第一章 计算机系统漫游
计算机系统是由硬件和软件组成的，它们共同工作来运行应用程序。虽然系统的具体实现方式随着时间不断变化，但是系统的内在的概念却没有改变。所有计算机系统都有相似的硬件和软件组件，它们又执行着相似的功能。一些程序员希望深入了解这些组件是如何工作的以及这些组件是如何影响程序的正确性和性能的，以此来提高自身的技能。本书便是为了这些读者而写的。
现在就要开始一次有趣的漫游历程了。如果你全力投身学习本书的概念，完全理解计算机系统以及它对应用程序的影响，那么你会步上成为为数不多的“大牛”的道路。
你将会学习一些实践技巧，比如如何避免由计算机表示数字的方式引起奇怪的数字错误。你将会怎样通过一些小窍门来优化自己的C代码，以充分利用现代处理器和存储器系统的设计。你将了解编译器是如何实现过程调用的，以及如何利用这些知识来避免缓冲区溢出错误带来的安全漏洞，这些弱点给网络的因特网软件带来了巨大的麻烦。你将学会如何识别和避免链接时那些令人讨厌的错误，它们困扰着普通的程序员。你将学会如何编写自己的Unix shell、自己的动态存储分配包，甚至于自己的Web服务器。你会认识并发带来的希望和陷阱，这个主题随着单个 芯片上集成了多个处理器核变得越来越重要。
在Kernighan和Ritchie的关于C编程语言的经典教材中，他们通过图中所示的hello程序来向读者介绍C。尽管hello程序非常简，但是为了让它实现运行，系统的每个主要组成部分都需要协调工作。从某种意义上来说，本书的目的就是为了要帮助你了解当你的系统上执行hello程序时，系统发生了什么以及为什么会这样。
#include<stdio.h>
int main()
{
printf("hello,world\n");
return 0;
}1.1 信息就是位+上下文
源程序是由值0和1组成的位，8个位组成一组，成为字节。每个字节表示程序中的某写文本字符。
一个基本思想：系统中所有的信息——包括磁盘文件、内存中的程序、内存中存放的用户的数据以及网络上传送的数据，都是由一串比特表示的。区分不同数据对象的唯一方法是我们读到这些数据对象时的上下文。
1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式
hello程序的生命周期是从一个高级c语言程序开始的，因为这种形式能够被人读懂。然而，为了在系统上运行hello.c程序，每条c语句都必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令。然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好包，并且以二进制磁盘文件的形式存放起来。目标程序也成为可执行目标文件。
在unix系统上，从源文件到目标文件的转化是又编译器驱动程序完成的：
GCC编译器驱动程序分为四个阶段：（预处理器、编译器、汇编器、链接器），一起构成了编译系统。
- 预处理阶段
预处理器（cpp）是根据以字符#开头的命令，修改原始的c程序。 - 编译阶段
编译器（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。 - 汇编阶段
汇编器（as）讲hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o文件中。hello文件是一个二进制文件，它包含的17个字节是函数main的指令编码。如果我们在文本编译器总打开hello.o文件讲看到一堆乱码 - 链接阶段
hello程序调用了printf函数，它是每个c编译器都提供的标准c库中的一个函数。链接器就是负责处理这种合并。结果得到一个可执行文件。
1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的
编译系统如何工作的了解原因
- 优化程序性能
- 理解链接时出现的错误
- 避免安全漏洞
1.4处理器读并解释存储在内存中的指令
1.4.1系统的硬件组成
- 总线
贯穿整个系统的一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块。字中的字节数（字长）是一个基本的系统参数。现在的机器要么是4个字节（32位），要么是8个字节（64位）。 - I/O设备
I/O输入输出设备是系统与外部世界的通道。每个I/O设备都通过一个控制器或者适配器与I/O总线相连。控制器和适配器之间的区别主要在于他们的封装方式。
控制器是I/O设备本身或者系统的主印制线路板（主板）上的芯片组。
而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。无论如何，它们的功能都是在I/O总线和I/O设备之间传递信息。 - 主存
主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时候，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取存储器（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（数组索引），这些地址是从0开始的。 处理器
中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释（或执行）存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备（或寄存器），成为程序计数器（PC）。在任何时候，PC都指向主存中的某条机器语言指令。
从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新陈邓旭计数器，使其执行下一条指令。处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的，这个模型是由指令集架构决定的。
在这个模型中，指令按照严格的顺序执行，而执行一条指令包括执行一系列的步骤。处理器从 程序计数器指向的内存处读取指令，解释指令中的位，执行该指令指示的简单操作，然后更新PC，使其指向下一条指令，而这条指令并不一定和在内存中刚刚执行的指令相邻。
这样的简单操作并不多，它们围绕着主存、寄存器文件和算术/逻辑单元进行。寄存器文件是一个小的存储设备，由一些单个字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。下列是一些简单操作的例子，CPU在指令的要求下可能会执行这些操作：- 加载：从主存复制一个字节或者一个字到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容。 - 存储：从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容。 - 操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字做算术运算，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖该寄存器中原来的内容。 - 跳转：从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器（PC）中，以覆盖（PC)中原来的值。处理器看上去是它的指令集架构的简单实现，但是实际上现代处理器使用了非常复杂的机制来加速程序的运行。因此，我们将处理器的指令集架构和处理器的微体系结构区分开来：指令集架构描述的是每条机器代码指令的效果；而微体系结构描述的是处理器实际上是如何实现的。
1.4.2运行hello程序
初始时，shell程序执行它的指令，等待我们输出一个命令。当我们在键盘上输入字符串“./hello”后，shell程序将字符逐一读入寄存器，再把它放入到内存中。
当我们在键盘上敲回车键时，shell程序就知道我们已经结束了命令的输入。然后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。数据包括最终会被输出的字符串“hello，word\n”。
利用直接存储器存取（DMA）技术没数据可以不通过处理器而直接从磁盘到主存。
一旦目标文件hello中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行hello程序的main程序中的机器语言指令。这些指令讲“hello，word\n”字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件复制到显示设备，最终显示在屏幕上。
1.5 高速缓存至关重要
重要结论之一：意识到高速缓存存储器存在的应用程序员能够利用告诉缓存将程序的性能提高一个数量级。
1.6存储设备形成的层次结构
在处理器和一个较大较慢的设备（主存）之间插入一个更小更快的存储设备（高速缓存）的想法已经成为一个普遍的观念。
实际上，每个计算机系统中的存储设备都被组织成了一个存储器层次结构。
存储器层次结构的主要思想是上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。因此，寄存器文件就是L1的高速缓存，L1是L2的高速缓存，L2是L3的高速缓存，L3是主内存的高速缓存，而主存又是磁盘的高速缓存。在某些具有分布式文件系统的网络系统中，本地磁盘就是存储在其他系统中磁盘上的数据的高速缓存。
正如可以运用不同的高速缓存的知识来提高程序性能一样，程序员同样可以利用对整个存储器层次结构的理解来提高程序性能。
1.7操作系统管理硬件
操作系统有两个基本功能
- 防止硬件被失控的应用程序滥用；
- 向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。操作系统通过几个抽象概念（进程、虚拟内存和文件）来实现这两个功能。
文件是对I/O设备的抽象表示
虚拟内存是对主存和磁盘I/O设备的抽象表示
进程则是对处理器、主存和I/O设备的抽象表示
进程
进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，在一个系统上可以同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件。而并发运行，则是说一个进程的指令和另一个进程的指令时交错执行的。在大多数系统中，需要运行的进程数是多于可以运行它们的cpu个数的。传统系统在一个时刻只能执行一个程序，而先进的多核处理器同时能够执行多个程序。无论是在多核还是单核系统中，一个cpu看上去都是在并发执行多个进程，这是通过处理器在进程之间来回切换来实现的。操作系统实现这种交错机制成为上下文切换。
操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息。这种状态就是上下文，包括许多信息，包括pc和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。在任何一个时刻，单处理器系统都只执行一个进程的代码。当操作系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权传递到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。
实现进程这个抽象概念需要低级硬件和操作系统软件之间的紧密合作。
线程
在现代系统中，一个进程实际上可以由多个成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。由于网络服务器中对并行处理的需求，线程成为越来越重要的编程模型。因为多线程之间比多进程之间更容易共享数据，也因为线程一般来说都比进程更高效，当有多个处理器可用的时候，多线程也是一种使得程序可以运行得更快的方法。
虚拟内存
虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供一个假象，即每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，成为虚拟地址空间。
每个进程看到的虚拟地址空间由大量准确定义的区域成，每个区都有专门的功能。
- 程序代码和数据。对所有进程来说，代码是从同一固定地址开始，紧接着的是和c全局变量相对应的数据位置。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。代码和数据区后紧随着的是运行时堆。代码和数据区在进程一开始运行时就被指定了大小。
- 共享库。大约在地址空间的中间部分是一块用来存放像c标准库和数学库这样的共享库的代码和数据的区域，共享库的概念非常强大，也相当难懂。
- 栈。位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。特别的，每次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。不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数，相反，它们必须调用内核来执行这些操作。
文件
文件就是字节序列。
文件这个简单而精致的概念是非常强大的，因为它向应用程序提供了一个统一的视图，来看待系统中可能含有的各种各样的I/O设备。
1.8系统之间利用网络通信
现代系统经常通过网络和其他系统连接到一起。
随着internet这样的全球网络出现，从一台主机复制信息到另外一台主机已经成为计算机系统最重要的途径之一。
1.9重要主题
1.9.1 Amdahl定律
Gene Amdahl，计算机领域最早的先锋之一，对提升系统某一部分性能所带来的效果做出了简单却有见地的观察，称为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。
若系统执行某应用程序需要时间为T1，假设系统某部分所需执行时间与该时间的比例为a，而该部分性能提升比例为k，即该部分初始所需时间为aT1，现在所需时间为aT1/k。因此，总的执行时间为
T2=（1-a）T1+aT1/k=T1[(1-a)+a/k]
加速比S=T1/T2=1/（1-a）+a/k
总结：想要显著加速整个系统，必须提升全系统中相当大的部分的速度。
1.9.2并发和并行
并发：指一个同时具有多个活动的系统。
并行：指用并发来使一个系统运行得更快。
并行可以在计算机系统的多个抽象层次上运用。我们按照系统层次结构中由高到低顺序重点强调三个层次。
线程级并发
构建在进程这个抽象之上，我们能够设计出同时具有多个程序执行的系统，这就导致了并发。使用线程，我们甚至能够在一个进程中执行多个控制流。指令级并行
在较低的抽象层次上，现代处理器可以同时执行多条指令的属性称为指令级并行。如果处理器可以达到比一个周期更快的执行效率，就称之为超标量处理器。大多数现代处理器都支持超标量操作。单指令、多数据并行
在最低层次上，许多现代处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个可以并行执行的操作，这种方式成为单指令、多数据并行。
1.9.3计算机系统中抽象的重要性
抽象的使用是计算机科学中最为重要的概念之一。
在学习操作系统时，我们介绍了三个抽象：文件是对I/O设备的抽象，虚拟内存是对程序存储器的抽象，而进程是对一个正在运行的程序的抽象。
我们再增加一个抽象：虚拟机。
它提供对整个计算机的抽象。包括操作系统，处理器和程序。
1.10 小结
计算机系统是由硬件和系统软件组成的，它们共同协作以运行应用程序。计算机内部的信息被表示为一组组的位，它们依据上下文有不同的解释方式。程序被其他程序翻译成不同的形式，开始时是ASCII文本，然后被编译器和链接器翻译成二进制可执行文件。
处理器读取并解释存在主存里的二进制指令。因为计算机花费了大量的时间在内存、I/O设备和CPU寄存器之间复制数据,所以将系统中的存储设备划分层次结构——CPU寄存器在顶部，接着是多层硬件的告诉缓存存储器，DRAM主存和磁盘存储器。在层次模型中，位于更高层的存储设备比低层的存储设备要更快，单位比特造价也更高。层次结构中较高层次的存储设备可以作为较低层次设备的告诉缓存。通过理解和运用这种存储层次结构的知识，程序员可以优化C程序性能。
操作系统内核是应用程序和硬件之间的媒介，他提供三个基本的抽象：1）文件是对I/O设备的抽象；2）虚拟内存是对主存和磁盘的抽象；3)进程是处理器、主存和I/O设备的抽象。
最后，网络提供了计算机系统之间通信的手段，从特殊系统的角度来看，网络就是一种I/O设备。