ch 1： 程序的生命周期

• 1.2 把程序转化为 低级机器语言指令。然后把 指令 打包为 可执行目标程序 的格式打包， 并以二进制的磁盘文件的形式存放。目标程序也 称为可执行目标文件。

• 在Unix 系统上， 源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的: gcc 编译器驱动程序读取源程序文件 hello.c , 并把它翻译成一个可执行目标文件 hello. 这个翻译过程分为4 个阶段完成。编译系统：hello.c （文本）
  1 预处理器 ： cpp -> hello.i （文本）
  2 编译器 : ccl -> hello.s （文本）
  3 汇编器: as -> hello.o（二进制）
  4 链接器: ld -> hello （二进制 ， 可执行程序）

  • 预处理阶段： （cpp）更具以字符 # 开头的命令， 修改原始的C 程序。 入去内容，并直接把 内容 插入程序文本中。 得到 hello.i
  • 编译阶段： （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。翻译以后，低级机器语言指令以文本格式描述。汇编语言
  • 汇编阶段：（as）汇编器 将 hello.s 翻译成机器语言指令， 并把指令打包成一些种叫做 可重定位目标程序, 并将结果保存在文件 hello.o （二进制文件）中
  • 链接阶段 ： hello 程序调用了printf 函数， 她是每个C 编译器都提供的的标准C 库中的一个函数。 print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（Id）就负责处理这种合并。结果就得到 hello 文件， 他是一个 可执行目标文件， 可以被加载到内存中，由系统执行。

• 1.4 处理器读并解释存储在内存中的指令

  • after hello.c 源程序已经被编译系统翻译成了可执行目标文件 hello.o, 并被存放在磁盘上。 要想在 Unix 系统上运行该可执行文件， 我们将他的文件名输入到称为 shell 的应用程序中：

linux> ./hello
hello, world
linux>

shell 是一个命令行解释器，它输出一个提示符，等待输入一个命令行，然后执行这个命令。如果该命令行的第一个单词不是一个内置的 shell 命令， 那么shell 就会假设这是一个可执行文件的名字，它将加载并运行这个文件。 所以在此例中，shell 将加载并运行hello 程序， 然后等待程序终止。 hello 程序在屏幕上输出他的消息， 然后终止。 shell 随后输出一个提示符， 等待下一个输入的命令行。
1 总线：
2 I/O 设备：
3 主存：

• 3.1 主存是一个临时存储设备， 在处理执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说， 主存是由一组 动态随机存储器（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， 这些地址是从零 开始的。

4 处理器

• 4.1 中央处理单元（CPU）， 简称 处理器， 世界是存储在 主存中指令的引擎。CPU 在指令的要求下可能会执行以下操作

  • 加载 ：从主存 复制内容 到 寄存器， 以覆盖寄存器原来的内容
  • 存储 ： 从寄存器 复制内容 到主存的某个位置， 以覆盖这个位置上原来的内容
  • 操作：
  • 跳转：

• 1.4.2 运行hello 程序

  • 初始时， shell 程序执行它的指令，等待我们输入一个命令。 待我们输入指令后， shell 程序将字符逐一读入寄存器，再把它存放入内存中。当我们结束命令的输入后。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。 磁盘 -> 主存 -> 寄存器 ， 再从寄存器文件中复制到 显示设备。

• 高速缓存至关重要

  • hello 程序的机器指令最初是存放在磁盘上，当程序加载时，他们被复制到主存； 当处理器运行时，指令又从主存复制到处理器。多次复制减慢了程序的速度。

  • 高速缓存存储器（cache memory）, 加快了主存的运行速度。 cached memory 存放最近需要的信息。

  • 存储器层次结构 L0 - L6

    • L0: 寄存器
    • L1: SRAM
    • L2: SRAM
    • L3: SRAM
    • L4: 主存 （DRAM）
    • L5: 本地二级存储（本地磁盘）
    • L6: 远程二级存储 （分布式文件系统， web 服务器）

• 1.7 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 的一层软件。 所有引用程序对硬件的操作册灰姑娘是都必须通过操作系统。

  • 应用程序 （shell， hello） -> 软件
  • 操作系统 -> 软件
  • 处理器， 主存， I/O 设备 -> 硬件

• 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 硬件设备
  • 操作系统通过这几个基本的抽象概念 （进程， 虚拟内存 和 文件 ）来实现以上功能
    • 处理器 -> 进程
    • 主存 -> 虚拟内存
    • I/O 设备 -> 文件

• 1.7.1 进程

  • 进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。
  • 并发运行 ： 一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的， 操作系统实现这种交错执行机制 称为上下文切换。
  • 例子： 场景中有两个 并发的进程： shell 进程 和 hello 进程。 最开始只有 shell 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。 1. 操作系用保存 shell 进程的上下文，2. 创建一个新的 hello 进程及其上下文， 3. 然后将控制权转给新的 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shell， shell 进程会继续等待下一个命令行的输入。
  • 从一个进程到另一个进程的转换是由 操作系统内核（kernel）管理的。kernel 不是一个独立的进程。 相反， 它是系统管理全部进程所用代码 和 数据结构的集合。

• 1.7.2 线程

  • 一个进程可以运行多个线程， 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。 优点： 多线程比多进程之间更容易共享数据。

• 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， 即每个进程都在独占的使用主存。
    • 程序代码和数据 ： 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
    • 堆：从下向上扩展和收缩，当调用 malloc 和 free. 代码和数据区 紧随 其后的是运行时的堆。
    • 共享库 ： 用于 动态链接
    • 栈 ： 编译器用它来实现函数调用。 和堆一样，在程序执行期间 会动态的扩展和收缩。当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。
    • 内核虚拟内存：地址空间顶部的区域是为内核保留的。基本思想 是把一个进程虚拟内存的内容存储在磁盘上，然后用主内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 设备都可以看成文件。系统中所有输入输出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。

• 1.8 系统之间利用网络通信

  • 从一个单独的系统来看， 网络可视为一个 I/O 设备。当系统从主存复制一串 字节到网络适配器时， 数据流经过网络到达另一台机器。
  • 举例：
    • 1. 用户在键盘上 输入“hello”
    • 2.客户端向 talnet 服务器发送字符串 “hello” ；
    • 3. 服务器向shell 发送字符串“hello”， shell 运行hello 程序并将输出发送给 telnet 服务器。
    • 4. telnet 服务器向客户端 发送字符串 “hello world \n”
    • 5. 客户端在显示器上打印“ hello world \n” 字符串

• 小结