前言
- 本书来源于一门课：2015-15-213的ICS（Introduction to Computer Systems）。
- 在CMU（卡内基梅隆大学）它是一个导论性的课程，作为其它CS/EE专业课的基础，不知道为什么被翻译为“深入理解计算机系统”了。（确实很圣经，深入浅出）
- 本书从程序员的角度出发，旨在让应用程序员利用系统知识，写出更好的程序。例如：
- 在第5章，我们学习如何转换C代码，有利于编译更好工作，调整程序性能。
- 学习存储器系统(第6章)，我们将会知道C编译器是如何把数组放在内存里的。一个直观的例子👇
- 由于内存里按行访问比按列访问要高效很多，所以，对于二维数组复制，两层循环交换位置，会引起很大的速度差异。
- 第3章讲处理器的指令集架构，而第4章讲处理器的微体系结构。
第一章 计算机系统漫游
- 像只由ASCⅡ字符构成的文件，称为文本文件（比如.c）。其它所有的文件，都称为二进制文件。
- 数字的机器表示，与实际的整数/实数是不同的。比如，浮点数就是对真值的近似编码。
- 运行hello程序时发生了什么：
- 输入
./hello，shell程序将字符逐一读入寄存器，再放进内存里。
- 回车键结束输入，shell将可执行目标文件（hello.o）里的代码和数据从
磁盘复制(加载)到内存。 - 运行程序时，指令(hello程序对应的机器指令)从
内存复制到处理器。 - 如果程序里有需要print的字符串，字符串复制流向是：内存👉寄存器👉显示设备
- 输入
- 操作系统内核是应用程序和硬件之间的媒介。两个基本功能是：
- 防止硬件被失控的应用程序滥用
- 向应用程序提供一致的机制，来控制复杂且各不相同的低级硬件设备。
- 为了完成这两个功能，OS提供三个基本抽象
- 文件是对I/O设备的抽象;
- 虚拟内存是对主存和磁盘的抽象;
- 进程是处理器、主存和I/O设备的抽象（一个正在执行的程序的抽象）.
- 进程（第8章）是OS对一个正在执行的程序的抽象。
并发：CPU做进程切换，一个进程和另一个进程的指令交错执行。- 实现交错执行机制称为
上下文切换。- 即，OS内核负责管理当前进程到新进程的转移，保存当前进程上下文，恢复新进程上下文。
内核是OS代码常驻主存的部分，不是独立进程，而是OS管理全部进程所用代码+数据结构的集合。- shell进程转hello进程(或者I/O进程)，OS执行
系统调用，将控制权传给内核。
- OS跟踪上下文（进程运行时所需的状态信息，比如PC、寄存器当前值，主存内容）。
- 任何时刻，单处理器只能执行一个进程的代码。
- 线程
- 一个进程由多个线程执行单元组成，共享同样的代码+全局数据。
- 由于（1）网络服务器有并行处理需求（2）多线程比多进程更容易共享数据（3）线程比进程更高效。
- 具体地，移步👉线程/并发（12章）
- 虚拟内存（第9章）
- 基本思想：把一个进程的虚拟内存内容存储在磁盘上，用主存作为磁盘的高速缓存。
- 虚拟内存提供了一种假象：每个进程看到的内存是一样的（虚拟地址空间），好像是独占
主存。 - Linux里的虚拟地址空间（下→上：增大）里：
- 最上面是内核部分（对所有进程都是一样），
- 最下面是用户进程定义的代码+数据。
- 虚拟地址空间由大量准确定义的区构成，从下到上，依次是：
- 代码+数据区（比如C全局变量），在进程开始时就被指定了大小。
- （运行时）堆，运行时由malloc创建，可动态扩展和收缩。
- 共享库，比如C标准库/数学库。具体移步👉第7章‘动态链接’。
- 用户栈，运行时创建，编译器用它来实现函数调用（第3章）。
- 内核虚拟内存。应用程序要先调用内核，来读写这个区域或者调用内核代码。禁止应用程序直接操作。
- 系统之间利用网络通信
- 网络可视为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。 - 相似地，系统可以读取从其他机器发送来的数据，并把数据复制到自己的主存。
- 更多：（11章）将很多前面章节的概念联系在一起，比如实现一个简单的web服务器。
- 并发和并行
- 传统意义上，并发执行只是模拟出来的，就像一个杂耍艺人保持多个球在空中飞舞。
- 比如，计算机通过在正在执行的进程间快速切换，多线程切换。
- 对于单核（一个CPU）处理器，基于进程/线程的并发，不是真正意义上的
同时。
- 基于
线程的并发：- 同
进程并发一样，线程由内核自动调度，并且内核通过一个整数ID来识别线程。 - 同
I/O多路复用流一样，多个线程运行在单一进程的上下文中，- 因此共享一个进程虚拟地址空间的所有内容，包括代码、数据、堆、共享库和打开的文件。
- 同
- 指令级并行（确实有
同时的部分）- 在流水线中，执行一条指令所需要的活动被划分成不同的步骤，
- 将处理器的硬件组织成一系列的阶段，每个阶段执行一个步骤。
- 这些阶段可以并行地操作，用来处理不同指令的不同部分。
- 在第4章中，我们会研究流水线(pipelining)的使用。
- 单指令、多数据并行（即SIMD并行）
- 最低层次上，现代处理器拥有特殊硬件，允许一条指令产生多个可并行执行的操作。
- SIMD指令多是为了提高处理影像、声音和视频数据应用的执行速度。
- 对于程序员，可以用编译器支持的特殊的向量数据类型来写程序，比如GCC就支持向量数据类型。
- 详见第5章-旁注OPT: SIMD中描述了这种编程方式。
- 第12章会更深人地探讨并发。
- 传统意义上，并发执行只是模拟出来的，就像一个杂耍艺人保持多个球在空中飞舞。
