CSAPP -- Chapter 1

C语言 hello world 程序

#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello, world!\n");
    return 0;
}

hello程序的生命周期是从一个源程序（源文件）开始的，即程序员通过编辑器创建并保存的文本文件，文件名为hello.c
源程序实际上就是一个由0和1组成的位（bit）序列，8个位被组织成一组，称为字节，每个字节表示程序中的某些字符

图1.2说明了一个基本思想，系统中所有的信息，都是由一串比特表示的，区分不同数据的唯一方法是我们读到这些数据对象时的上下文。

hello程序的生命周期是从一个高级C语言程序开始的，因为这种形式能被人读懂，然而，为了在系统上运行hello.c程序，每条C语句都必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令，然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来，目标程序也称为可执行目标文件。

在Uinx系统上，从源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的：

1. 预处理阶段：预处理器根据字符#开头的命令，修改原始程序，通常以.i作为文件扩展名
2. 编译阶段： 编译器将hello.i文件翻译成hello.s，它包含一个汇编语言程序，汇编语言是非常有用的，因为它为不同高级语言的不同编译器提供了通用的输出语言。
3. 汇编阶段：汇编器将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。hello.o是一个二进制文件。
4. 链接阶段：链接器处理hello程序和printf存在的预编译好的目标文件中，将二者合并得到hello文件，它是一个可执行目标文件，可以被加载到内在中，由系统执行。

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. 避免安全漏洞

总线

贯穿整个系统的一组电子管道，称为总线，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，字中的字节数是一个基本的系统参数，有的系统字长是4个字节（32位），有的是8个字节（64）位。

I/O 设备

I/O（输入输出）设备是系统与外部世界的联系通道。

主存

即内存，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（数组索引），这些地址是从零开始的。

处理器

中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释存储在主存中指令的引擎，** 处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备（寄存器），称为程序计数器，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）。**

运行hello程序

1. 初始时，shell程序执行它的指令，等待我们输入一个命令
2. 在键盘上输入字符串后，shell程序将字符逐一读入寄存器，再把它放到内存中。
3. 当我们在键盘上敲回车键时，shell程序就知道我们已经结束了命令输入，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。
4. 一旦目标文件hello中的代码和数据被加载到主存中，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。

hello程序的机器指令最初是存放在磁盘上，当程序加载时，它们被复制到主存，当处理器开始运行程序时，指令又从主存复制到处理器。

高速缓存

寄存器文件只存储几百字节的信息，而主存里可存放几十亿字节，然而，处理器从寄存器文件中读取数据比从主存中读取几乎要快100倍。为了解决这种矛盾，采用了高速缓存存储器。通过让高速缓存里存放可能经常访问的数据，大部分的内存操作都能在快速的高速缓存中完成。

意识到高速缓存存储器存在的应用程序员能够利用高速缓存将程序的性能提高一个数量级。

操作系统管理硬件

我们可以把操作系统看成是应用程序和硬件之间插入的一层软件
操作系统有两上基本功能：

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

操作系统通过几个抽象概念来实现这两个功能

文件是对I/O设备的抽象，虚拟内在是对主存和磁盘I/O设备的抽象，进程则是对处理器，主存和I/O设备的抽象表示 ？？？

进程

进程是操作系统对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，而每个进程都好像独占地使用硬件。而并发运行，则是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。

无论在单核还是多核系统中，一个CPU看上去都像是在并发地执行多个进程，这是通过处理器在进程间切换来实现的，操作系统实现这种交错执行的机制叫做上下文切换。

操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息，这种状态，就是上下文。

在任何时刻，单核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程序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，然后将控制权交给新进程，新进程就从它上次停止的地方开始。

线程

过往我们认为一个进程只有单一的控制流，但是在现代系统中，一个进程实际上可以由多个称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。

虚拟内存

虚拟内存是一个抽象概念，它为每一个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占的使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。

文件

文件就是字节序列，仅此而已，每个I/O设备，都可以看成是文件 ???

Amdahl定律

当我们对系统的某个部分进行加速时，其对系统整体性能的影响取决于该部分的重要性和加速程序（此小节不详述）

并发

指一个同时具有多个活动的系统；并行指的是用并发来使一个系统运行得更快

线程级并发

构建在进程这个抽象之上，使用线程，我们可以在一个进程上执行多个控制流。

多核处理器就是将多个CPU集成到一个集成电路芯片上。
多线程/超线程：是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。

指令级并发：

现代处理器可以同时执行多条指令的属性称为指令级并发

单指令，多数据并行

在最低层次上，许多现代处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个可并行执行的操作。

抽象

文件是对I/O设备的抽象
虚拟内在是对主存和磁盘I/O设备的抽象
进程则是对处理器，主存和I/O设备的抽象
虚拟机提供对整个计算机的抽象