《深入理解计算机系统》学习笔记1 - 第一章

1.简介

《深入理解计算机系统》一书是深入理解 计算机&程序 的一本很好的入门书籍，能够帮助我们对程序有更整体的把握。其目的是“更好地编程”，其内容是“了解底层”。

本文是学习这本书的第一篇笔记，对应了书本的第一章。通过本文，我们将宏观地了解计算机&程序，很多概念点到即止，目的是有一个整体概念，后续章节再逐渐填充细节。

本文首先简要介绍计算机硬件设备结构，接着介绍程序 从源代码 到 运行过程 的大概流程（涉及 编译流程 & 进程概念）

2.计算机硬件架构

2.1 通用的计算机结构

冯诺依曼 结构

图片来自百度

2.2 典型的硬件组成

典型的计算机硬件组成：总线、I/O设备、主存、处理器

图片来自于书本

3.程序的“一生”

源码->可执行文件->运行->运行结束

3.1 数据 & 文件类型

• 程序源码：文本文件
• 可执行程序：二进制文件

由此也可以看出文件分为：文本文件 & 二进制文件

3.2 从 源代码文件 到 可执行程序

预处理->编译->汇编->链接

• 预处理
  处理源代码：宏替换等
• 编译
  源代码转汇编码
• 汇编
  汇编码转机器码
• 链接
  链接 静态库、动态库

3.3 程序 & 硬件的交互

潦草地描述：

• I设备 输入指令 -> 启动程序 程序
• 由 磁盘 加载到 主存储器
• I设备 输入指令 -> 程序开始执行某些功能
• 主存的数据加载到 寄存器，可能需要 逻辑运算单元 的运算 并将结果存到 主存
• 由 主存 传递到 O设备，给使用者反馈

详见书本图1-5~1-7

从上手过程可以看出：程序的核心活动在于 CPU & 主存，通过I/O设备与使用者交互。整个程序执行过程中有大量数据移动的操作，这都涉及存储设备，下面介绍存储设备的层级。

3.4 存储设备的层级

• 从之前的 硬件组成图中可以看出，存储设备由“内”而“外”是：寄存器（CPU中）->主存->磁盘->网络（可以将网络看作本地计算机的外部存储设备）。显然他们的速度由快到慢，存储的空间由小到大。

• 为了加速数据的搬移，通过“高速缓存”这个概念，我们预先存储近期会用到的主存中的数据到“高速缓存”中，达到减少数据搬移时间的目的。

• 有很多硬件设备 为 寄存器 提供了 高速缓存，这个“高速” 是相对主存而言的。

• 广义地讲，将数据存储器由快到慢排好层级，那么相邻的层级，快的存储器就是慢的存储器的“高速缓存”。
  
  图片来自于书本

4.计算机系统抽象

计算机是 硬件设备 + 软件 组成，而底层软件是 操作系统，它是勾连 用户软件 与 计算机硬件 的桥梁。

4.1 计算机系统抽象总览

图片来自于书本

4.2 各个抽象概念

4.2.1 文件

所有I/O设备

4.2.2 虚拟内存

主存有限，使用磁盘作为主存的高速缓存——虚拟内存 对应的设备是 主存+部分磁盘，从实现上采用了虚拟地址。
内存的虚拟地址如图：

图片来自于书本

4.2.3 进程 & 线程

正如之前3.3介绍 程序 & 硬件的交互 所示，运行中的程序 涉及 CPU、主存、I/O设备，它被抽象为：进程。

4.2.3.1 进程

• 进程是运行中的程序
• 多个进程是“并发”的——看起来像同时进行的一样，实际上由操作系统控制“上下文切换”，交错地执行不同进程的指令（单核处理器）
• 一个进程中可以有多个线程，它们共享进程的数据

4.2.3.2 线程

• 实际的“执行者”

4.2.4 虚拟机

对整个计算机的抽象

5.“逃离孤岛”——计算机网络

本章仅介绍两个观点：

• 计算机网络的存在 使我们的设备不再是“孤岛”。
• 从抽象角度看，网络也是 I/O设备 - 是文件。