CSAPP学习心得（一）程序在计算机系统的漫游之旅

程序的执行过程

信息的存储

从最简单的程序hello world开始，当完成代码的编写后，这个程序就以字节序列的方式存储起来，每一个符号空格换行都由对应的数字唯一代表并且称之为ASCII码。同理，所有的资源信息都是使用这种字节或者更小的单位比特来存储，但是面临的问题是，如何识别这些比特时信息、资源还是程序呢？计算机采用的方法时识别上下文（context concatenate-text）的信息，区分比特表示的对象。

程序的翻译

程序完成后，就需要完成从人可以理解到机器可以理解的过程，因此完成程序hello.c后，使用编译器驱动程序将程序转化为可以执行的二进制文件，过程为

1、预编译
以C语言为例，将需要导入的头文件内容合并到程序文本中，形成hello.i
2、编译
将修改后的文件转化为汇编语言（一种机器语言指令），得到hello.s
3、汇编
将得到的转化为汇编文本的程序打包为可重定位目标程序（relocatable object program）,得到hello.o
4、链接
将程序中所调用的库函数的预编译的文件合并到我们的程序中，因此我们可以顺利调用这些函数,最终得到可执行文件

处理器读取程序

完成程序的翻译之后，就要运行程序，在linux中我们使用shell，一种命令行解释器，等待用户输入命令，然后执行这个命令，在图形化的界面则可能是鼠标的点击和选择，操作系统将之转化为命令输入到命令行中。

操作系统完成的具体操作

在shell加载运行程序中，都由操作系统去访问I/O设备，操作系统看成时程序和硬件之间的一层软件，操作系统作为一个软件，防止硬件被失控软件滥用，其次提供简单一致的接口控制硬件，方便程序调用。
操作系统主要使用进程、虚拟内存和文件这些抽象概念来实行功能。文件是对所有I/O设备的抽象概括，虚拟内存是对内存和硬盘I/O设备的抽象，进程是对处理器、内存和I/O设备的抽象。
进程：操作系统对一个正在运行的程序的抽象，一个系统可以运行多个进程，每个进程又彷佛独占地运行，当前的处理器都是并发运行，一个进程和另一个进程的指令交错执行，就像你在看视频的同时看网页，你可以两件事情同时进行，但对处理器来说一个时间点就执行一个进程的命令，也就是视频播放或者网页，处理器能这么做就是因为他的运行频率很高，达到几GHz，因此可以在多个任务中来回切换，但人类却感受不到这种切换。但每一次切换都需要保存现场的环境即上下文（context concatenate-text），再进行切换，不然如何返回呢？返回时就在保存的环境中上一次停止的位置开始。
线程：每一个进程可以由多个称为线程的执行单元组成，每一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，举例就是所谓的多线程，一些功能比较费时间，如需要下载资料才可以执行，但是我们可以通过多线程，开一个线程完成下载，原线程继续执行，这样就不需要等待下载完成后再开始。
虚拟内存：为每一个进程提供一个独占内存的假象，逻辑上，每个进程都看到一个虚拟的地址空间，都是由0开始，由大量精确定义的区构成，如程序代码和数据、堆、共享库、栈、内核虚拟内存等，但是物理上他们并不是用的同一片空间，而是分隔开不同的空间

文件：就是字节序列，就是将所有设备都当作文件处理，进一步的进行相关的操作。

程序运行的过程

当命令行开始输入以后，shell执行命令，将命令传入到CPU中的寄存器，再存入到内存中，当我们结束输入，shell就开始执行指令加载可执行文件，将可执行文件的代码和数据复制到内存，处理器执行其中的main的机器语言指令，将要输出的字符串从内存再复制到寄存器文件，再从寄存器复制到显示设备

总线：可以比喻为告诉字节的高速公路，所有的信息的传输都通过总线传输到不同的模块（出口）
I/O设备：告诉公路的一个出口，主要面向用户，如鼠标、键盘、显示器和硬盘
主存（内存）：临时的存储设备，主要用来放置程序和需要的数据，逻辑上来说是一个线性数组，每个数组由唯一的地址作为索引
CPU：中央处理单元，执行指令的引擎，核心是程序计数器（大小为一字的寄存器）用于指向处理器要执行的命令，其次还包括算术逻辑单元（ALU）

优化

高速缓存

从上面的运行过程看，可以看到大量的时间浪费在信息的搬运上，根据一些机械原理，大的存储设备运行得漫，高速得设备造价高，因此在处理器和内存之间，增加几层得存储器，称为高速缓存存储器（cache memory）作为暂时存储得区域，大小介于寄存器和内存之间，存储一些常用的命令，使得不需要全部命令重新从内存中读取，其次根据研究，只有20%的命令和数据较为常用，因此这样的设计提高了运行速度。

Amdahl定律

主要思想：当我们对系统的某个部分加速时，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度。若系统执行某应用时间为Told，假设系统某部分时间所需执行时间占总时间的比例为α，而该部分性能提升为k，则新执行时间为

可以得到计算比为

并发运行

主要是为了快，并发（concurrency）是一个通用概念，是一个同时具有多个活动的系统，并行（parallelism）是用并发来使一个系统运行得更快

• 进程并发
  主要通过一台计算机在它正在执行的进程间快速切换实现的。现代主要由多核多线程实现
• 线程并发
  一个CPU执行多个控制流的技术，在一个时间周期中执行一个线程
• 指令级并行
  处理器可以同时执行多条指令，使用的是流水线的方式，将执行指令分割为不同的步骤，每个阶段执行一个步骤，阶段可以并行的操作，处理不同指令的不同部分。

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