读书笔记_深入理解计算机系统_第一章

通过跟踪hello程序的生命周期来开始对系统的学习——从被程序员创建开始，到在系统上运行，输出简单的消息，然后终止。

1.1 信息就是位+上下文

系统中所有的信息——包括磁盘文件、内存中的程序、内存中存放的用户数据以及网络上传的数据，都是有一串比特表示的。区分不同的数据对象的唯一方法是我们读到这些数据对象时的上下文。

1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式

hello程序的生命周期：源程序>>低级机器语言指令>>可执行目标程序（可执行目标文件）

在GCC编译器驱动程序程序读取源程序文件hello.h，并将它翻译成为可执行目标文件hello。其过程可以分为四个阶段的程序完成：预处理、编译器、汇编器和链接器（四个一起构成编译系统）。

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预处理阶段。预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序。如hello.c的第一行的#include<stdio.h>命令告诉预处理器读取系统头文件stdio.h的内容，并把它直接插入程序文本之中。结果得到另一个C程序，常常是以.i作为文件拓展名。
编译阶段。编译器（ccl）将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含一个汇编语言程序。
汇编阶段。汇编器（as）将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成为一种叫做可重复定位目标程序（relocatable object program）的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。hello.o文件是一个二进制文件，它包含的17个字节是函数main的指令编码。如果用文本编辑器打开hello.o文件，将看到一堆乱码。
链接阶段。hello程序调用了printf函数，它是每个C编译器都提供的标准C库中的一个函数。printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中。链接器（ld）就负责处理这种合并。结果得到hello文件，它是一个可执行目标文件（简称：可执行文件），可以被加载到内存中，有系统执行。

1.4 处理器读并解释储存在内存中的指令

1.4.1 系统的硬件组成

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1、总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称做总线，它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（word）。

2、I/O设备

输入/ 输出（I/O）设备是系统与外部世界的联系通道。我们的示例系统包括4 个I/O 设备：作为用户输入的键盘和鼠标，作为用户输出的显示器，以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单地说就是磁盘）。最初，可执行程序hello 就存放在磁盘上。

每个I/O 设备都通过一个控制器或适配器与I/O 总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于它们的封装方式。控制器是置于I/O 设备本身的或者系统的主印制电路板（通常称为主板）上的芯片组，而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。无论如何，它们的功能都是在I/O 总线和I/O 设备之间传递信息。

3、主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，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）芯片组成的。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（即数组索引），这些地址是从零开始的。一般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。与C 程序变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的。

4、处理器

*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字长的存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC）。在任何时刻，PC 都指向主存中的某条机器语言指令（即含有该条指令的地址）。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。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，这个模型是由指令集架构决定的。在这个模型中，指令按照严格的顺序执行，而执行一条指令包含执行一系列的步骤。处理器从程序计数器（PC）指向的存储器处读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的简单操作，然后更新PC，使其指向下一条指令，而这条指令并不一定与存储器中刚刚执行的指令相邻。

这样的简单操作并不多，而且操作是围绕着主存、寄存器文件（register file）和算术/ 逻辑单元（ALU）进行的。寄存器文件是一个小的存储设备，由一些1 字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。ALU 计算新的数据和地址值。

1.4.2 运行hello程序

要想在UNIX系统上运行hello可执行文件，需要将它的文件名输入到称为shell的应用程序中。shell是一个命令行解释器，其输出一个提示符，等待输入一个命令行，然后执行这个命令。因此，在本例子中，shell将加载并运行hello程序，然后等待程序终止。hello程序在屏幕上输出它的信息，然后终止。

shell程序运行hello程序的大致步骤：

从键盘上读取hello命令 -->> 从磁盘加载可执行文件到主存 -->> 将输出字符串从存储器写到显示器

从键盘上读取hello命令

shell程序执行它的命令，等待我们输入一个命令。当我们在键盘上输入字符串“./hello”后，shell程序将字符逐一读入寄存器，再把它存放在内存中。

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从磁盘加载可执行文件到主存

当我们在键盘上敲击回车键时，shell程序就知道我们已经结束了命令的输入。然后shell执行一系列指令来加载可执行的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。数据包括最终会被输出的字符串“hello，world\n”。

利用直接存储器存取技术（DMA），数据可以不通过处理器而直接从磁盘到达主存。

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将输出字符串从存储器写到显示器

一旦目标文件hello中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行hello程序的main程序中的机器语言指令。这些指令将“hello，world\n”字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。

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1.5 高速缓存

高速缓存存储器（cache memory，简称cache 或高速缓存），作为暂时的结集区域，存放处理器近期可能需要的信息。

图为一个典型系统中的高速缓存存储器：

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三级高速缓存：L1、L2、L3是使用一种静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。

1.6 存储设备层次结构

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每个计算机系统中的存储设备都被组织成了一个存储器层次结构。在整个结构层次中，从上到下，设备的访问速度越来越慢，容量越来越大，并且每个字节的造价也越来越便宜。

存储器层次结构的主要思想是上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。

1.7操作系统管理硬件

操作系统而已看作是应用程序和硬件之间插入的一层软件。所有应用程序对硬件的操作都必须通过操作系统。

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操作系统有两个基本功能：（1）防止硬件被失控的应用程序滥用；（2）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。

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操作系统通过“进程”、“虚拟内存”和“文件”来实现上述两个功能。

文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟内存是对主存和磁盘I/O设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和I/O设备的抽象表示。

1.7.1 进程

进程是操作系统第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地使用硬件。
并发运行是指一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。在大多数系统中，需要运行的进程数是多余可以运行它们的CPU个数的。
上下文切换指的是操作系统实现处理器在进程间切换这种交错执行的机制。
上下文指的是操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息的状态，其包括PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容等诸多信息。

当任何一个时刻，单处理器系统都只能执行一个进程的代码。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，然后将控制权传递到新进程，新进程就会从它上次停止的地方开始。

示例场景中有两个并发的进程：

shell进程和hello 进程。起初，只有外壳进程在运行，即等待命令行上的输入。当我们让它运行hello 程序时，shell通过调用一个专门的函数，即系统调用，来执行我们的请求，系统调用会将控制权传递给操作系统。操作系统保存shell进程的上下文，创建一个新的hello 进程及其上下文，然后将控制权传递给新的hello 进程。hello 进程终止后，操作系统恢复shell 进程的上下文，并将控制权传回给它，shell 进程将继续等待下一个命令行输入。

进程的上下文切换基本理念：

从一个进程到另一个的转换是由操作系统内核（kernel）管理的。内核是操作系统代码常驻主存的部分。当应用程序需要操作系统的某些操作时，如读写文件，它就执行一条特殊的系统调用（system call）指令，将控制权传递给内核。然后内核执行被请求的操作并返回应用程序。如图1-12。注意：内核不是一个独立的进程，反而是系统管理全部进程所以代码和数据结构的集合。

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1.7.2 线程

进程并非只有单一的控制流，在现代操作系统中，一个进程实际上可以由多个成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。

1.7.3 虚拟内存

虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独自地使用主存。
每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟内存地址空间。

图1-13位Linux进程的虚拟内存地址空间。在Linux中，地址空间最上面的区域是保留给操作系统中的代码和数据的，地址空间的底部区域存放用户进程定义的代码和数据。图中的地址是从下往上增大的。

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• 程序代码和数据 对于所有的进程来说，代码是从同一固定地址开始，紧接着的是和C 全局变量相对应的数据位置。代码和数据区是直接按照可执行目标文件的内容初始化的，在示例中就是可执行文件hello。

• 堆 代码和数据区后紧随着的是运行时堆。代码和数据区是在进程一开始运行时就被规定了大小，与此不同，当调用如malloc 和free 这样的 C 标准库函数时，堆可以在运行时动态地扩展和收缩。

• 共享库 大约在地址空间的中间部分是一块用来存放像C 标准库和数学库这样共享库的代码和数据的区域。共享库的概念非常强大，也相当难懂。第7 章介绍动态链接时，我们将学习共享库是如何工作的。

• 栈 位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。特别是每次我们调用一个函数时，栈就会增长；从一个函数返回时，栈就会收缩。

• 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。地址空间顶部的区域是为内核保留的，不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数。虚拟存储器的运作需要硬件和操作系统软件之间精密复杂的交互，包括对处理器生成的每个地址的硬件翻译。其基本思想是把一个进程虚拟存储器的内容存储在磁盘上，然后用主存作为磁盘的高速缓存。

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、显示器，甚至网络，都可以看作是文件。系统中所有的输入输出设备都是通过使用一小组称为Unix I/O的系统函数调用读写文件来实现的。

文件向应用程序提供了一个统一的视图，来看待系统中可能含有的所有各式各样的I/O设备。

1.8 系统之间利用网络通信

系统并非是一个孤立的硬件和软件的集合体。

实际上，现代系统经常通过网络和其他系统连接到一起。从一个单独的系统来看，网络可视为一个I/O 设备，如图1-14 所示。当系统从主存将一串字节复制到网络适配器时，数据流经过网络到达另一台机器，而不是其他地方，例如本地磁盘驱动器。相似地，系统可以读取从其他机器发送来的数据，并把数据复制到自己的主存。

随着Internet这样的全球网络的出现，从一台主机复制信息到另外一台主机已经成为计算机系统最重要的用途之一。例如，电子邮件、即时通信、万维网、FTP 和telnet 这样的应用都是基于网络复制信息的功能。

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在hello示例中，可以使用Telnet应用在一个远程主机上运行hello程序。

假设用本地主机上的Telnet客户端连接远程主机上的Telnet服务器。在我们登录到远程主机并运行shell后，远端的shell就在等待接受输入命令。此后在远端运行hello程序的步骤如图1-15所示的五个基本步骤：

当我们在telnet 客户端键入“hello”字符串并敲下回车键后，客户端软件就会将这个字符串发送到telnet 的服务器。telnet 服务器从网络上接收到这个字符串后，会把它传递给远端外壳程序。接下来，远端外壳运行hello 程序，并将输出行返回给telnet 服务器。最后，telnet 服务器通过网络把输出串转发给telnet 客户端，客户端就将输出串输出到我们的本地终端上。

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