CSAPP 学习笔记 – 计算机的概览

前言

​ 这是 CSAPP 集体专栏的开篇。

​ 这本书应该不须要我过多介绍了，看这本书集体依赖了视频和书本对照学习，学习的进度很慢也比拟苦楚，不晓得多久能够更一期，做这个系列也算是激励本人加油学习。

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集体感想

​ 文科生看到这书头痛到爆炸，很多公式压根看不懂，只能重复看去背了（天知道为什么大学会跑去选个计算机的业余）。

CSAPP 介绍

​ 依照集体学习的讲述人说的话就是：这本书讲述的并不深刻，然而能够通知你理解计算机的所有重点内容

概述：

1. 理解一个 HelloWorld 在计算机的底层经验了什么事件
2. 一个计算机蕴含了那些根本内容。
3. 一个 Hello world 的 C 程序在计算机系统的运行程序是怎么的。
4. 操作系统和 IO 设施，操作系统的执行周期。

一个 Hello world 程序的生命周期

首先，咱们从根底动手，看看一个 Helloworld 程序在计算机的底层经验了哪些事件？

• 预处理：将头文件退出到程序当中造成文件援用，并且生成 hello.i 文件
• 编译：把预处理的 hello.i 文件通过程序代码语言的优化和细节解决，通过编译之后，造成计算机翻译生成编译后文件 hello.s 文件
• 汇编：将编译解决的文件通过机器码指令翻译为机器能辨认的汇编指令，生产 hello.o文件
• 链接：须要将多个文件内容进行合并，比方把 hello.o 文件和机器汇编printf.o 件合并，生成最终须要的hello 程序

为什么要了解编译系统是如何工作的，咱们用工具调试不香么？

1. 优化程序性能
2. 了解链接这一步骤的异样（全局和局部变量是什么）

3. 防止安全漏洞（理解堆栈原理和缓冲器的谬误）

   看这本书还能够帮忙咱们理解上面的内容

• Switch 为什么有时候要替换为 if/else？
• 函数调用开销有多大？
• for 和 while 那个更快？

CPU 的逻辑构造：

​ PC(程序计数器)：存储着 下一条寄存器指令的地址 ，大小为一个4 字节 的存储区域，实际上为一个指针。（32 位 4 个字节，64 位为 8 个字节）（program count）

程序计数器注意事项：

• 计算机中提供要从存储器中取出的下一个指令地址的寄存器
• PC 每次自增都是固定的字长
• PC 自增是 PC+ 取出指令的长度
• 一个字节占 8 位，一个字占 16 位
• 两个指令的地位不肯定相邻

​ 寄存器：通常为用于程序计算的一小块高速缓存，寄存器的容量比拟小。长期存放数据的空间

​ ALU：负责将寄存器传递的值进行计算操作。

​ 总线：贯通整个计算机系统的外围设施，负责将数据到各个硬件进行固定的字节数据传输。

​ 内存：负责将处理器的内容进行计算或者解决

​ 输入输出设施：输入输出设施示意计算机系统和外部设备的接入操作

一个 Hello world 程序在计算机系统的运行程序

上面这个图是不便本人了解画的，画的很丑，能够去网上找很多画的难看，画的难看的集体不太能了解（HHH）

​ 下面这个图的运行程序如下：

1. 首先，咱们的程序从硬盘读入，通过硬盘的 IO 控制器通过 DMA 的模式间接进入到主内存。（<font color=’red’>红线</font>）

摘自百科：“DMA，全称为：Direct Memory Access，间接存储器拜访，是所有古代电脑的重要特色，它容许不同速度的硬件安装来沟通，而不须要依赖于 CPU 的大量中断负载。”

2. 接着程序通过主内存和 IO 连接器进入到寄存器中进行计算的操作，这时候有可能会应用 ALU，只不过图中没有画进去。
3. 寄存器计算实现之后，输入到显示控制器，显示咱们程序的计算结果。（<font color=’orange’>橙线</font>）

​ 当然这个图也相当的简略，然而能总体概括一个程序的生命流程。

​ 从下面的步骤能够看到，一个程序的根本步骤就是一个输出到输入的过程，这个过程称为一个环。

操作系统是如何形象 IO 设施，内存和处理器的?

在上面的图例所示当中，咱们来看下咱们通常了解的文件，内存和处理器这三个外围组成部分在操作系统中是如何形象的：

• 每一个文件就是对于 IO 设施的形象
• 虚拟内存是对内存和 IO 设施的形象
• 过程：则是对处理器，虚拟内存和 IO 设施的形象

什么是操作系统？它和应用程序以及硬件的关系？

​ 操作系统其实就是应用程序和硬件之间的一座桥梁，负责形象硬件层负责的操作逻辑，同时对于应用程序提供爱护。

​ 操作系统将整个硬件划分为 IO 设施，虚拟内存和过程这三个十分重要的形象。

操作系统中一个过程的执行周期：

1. 当零碎过程运行的时候，shell过程通过零碎调用的模式，构建一个 Hello 过程。
2. 此时 shell 保留以后过程的上下文，同时进入 Hello 过程，也产生一份新的 hello上下文。
3. 将控制权交给 Hello 过程，此时 shell 进行期待状态
4. hello过程执行结束，返回后果给 shell 过程。shell过程回到零碎过程期待下一个命令。

这里有一个思考题：shell 的实现机制是如何实现了，如何实现相似 shell 期待的程序？

Linux：所有皆是文件如何了解？

​ 上文提到了一个程序其实就是一次输出 / 输入的过程。

​ 文件是对 IO 设施的形象，也是过程以及虚拟内存的根底单元和构造组成，所以所有皆文件意味着内存中操作的所有数据都能够看做一个 io 的输出和输入，输出数据，输入构造，这也意味着文件作为操作系统的根底单元的重要位置。

网络设备是如何通过网络运行一个 Hello world 程序？

1. 用户应用键盘输入一个执行 hello 程序的命令
2. 客户端发送一个执行“hello”的指令到近程服务器的的 shell
3. 近程服务器的 shell 收到指令，执行 hello 程序
4. 近程服务器执行 HELLO 程序
5. 近程服务器 HELLO 程序的返回后果回送到客户端

零碎减速：阿姆达定律

外围：假如程序划分为两局部：不可并行局部和可并行局部。

解释：

​ 假如一个磁盘中的程序加载到内存中，扫描目录并且进行创立文件。扫描目录和创立文件列表的局部不能并行化，但解决文件能够并行。

那么依据下面的阐明，咱们能够定义上面的变量：

• T = 串行执行的总工夫
• B = 不能够并行的总工夫
• T- B = 并行局部的总工夫

​ 从公式来看，T-B这部分工夫是真正能够并行并且通过进步 CPU 或者线程性能的优化工夫。当多个 CPU 和线程执行并行局部的时候计算公式为：

​ T(N) = B + (T – B) / N（N 为处理器或者 CPU 数量）

​ 这里咱们不须要记住简单的公式，咱们只须要晓得这个阿姆达定理理解到，要优化一个程序的性能，性能的晋升远不如咱们设想中的那么多，软硬件以及设施 IO，内存等每一项都有可能影响程序的性能，同时单项性能优化成果可能并不显著，在进行优化的时候也须要依据理论状况多方位的思考。

更多的参考资料

英文原版网站：http://tutorials.jenkov.com/j…

中文介绍：http://ifeve.com/amdahls-law/

另外，阿姆达定律提供了上面的优化形式细节：

• 线程级并发（超线程技术）
• 指令集并行（流水线技术）
• 单指令多数据并行
• 超线程技术

总结：

​ 以上是 CSAPP 第一章节的内容重点，其实大部分内容是跟着视频解说边学边做的笔记，集体对于这种理工的货色切实是很难凑合。

​ 最初第一章节的内容非常简略和根底，然而到了后续难度就逐步上来了。

写在最初

​ 系列开篇，感激各位观看，如果感觉有所帮忙求点赞反对一下！