第一章 計算機系統(tǒng)漫游
2014-10-19
預(yù)處理、編譯器、匯編器和鏈接器 一起構(gòu)成了編譯系統(tǒng)。
匯編語言是非常有用的，因為它為不同高級語言的不同編譯器提供了通用的輸出語言。例如，C編譯器和Fortran編譯器產(chǎn)生的輸出文件用的都是一樣的匯編語言。
作為程序員，必須知道編譯系統(tǒng)是如何工作的，因為：
- 優(yōu)化程序性能
- 一個switch語句是否總是比一系列得if-then-else語句高效？
- while循環(huán)比for循環(huán)更有效么？
- 指針引用比數(shù)組索引更有效么？
- 一個函數(shù)調(diào)用的開銷有多大？
- 指針引用比數(shù)組索引更有效么？
- 我們將循環(huán)就和的結(jié)果放到一個本地變量中，與將其放到一個通過引用傳遞過來的參數(shù)中相比，運行速度要快很多呢？
- 為什么我們只是簡單地重新排列一下一個算術(shù)表達(dá)式中的括號就能讓一個函數(shù)運行的更快？
- 理解鏈接時出現(xiàn)得錯誤
- 避免安全漏洞
- 學(xué)習(xí)安全編程的第一步就是理解數(shù)據(jù)和控制信息存儲在程序棧上的方式會引起的后果。
系統(tǒng)的硬件組成
- 總線
總線通常被設(shè)計為傳送定長的字節(jié)塊，也就是字（word）?，F(xiàn)在的大多數(shù)機器字長有的是4個字節(jié)（32位），有的是8個字節(jié)（64位）。 - I/O設(shè)備
- 主存
- 處理器
處理器的核心是一個字長的存儲設(shè)備（或寄存器），稱為程序計數(shù)器（PC）。在任何時刻，PC都指向主存中的某條機器語言指令（即含有該條指令的地址）。
指令集結(jié)構(gòu)描述的是每條機器代碼指令的效果；而微體系結(jié)構(gòu)描述的是處理器實際上事如何實現(xiàn)的。
ALU -- 算術(shù)邏輯單元
DMA -- 直接存儲器存取，數(shù)據(jù)可以不通過處理器兒直接從磁盤到達(dá)內(nèi)存。
意識到高速緩存的應(yīng)用程序員可以利用高速緩存將他們程序的性能提高一個數(shù)量級。
操作系統(tǒng)管理硬件
操作系統(tǒng)有兩個基本功能：
- 防止硬件被失控的應(yīng)用程序濫用。
- 向應(yīng)用程序提供簡單移植的機制來控制復(fù)雜而通常大相徑庭的低級硬件設(shè)備。
操作系統(tǒng)通過幾個基本抽象概念（進(jìn)程、虛擬存儲器和文件）來實現(xiàn)這兩個功能。
文件是對I/O設(shè)備的抽象表示。
虛擬存儲器是對主存和磁盤I/O設(shè)備的抽象表示。
進(jìn)程則是對處理器、主存和I/O設(shè)備的抽象表示。
Posix標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了UNIX系統(tǒng)調(diào)用的C語言接口、外殼程序和工具、線程及網(wǎng)絡(luò)編程。
進(jìn)程--進(jìn)程是計算機科學(xué)中最重要和最成功得概念之一。
進(jìn)程是操作系統(tǒng)對一個正在運行的程序的一種抽象。
在一個系統(tǒng)上可以同時運行多個進(jìn)程，而每個進(jìn)程都好像在獨占的使用硬件。
無論在單核還是在多核系統(tǒng)中，一個CPU看上去都像事在并發(fā)的執(zhí)行多個進(jìn)程，這是通過處理器在進(jìn)程間切換來是實現(xiàn)的。操作系統(tǒng)實現(xiàn)這種交錯執(zhí)行的機制稱為“上下文切換”。
由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對并行處理的需求，線程成為越來越重要的編程模型，因為多線程之間比多進(jìn)程之間更容易共享數(shù)據(jù)，也以為線程一般來說都比進(jìn)程更高效。
虛擬存儲器
虛擬存儲器是一個抽象概念，它為每個進(jìn)程提供了一個假象，即每個進(jìn)程都在獨占的使用主存。每個進(jìn)程看到的是一致的存儲器，稱為虛擬地址空間。
在Linux中，地址空間最上面的區(qū)域是為了操作系統(tǒng)中的代碼和數(shù)據(jù)保留的，這對所有進(jìn)程來說都是一樣的。p12
編譯器用棧來實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用。
虛擬存儲器的基本思想是把一個進(jìn)程虛擬存儲器的內(nèi)容存儲在磁盤上，然后用主存作為磁盤的高速緩存。
并發(fā)和并行
并發(fā)--是一個通用的概念，指一個同時具有多個活動的系統(tǒng)；
并行--指的是用并發(fā)使一個系統(tǒng)運行的更快。并行可以在計算機系統(tǒng)的多個抽象層次上運行。
- 線程級并發(fā)
- 指令集并行
如果處理器可以達(dá)到比一個周期一條指令更快的執(zhí)行速率，就稱為超標(biāo)量處理器，大多數(shù)現(xiàn)代處理器都支持超標(biāo)量操作。 - 單指令、多數(shù)據(jù)并行
