这次回顾深入理解计算机系统第1章 ，这一章介绍了书籍主要内容。

电子书地址：

http://eol.bnuz.edu.cn/meol/common/script/preview/download_preview.jsp?fileid=2169600&resid=242120&lid=28605

参考资料：

https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E7%A8%8B/103101?fr=aladdin

备注：图片均来自于电子书。

第1章 计算机系统漫游

考虑hello.c程序：

#include <stdio.h>

int main()
{
	printf("hello, world\n"); 
	return 0; 
}

本章解释了当该程序被执行时，系统发生了什么，并以此串起了本书的内容。

信息

该程序由字符构成，计算机中利用ASCII码编码字符，实际上计算机中信息都是以二进制序列表示，但是同样的二进制序列，在不同的上下文中有不同的解释，例如相同的二进制序列可以被解释为整型数以及浮点数等等。

一些概念

  • 文本文件：只由ASCII字符构成构成的文件。
  • 二进制文件：所有其他文件。

翻译程序

利用编译器程序将文本程序转化为可执行程序：

> gcc -o hello hello.c

编译过程可以分为如下四个阶段：

  • 预处理：将头文件和宏替换，得到hello.i。（文本文件）
  • 编译：将hello.i翻译成汇编程序，得到hello.s。（文本文件）
  • 汇编：将hello.s翻译成机器语言指令，将其打包为可重定位目标程序，得到hello.o。（二进制文件）
  • 链接：将标准函数（例如printf）对应的.o文件和hello.o合并，得到可执行程序hello。（二进制文件）

程序如何运行

编译完成后，在shell程序中运行如下命令即可运行程序：

> ./hello
hello, world

为了解释这点是如何做到的，首先要看计算机的硬件组成：

主要分为以下几个模块：

  • 总线：电子管道，负责信息传递。
  • I/O设备：负责输入输出。
  • 主存：临时存储设备，存放程序相关的数据。
  • 处理器：执行机器指令的引擎。
    • 这里涉及到两个概念：
      • 指令集架构：描述每条机器代码指令的效果。
      • 微体系结构：描述处理器如何实现指令集架构。

现在不难解释hello程序如何运行：

  1. 从键盘上读取./hello。
  2. shell加载hello程序，数据（从磁盘）被读取到主存。
  3. 处理器运行机器指令，将”hello, world”打印在显示器上。

高速缓存

从之前的例子可以看出，运行程序需要信息移动，在数据量很大的情形下，这可能成为性能瓶颈。一般来说，较大的存储设备比较小的存储设备运行慢，并且越快速的设备价格越高，那么如何在存储和速度之间权衡呢？为了解决这点，提出了缓存的概念：即将近期可能会需要的信息存储在更快速的设备上。在多个存储器之间利用想法就可以形成层次结构：

操作系统

之前运行的shell程序和hello程序都没有直接和硬件打交道，夹在两者之间的就是操作系统：

操作系统提供了很多抽象：

一些概念

进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序抽象。

上下文

进程运行的所需所有信息状态。

并发

一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。

并发的实现是利用操作系统内核进行进程的上下文切换：

线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，一个进程由多个线程组成。

虚拟内存

虚拟内存是对主存的抽象，是一种内存管理技术，它使得每个进程都认为自己在独占使用主存。

文件

文件是字节序列，是对I/O设备的抽象，其向应用程序提供了一个统一的视角，来看待系统中可能含有的所有各式各样的I/O设备。

系统和网络

不同系统通过网络连接在一起，本书也会介绍网络应用程序。

补充内容

并发和并行

  • 并发：同时具有多个活动的系统。
  • 并行：利用并发使系统运行更快。

抽象

计算机系统提供了各种抽象：