7 深入理解计算机系统

0 漫游

跟踪hello程序的生命周期：源程序；运行在系统上；输出简单消息；终止。

# include 
int main()
{
    printf("hello, world!\n");
}

1） 信息：位+上下文

计算机系统的所有信息：包括磁盘文件、存储器的程序、存储器的用户数据，以及网络上的传输数据，都是由一串比特（0、1组成的位，8个一组称为字节）表示的，读取这些数据的上下文是区别它们的唯一方法。
作为程序员，必须了解数字的机器表示方式，它们与常见的整数、实数不同。

2）程序被翻译成不同的格式

编译器驱动程序：
gcc -o hello hello.c
源程序，文本；可执行目标程序，低级机器语言指令，二进制磁盘文件。

3）了解编译系统

• 优化程序性能；函数调用的代价、指针引用、数组索引。
• 理解链接时出现的错误；全局变量、静态库、动态库。
• 避免安全漏洞；堆栈规则、缓冲区溢出错误。

4）高速缓存

系统花费了大量时间把信息从一个地方挪到另一个地方。程序加载，从磁盘拷到主存；处理器运行程序，从主存拷到处理器。
系统设计者的主要目标就是使这些拷贝操作尽可能快。加快处理器的运行速度比加快主存的处理速度容易和便宜的多。
高速缓存存储器 cache memories：更小更快，用作暂时的集结区域，存放处理器即将可能会用到的信息。
通过理解高速缓存的机理，如何利用这些知识极大地提高程序的性能？

5）操作系统

• 防止硬件被失控的应用程序滥用；
• 为应用程序提供简单一致的方法，来控制复杂而又广泛不同的低级硬件设备。

文件：对I/O设备的抽象；就是字节序列，通过Unix I/O的一小组系统函数调用读写文件来实现。
虚拟存储器：对主存、I/O设备的抽象；程序代码、堆、共享库、栈、内核虚拟存储器。
进程：对处理器、主存、I/O设备的抽象；在一个系统上同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件，称为“并发运行”；不同进程的指令是交错执行的，这种机制称为“上下文切换”；在任何时刻，正在运行的进程只有一个，操作系统保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文、将控制权转移到新进程。
线程：在现代系统中，进程由多个称为“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；多线程比多进程之间更容易共享数据，一般都比进程更高效。

6）网络系统

可视为单独系统的又一个I/O设备：系统从主存拷贝一串字符到网络适配器，数据流经过网络到达另一台机器；相似地，系统读取从其他机器发送来的数据，并拷贝到自己的主存。
利用客户端和服务器之间的交互，构造网络应用程序，并创建一个简单的web服务器。

1 程序执行和结构

1）信息的表示和运算

编写机器级程序，常见任务是在十进制、二进制、十六进制表示之间手工转换。
不同的数据类型，分配字节数：char 1/short int 2/int,float 4/double 8；
不同的机器而言，long int和char*都使用机器的全字长：32位 4/64位 8。
计算机科学：布尔代数（since 1850）

无符号和二进制补码、有符号和无符号数之间的转换、无符号加法和乘法、浮点运算

2）程序的机器表示

2 在系统上运行程序

3 程序间的交互和通信