深入理解计算机系统_导论

1 学习本书的目的

计算机系统由硬件和系统软件组成。本书是推荐给哪些希望深入了解这些组件如何工作，以及这些组件是如何影响程序正确性和性能，以此来提高自身技能的读者。学完本书，你将知道：

• 如何避免由计算机表示数字的方式引起的奇怪的数字错误(第二章：信息的表示和处理)
• 学会一些小窍门来优化自己的C代码，以充分利用现代处理器和存储器系统的设计
• 你将了解编译器是如何实现过程调用的
• 如何利用这些知识来避免缓冲区溢出错误带来的安全漏洞
• 将学会如何识别和避免链接时那些令人讨厌的错误(第七章：链接)
• 学会如何编写自己的Unix shell、自己的动态存储分配包、自己的web服务器
• 并发带来的希望和陷阱

2. 信息就是位+上下文

hello程序的生命周期是从一个源程序开始的，源程序实际上由值0和1``组成的位序列，8`位为一个字节。在现代计算机系统中，大部分都使用ASCII码来表示文本字符：

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

像上面的hello.c程序就是以字节序列方式存储在文件的，每个字节都有一个整数值，对应于某些字符，如#对应35；像hello.c这样只由ASCII字符构成的文件为文本文件，其他文件则称为二进制文件

系统中的所有信息:磁盘文件、内存中的程序都由一串比特表示，区分不同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，比如在不同上下文，一个同样字节序可能表示一整数、浮点数、字符串等。

3. 程序被其他程序翻译成不同格式

hello程序的生命周期是从一个源程序开始的，是因为这样才能被人读懂；然而计算机世界里，只有01，因此每条C语句都必须被其他程序转化为低级机器语言指令，然后这些指令按照一种可执行目标程序打包，以二进制磁盘文件形式存放(可执行文件)。

在Unix中，从源程序到可执行文件由编译驱动程序完成:

gcc -o hello hello.c

• 预处理阶段：在这个阶段预处理器(cpp)根据字符#开头命令进行头文件展开、宏替换和除去注释等工作，修改原始的C程序。如#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中

• 编译阶段：编译器(ccl)将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s。

• 汇编阶段：汇编器将hello.s翻译成机器语言指令，并把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序，并保存在目标文件hello.o

• 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库的一个函数，这个函数存在于一个名为printf.o的单独编译好的目标文件中，而这个文件必须合并到我们的hello.o程序中。链接就是负责这种合并。
  • 你可能会问为什么不在预处理的时候就以#include导入展开？这是因为性能优化的问题，一个文件从预处理到编译再到汇编会消耗一定的时间资源，如果有现成已经预编译好的目标文件，使用它而不是#include将会节约这些不必要的时间

理解链接时出现的错误。根据经验，一些令人困扰的程序往往都与链接器有关，如无法解析一个引用。 避免安全漏洞，缓冲区溢出错误常发生在大多数网络和Internet服务器上。

4. 系统的硬件组成

为例理解程序的运行过程，我们必须知道一些典型系统的硬件知识：

• 总线：贯穿整个系统的一组电子管道，称为总线，它携带信息并负责在各个部件间传递

• I/O设备：I/O设备时系统与外部世界的联系通道，主要有磁盘、鼠标、键盘和显示器

• 主存：一个零时存储设备，在处理执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据

• 处理器：CPU，是执行存储在主存指令的引擎。处理器核心是一个大小为一个子的存储设备即寄存器，称为程序计数器PC,在任何时候，PC都指向主存中某条机器语言指令地址。处理器从程序计数器指向的内存读取指令，解释指令的位，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。
  • CPU的操作围绕主存、寄存器文件和算术/逻辑单元（ALU)进行
    • 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，以覆盖原来的内容
    • 操作：从两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字做算术处理，并将结果存放到一个寄存器中
    • 跳转：从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器PC中，以覆盖PC原来的值

5. 高速缓存

上面的系统硬件组成中我们明白，系统会花费大量的时间把信息从一个地方搬到另一个地方，就比如hello可执行程序：

• 首先我们要在shell兼容./hello,此时通过USB控制器经过总线到达CPU、从CPU再到主存
• 此时主存并没有hello文件的映射，就会去磁盘找并映射加载

• 加载到主存后，处理器开始执行hello程序的机器语言程序，这些指令将hello, world\n字符串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 较大的存储设备比较小的存储设备运行得慢，而快速设备得造价远高于同类的低速设备。因此高速缓冲处理器是一个比主存更小更快的存储设备，它存放近期处理器可能需要的信息。

• 位于处理器的L1高速缓存的容量达到数万字节，访问速度和访问寄存器一样快

• L2高速缓存容量达数十万到百万字节，其通过一条特殊总线连接带处理器，虽然比L1慢5倍，但比主存快5~10倍 因此合理利用高速缓存存储器和存在能够提高程序的性能。（第六章）