器（cpp）

  • 根據(jù)以字符#開頭的命令，修改原始程序

  • 例如根據(jù)#include <stdio.h>讀取系統(tǒng)頭文件stdio.h的內(nèi)容，并插入程序中

  • 最終的結(jié)果以.i作為文件擴展名

• 編譯器（ccl）

  • 編譯器將文本文件hello.i翻譯為文本文件hello.s，包含一個匯編語言程序

  • 該程序包含函數(shù)main的定義，其中的每條語句都以一種文本格式描述了一條低級機器語言指令

• 匯編器（as）

  • 將hello.s翻譯成機器語言指令，并打包成可重定位目標(biāo)程序 ，保存在hello.o

  • 該階段保存的文件是二進制文件，用本文編輯器打開是亂碼

• 鏈接器（ld）

  • hello程序調(diào)用了printf函數(shù)，是標(biāo)準(zhǔn)C庫中的函數(shù)，存在一個名為printf.o的單獨編譯完成的目標(biāo)文件當(dāng)中

  • 該文件需要合并到hello.o程序中，合并完成得到hello的可執(zhí)行目標(biāo)文件

  • 可執(zhí)行目標(biāo)文件可以被加載到內(nèi)存當(dāng)中，由系統(tǒng)執(zhí)行

處理器讀并解釋存儲在內(nèi)存中的指令

hello.c源程序被編譯系統(tǒng)翻譯為可執(zhí)行目標(biāo)文件hello，并存放在磁盤上。

如果是在Unix系統(tǒng)上想要運行這個程序，當(dāng)需要將文件名輸入到shell的應(yīng)用程序當(dāng)中

shell是一個命令行解釋器，輸出一個提示符，等待輸入一個命令行，然后執(zhí)行這個命令，執(zhí)行完畢之后繼續(xù)輸出一個提示符，等待下一個輸入的命令

系統(tǒng)的硬件組成

總線

總線是貫穿整個系統(tǒng)的一組電子管道，攜帶信息字節(jié)并在各個部件之間傳遞

總線被設(shè)計為傳送定長的字節(jié)塊，也就是字（word），64位系統(tǒng)為8個字節(jié)，32位系統(tǒng)為4個字節(jié)

I/O設(shè)備

系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)系通道

例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、磁盤等，通過控制器或適配器與I/O總線相連接。

控制器與適配器的差別在于封裝方式，功能都是在I/O設(shè)備和I/O總線之間傳遞信息

主存

臨時存儲設(shè)備，在處理器執(zhí)行程序的時候，用來存放程序和程序處理的數(shù)據(jù)

邏輯上即為一個線性的字節(jié)數(shù)組，每個字節(jié)都有其唯一的地址（數(shù)組索引），從零開始

處理器

解釋（執(zhí)行）存儲在主存中指令的引擎

核心是一個大小為一個字的寄存器，稱為程序計數(shù)器（PC），在任何時候都指向主存中的某條及其語言指令（即含有該指令的地址）

從系統(tǒng)上電開始，處理器一直在執(zhí)行PC所指向的指令，再更新PC，指向下一條指令

運行hello程序

shell 是什么？shell 是一個命令解釋程序，如果命令行的第一個單詞不是內(nèi)置的 shell 命令，shell 就會對這個文件進行加載并運行。此處，shell 加載并且運行 hello 程序，屏幕上顯示 “Hello World” 內(nèi)容，hello 程序運行結(jié)束并退出，shell 繼續(xù)等待下一個命令的輸入。

在 shell 中輸入./hello之后，會將其逐一讀入寄存器，處理器會將其再放到內(nèi)存當(dāng)中。當(dāng)按下回車之后，shell 程序就知道我們已經(jīng)完成了命令的輸入， 然后執(zhí)行一系列的指令來加載可執(zhí)行文件 hello

這些指令將 hello 目標(biāo)文件中的代碼和數(shù)據(jù)從磁盤復(fù)制到主存，數(shù)據(jù)就是我們要顯示輸出的”Hello World\n” ，這個復(fù)制的過程將利用 DMA（Direct Memory Access） 技術(shù)，數(shù)據(jù)可以不經(jīng)過處理器，從磁盤直接到達內(nèi)存。

當(dāng)可執(zhí)行文件 hello 中的代碼和數(shù)據(jù)都加載到主存之后，處理器就開始執(zhí)行 hello 程序的 main 程序中的機器語言指令，這些指令將需要顯示的字符串從主存復(fù)制到寄存器上，最終顯示在屏幕上

高速緩存至關(guān)重要

前面的三個步驟可以看到，系統(tǒng)進行了大量「復(fù)制」的操作，從一個地方移動到另一個地方，這些在程序設(shè)計角度來說都是開銷，要讓復(fù)制操作盡可能快完成

機械原理說明：

較大的存儲設(shè)備要比較小的存儲設(shè)備運行地慢

高速設(shè)備的制造成本要比低速設(shè)備要高

例如，處理器從磁盤上讀取一個字的時間可能比從主存中讀取的時間要大1000萬倍。同樣寄存器和主存之間的差距也非常大，處理器從寄存器中讀取文件速度也比主存要快100倍

• 處理器與主存之間的差距在持續(xù)增大

• 加快處理器運行速度比加快主存運行速度要容易和便宜

為了處理處理器與主存之間的差異，引入了高速緩存存儲器，存放處理器近期可能會需要的信息，作為暫時的集結(jié)區(qū)域

通過讓高速緩存里存放可能經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，大部分的內(nèi)存操作都能在高速緩存當(dāng)中完成

存儲設(shè)備形成層次結(jié)構(gòu)

在處理器和一個較大較慢的設(shè)備（例如主存）之前插入一個更小更快的存儲設(shè)備（高速緩存）成為一個普遍的概念

每個計算機系統(tǒng)中的存儲設(shè)備都被組織成一個存儲器層次結(jié)構(gòu)

存儲器層次結(jié)構(gòu)的主要思想：上一層的存儲器作為低一層存儲器的高速緩存

操作系統(tǒng)管理硬件

在使用 shell 程序和 hello 程序時候，程序都不是直接訪問鍵盤、顯示器、磁盤或者主存

操作系統(tǒng)是應(yīng)用程序和硬件之間的一層軟件，完成兩個基本功能

防止硬件被失控的應(yīng)用程序濫用

向應(yīng)用程序提供簡單一致的機制來控制復(fù)雜而又通常大不相同的低級硬件設(shè)備

操作系統(tǒng)的抽象

文件是對I/O設(shè)備的抽象

虛擬內(nèi)存是對主存和磁盤I/O設(shè)備的抽象

進程是對處理器、主存和I/O設(shè)備的抽象

進程

進程是操作系統(tǒng)對一個正在運行的程序的一種抽象，在一個系統(tǒng)上可以同時運行多個進程，每個進程都好像是在獨立地使用硬件。

并發(fā)運行，是指一個進程的指令和另一個進程的指令是交錯執(zhí)行的。

一個CPU并發(fā)執(zhí)行多個進程，實際上是通過在處理在進程間切換來實現(xiàn)的，實現(xiàn)這種交錯執(zhí)行的機制為上下文切換

線程

一個進程可以由多個線程組成，每個線程都運行在進程的上下文中，共享同樣的代碼和全局?jǐn)?shù)據(jù)。多線程比多進程之間更容易共享數(shù)據(jù)。

虛擬內(nèi)存

為每個進程提供了一個假象，級每個進程都在獨占地使用主存。每個進程看到的內(nèi)存都是一致的，稱為虛擬地址空間。例如 Linux 虛擬地址空間

• 程序代碼和數(shù)據(jù)

• 堆

  運行時動態(tài)地擴展和收縮（調(diào)用malloc和free這樣的C標(biāo)準(zhǔn)庫）

• 共享庫

  存放C標(biāo)準(zhǔn)庫和數(shù)學(xué)庫等共享庫

• 棧

  編譯器用它來實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用，可以動態(tài)擴展和收縮，每調(diào)用一個函數(shù)，棧就會增長，每返回一個函數(shù)，棧就會收縮

• 內(nèi)核虛擬內(nèi)存

  為內(nèi)核保留，不允許程序讀寫或調(diào)用內(nèi)核代碼定義的函數(shù)，必須調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行

文件

文件就是字節(jié)序列。每個I/O設(shè)備、磁盤、鍵盤、顯示器、網(wǎng)絡(luò)，都可以看成文件

系統(tǒng)的輸入輸出都是調(diào)用稱為 Unix I/O 的系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用讀寫文件來實現(xiàn)的

文件為應(yīng)用程序提供了一個統(tǒng)一的視圖，來看待系統(tǒng)中可能含有的各式各樣的I/O設(shè)備

系統(tǒng)之間的利用網(wǎng)絡(luò)通信

從一個單獨的系統(tǒng)來看，網(wǎng)絡(luò)可以視為一個I/O設(shè)備

當(dāng)系統(tǒng)從主存復(fù)制一串字節(jié)到網(wǎng)絡(luò)適配器時，數(shù)據(jù)流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)到達另一臺機器；同樣的，系統(tǒng)可以讀取從其他機器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并復(fù)制到自己的主存

重要主題

系統(tǒng)不僅僅是硬件，系統(tǒng)是硬件和系統(tǒng)軟件互相交織的集合體

Amdahl定律

當(dāng)對系統(tǒng)的某個部分加速時，其對系統(tǒng)整體性能的影響取決于該部分的重要性和加速程度

α：系統(tǒng)某部分執(zhí)行時間與整體執(zhí)行時間的比值

k：該部分性能提升的比例

$$T_{\text{new?}}=(1?\alpha )T_{\text{old?}}+\left(\alpha T_{\text{old?}}\right)/k=T_{\text{old?}}[(1?\alpha )+\alpha /k]$$

$$S=\frac{T_{old}}{T_{new}}=\frac{1}{(1?\alpha )+\alpha /k}$$

結(jié)論：想要顯著加速整個系統(tǒng)，必須提升全系統(tǒng)中相當(dāng)大的部分的速度

并發(fā)和并行

并發(fā)：同時具有多個活動的系統(tǒng)

并行：用并發(fā)來使系統(tǒng)運行地更快

線程級并發(fā)

計算機的并發(fā)是模擬出來的，通過在多個進程之間快速切換實現(xiàn)

可以通過單處理器系統(tǒng) ，也可以通過多處理器系統(tǒng) （多核或超線程）實現(xiàn)

指令集并行

一個處理器可以同時執(zhí)行多條指令，例如流水線

單指令、多數(shù)據(jù)并行

允許一條指令產(chǎn)生多個可以并行的操作

計算機系統(tǒng)中抽象的重要性

所謂抽象，就是類似將一個函數(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行包裝后形成API對外開放，使得對內(nèi)部無需了解即可使用

總結(jié)

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