寫(xiě)在前面的話(huà)：雖然不想說(shuō)侄刽，但是新的一年又開(kāi)始了指黎，整理了硬盤(pán)里的書(shū)，發(fā)現(xiàn)自己真的是光顧著收集書(shū)而從來(lái)不看州丹，這簡(jiǎn)直沒(méi)有意義啊醋安，浪費(fèi)在找書(shū)上的時(shí)間并沒(méi)有得到回報(bào)。所以墓毒，先從CSAPP這本書(shū)開(kāi)始吧吓揪，剛好自己電腦內(nèi)有個(gè) ubuntu，那么就開(kāi)始吧所计。
第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)漫游
1.4 處理器讀并解釋存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的指令
shell 是一個(gè)命令行解釋器柠辞，它輸出一個(gè)提示符，等待你輸入一個(gè)命令行醉箕，然后執(zhí)行這個(gè)命令钾腺。如果該命令行的第一個(gè)單詞不是一個(gè)內(nèi)置的 shell 命令，那么 shell 就會(huì)假設(shè)這是一個(gè)可執(zhí)行文件的名字讥裤，它將加載并運(yùn)行這個(gè)文件放棒。
關(guān)于 shell 的定義，簡(jiǎn)單明了的解釋己英。
1.4.1 系統(tǒng)的硬件組成
3.內(nèi)存
主存是一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備间螟，在處理執(zhí)行程序時(shí)，用來(lái)存放程序和程序處理的數(shù)據(jù)损肛。從物理上來(lái)說(shuō)厢破，主存是由一組動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）芯片組成的，從邏輯上來(lái)說(shuō)治拿，存儲(chǔ)器是一個(gè)線(xiàn)性的字節(jié)數(shù)組摩泪，每個(gè)字節(jié)都有其唯一的地址（即數(shù)組索引），這些地址是從零開(kāi)始的劫谅。
一般來(lái)說(shuō)见坑，組成程序的每條機(jī)器指令都由不同數(shù)量的字節(jié)構(gòu)成嚷掠。與C程序變量相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)的大小是根據(jù)類(lèi)型變化的。
有關(guān)內(nèi)存的定義
4.處理器
處理器的核心是一個(gè)字長(zhǎng)的存儲(chǔ)設(shè)備（或寄存器）荞驴，成為程序計(jì)數(shù)器（PC）不皆。在任何時(shí)刻，PC 都指向主存中的某條機(jī)器語(yǔ)言指令（即含有該條指令的地址）熊楼。
從系統(tǒng)通電開(kāi)始霹娄，直到系統(tǒng)斷電，處理器一直在不斷執(zhí)行程序計(jì)數(shù)器指向的指令鲫骗，再更新程序計(jì)數(shù)器犬耻，使其指向下一條指令。處理器看上去是按照一個(gè)非常簡(jiǎn)單的指令執(zhí)行模型來(lái)操作的执泰，這個(gè)模型是由指令集結(jié)構(gòu)來(lái)決定的香追。在這個(gè)模型中，指令按照嚴(yán)格的順序執(zhí)行坦胶，而執(zhí)行一條指令包含執(zhí)行指定的步驟。處理器從程序計(jì)數(shù)器（PC）指向的存儲(chǔ)器處讀取指令晴楔，解釋指令中的位顿苇，執(zhí)行該指令指示的簡(jiǎn)單操作，然后更新PC税弃，使其指向下一條指令纪岁，而這條指令并不一定與存儲(chǔ)器中剛剛執(zhí)行的指令相鄰。
這樣的簡(jiǎn)單操作并不多则果，而且操作是圍繞著主存幔翰、寄存器文件（register file） 和算術(shù)/邏輯單元（ALU）進(jìn)行的。寄存器文件是一個(gè)小的存儲(chǔ)設(shè)備西壮，有一些1字長(zhǎng)的寄存器組成遗增，每個(gè)寄存器都有唯一的名字。ALU計(jì)算新的數(shù)據(jù)和地址值款青。
處理器看上去只是它的指令集結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)做修，但是實(shí)際上現(xiàn)代處理器使用了非常復(fù)雜的機(jī)制來(lái)加速程序的執(zhí)行。因此抡草，我們可以這樣區(qū)分處理器的指令集結(jié)構(gòu)和微體系結(jié)構(gòu)：指令集結(jié)構(gòu)描述的是每條機(jī)器代碼指令的效果饰及；而微體系結(jié)構(gòu)描述的是處理器實(shí)際上是如何實(shí)現(xiàn)的。
原來(lái)CPU是這么工作的啊……CPU通過(guò)寄存器得到主存中的機(jī)器指令并執(zhí)行（按圖索驥么這是）康震，這些概念應(yīng)該在隨后還會(huì)講到燎含，這里的簡(jiǎn)單介紹還比較好理解。
1.6 存儲(chǔ)設(shè)備形成層次結(jié)構(gòu)
存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的主要思想是一層上的存儲(chǔ)器作為第一層存儲(chǔ)器的高速緩存腿短。因此寄存器文件就是L1的高速緩存屏箍，L1是L2的高速緩存绘梦，L2是L3的高速緩存，L3是主存的高速緩存铣除，而主存又是硬盤(pán)的高速緩存谚咬。
1.7 操作系統(tǒng)管理硬件
我們可以把操作系統(tǒng)看成是應(yīng)用程序和硬件之間插入的一層軟件，所有應(yīng)用程序?qū)τ布牟僮鲊L試都必須通過(guò)操作系統(tǒng)尚粘。
操作系統(tǒng)有兩個(gè)基本功能：1）防止硬件被失控的應(yīng)用程序?yàn)E用戏阅。2）向應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)單一致的機(jī)制來(lái)控制復(fù)雜而又通常大相徑庭的低級(jí)硬件設(shè)備捐名。操作系統(tǒng)通過(guò)幾個(gè)基本的抽象概念（進(jìn)程、虛擬存儲(chǔ)器和文件）來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。如圖1-11阶祭，文件是對(duì) I/O 設(shè)備的抽象表示，虛擬存儲(chǔ)器是對(duì)主存和硬盤(pán) I/O 設(shè)備的抽象表示缘挽，進(jìn)程則是對(duì)處理器北发、主存、和 I/O 設(shè)備的抽象表示盔腔。
操作系統(tǒng)的作用杠茬，想起上操作系統(tǒng)課程的時(shí)候老師將硬盤(pán)時(shí)強(qiáng)調(diào)的物理地址和邏輯地址。操作系統(tǒng)應(yīng)該可以看成是一個(gè)超大的底層的應(yīng)用程序吧弛随？其他所有應(yīng)用程序都要運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上瓢喉。
1.7.1 進(jìn)程
進(jìn)程是操作系統(tǒng)對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的程序的一種抽象。在一個(gè)系統(tǒng)上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程舀透，而每個(gè)進(jìn)程都好像獨(dú)占地使用硬件栓票。而并發(fā)運(yùn)行，則是說(shuō)一個(gè)進(jìn)程的指令和另一個(gè)進(jìn)程的指令是交錯(cuò)執(zhí)行的愕够。傳統(tǒng)系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)程序走贪，而先進(jìn)的多核處理器同時(shí)能夠執(zhí)行多個(gè)程序。無(wú)論是在單核還是多核系統(tǒng)中惑芭，一個(gè) CPU 看上去都像是在并發(fā)地執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程坠狡，這是通過(guò)處理器在進(jìn)程間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種交錯(cuò)執(zhí)行的機(jī)制稱(chēng)為上下文切換( context switch )遂跟。
操作系統(tǒng)保持跟蹤進(jìn)程運(yùn)行所需的所有狀態(tài)信息擦秽，這種狀態(tài)，也就是context漩勤，它包括許多信息感挥，例如 PC 和寄存器文件的當(dāng)前值，以及主存的內(nèi)容越败。在任何一個(gè)時(shí)刻触幼，單處理器系統(tǒng)都只能執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程的代碼。當(dāng)操作系統(tǒng)決定要把控制權(quán)從當(dāng)前進(jìn)程轉(zhuǎn)移到某個(gè)新進(jìn)程時(shí)究飞，就會(huì)進(jìn)行**context switch **置谦，即保存當(dāng)前進(jìn)程的 context堂鲤、恢復(fù)新進(jìn)程的 context，然后將控制權(quán)傳遞到新進(jìn)程媒峡，新進(jìn)程就會(huì)從上次停止的地方開(kāi)始瘟栖。
示例場(chǎng)景中有兩個(gè)并發(fā)的進(jìn)程：shell 進(jìn)程和 hello 進(jìn)程。起初谅阿，只有 shell 進(jìn)程在運(yùn)行半哟，即等待命令行上的輸入。當(dāng)我們讓它運(yùn)行 hello 程序時(shí)签餐，shell 通過(guò)調(diào)用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的函數(shù)寓涨，即系統(tǒng)調(diào)用，來(lái)執(zhí)行我們的請(qǐng)求氯檐，系統(tǒng)調(diào)用會(huì)將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)戒良。操作系統(tǒng)保存 shell 進(jìn)程的 context，創(chuàng)建一個(gè)新的 hello 進(jìn)程及 context冠摄，然后將控制權(quán)傳遞給新的 hello 進(jìn)程糯崎，hello 進(jìn)程終止后，操作系統(tǒng)恢復(fù) shell 進(jìn)程的 context河泳，并將控制權(quán)傳回給它拇颅，shell 進(jìn)程將繼續(xù)等待下一個(gè)命令行輸入。
根據(jù)書(shū)中給的例子乔询，基本能看懂 context switch 在例子中是怎樣一回事了，話(huà)說(shuō)回來(lái)看這本書(shū)真的好像在看操作系統(tǒng)啊韵洋。
1.7.2 線(xiàn)程
在現(xiàn)代系統(tǒng)中竿刁，一個(gè)進(jìn)程實(shí)際上可以由多個(gè)成為線(xiàn)程的執(zhí)行單元組成，每個(gè)線(xiàn)程都運(yùn)行在進(jìn)程的 context 中搪缨，并共享同樣的代碼和全局?jǐn)?shù)據(jù)食拜。
1.7.3 虛擬存儲(chǔ)器
虛擬存儲(chǔ)器是一個(gè)抽象概念，它為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)假象副编，即每個(gè)進(jìn)程都在獨(dú)占地使用主存负甸，每個(gè)進(jìn)程看到的是一致的存儲(chǔ)器，成為虛擬地址空間痹届。下圖所示的是 Linux 進(jìn)程的虛擬地址空間（其他 Unix 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也與此類(lèi)似）呻待。在 Linux中，地址空間的底部區(qū)域存放用戶(hù)進(jìn)程定義的代碼和數(shù)據(jù)队腐。下圖所示的地址是從下往上增大的蚕捉。
每個(gè)進(jìn)程看到的虛擬地址空間由大量準(zhǔn)確定義的區(qū)構(gòu)成，每個(gè)區(qū)都有專(zhuān)門(mén)的功能柴淘。我們從最低的地址開(kāi)始迫淹，逐步向上介紹
- 程序代碼和數(shù)據(jù)秘通。對(duì)于所有的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，代碼是從同一固定地址開(kāi)始敛熬，緊接著的是和 C 全局變量相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位置肺稀。代碼和數(shù)據(jù)區(qū)是直接按照可執(zhí)行目標(biāo)文件的內(nèi)容初始化的。在示例中就是可執(zhí)行文件 hello应民。
（PS：hello 是通過(guò)鏈接器在鏈接階段獲得的话原，可被加載到內(nèi)存中）
- 堆。代碼和數(shù)據(jù)后緊隨的是運(yùn)行時(shí)堆瑞妇。代碼和數(shù)據(jù)區(qū)是在進(jìn)程一開(kāi)始運(yùn)行時(shí)就被規(guī)定了大小稿静，于此不同，當(dāng)調(diào)用如
malloc和free這樣的 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)時(shí)辕狰，堆可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地拓展和收縮改备。 - 共享庫(kù)。大約在地址空間的中間部分是一塊 用來(lái)存放像 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和教學(xué)庫(kù)這樣共享庫(kù)和代碼的數(shù)據(jù)蔓倍。
- 棧悬钳。位于用戶(hù)虛擬地址空間頂部的是用戶(hù)棧，編譯器用它來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用偶翅，和堆一樣默勾，用戶(hù)棧在程序執(zhí)行期間可以動(dòng)態(tài)地拓展和收縮。特別是每次我們調(diào)用一個(gè)函數(shù)時(shí)聚谁，棧就會(huì)增長(zhǎng)母剥，從一個(gè)函數(shù)返回時(shí)，棧就會(huì)收縮形导。
- 內(nèi)核虛擬存儲(chǔ)器环疼。內(nèi)核總是駐留在內(nèi)存中，是操作系統(tǒng)的一部分朵耕。地址空間頂部的區(qū)域是為內(nèi)核保留的炫隶，不允許應(yīng)用程序讀寫(xiě)這個(gè)區(qū)域的內(nèi)容或者直接調(diào)用內(nèi)核代碼定義的函數(shù)。
1.7.4 文件
文件就是字節(jié)序列阎曹。每個(gè) I/O 設(shè)備伪阶，包括磁盤(pán)、鍵盤(pán)处嫌、顯示器栅贴，甚至網(wǎng)絡(luò)熏迹，都可以視為文件癣缅。系統(tǒng)中的所有輸入輸出都是通過(guò)一小組稱(chēng)為 Unix I/O 的系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用讀寫(xiě)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
文件向應(yīng)用程序提供了一個(gè)統(tǒng)一的視角陶衅，來(lái)看待系統(tǒng)中可能含有的所有各式各樣的 I/O 設(shè)備搀军。進(jìn)一步說(shuō)罩句，同一個(gè)程序可以在使用不同磁盤(pán)技術(shù)的不同系統(tǒng)上運(yùn)行门烂。
這說(shuō)的是硬件無(wú)關(guān)性么屯远？
1.9 重要主題
1.9.1 并發(fā)和并行
并發(fā)（concurrency） 是一個(gè)通用的概念慨丐，指一個(gè)同事具有多個(gè)活動(dòng)的系統(tǒng)泄私；而術(shù)語(yǔ)并行（parallelism）指的是用并發(fā)使一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行得更快。
1.9.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中抽象的重要性
在處理器里捅暴，指令集結(jié)構(gòu)提供了對(duì)實(shí)際處理器硬件的抽象斩松。使用這個(gè)抽象惧盹，機(jī)器代碼程序代碼程序表現(xiàn)得好像它是運(yùn)行在一個(gè)一次只執(zhí)行一條指令的處理器上瞪讼。底層的硬件比抽象描述的要復(fù)雜精細(xì)的多符欠，它并行地執(zhí)行多條指令诊沪，但又總是與那個(gè)簡(jiǎn)單有序的模型保持一致端姚。只要執(zhí)行模型一樣渐裸，不同的處理器實(shí)現(xiàn)也能執(zhí)行同樣的機(jī)器代碼昏鹃，而又提供不同的開(kāi)銷(xiāo)和性能洞渤。
17頁(yè)例圖
在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)時(shí)您宪，我們介紹了三個(gè)抽象奈懒，文件是對(duì) I/O 的抽象，虛擬存儲(chǔ)器是對(duì)程序存儲(chǔ)器的抽象磷杏，而進(jìn)程是對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的程序的抽象捏卓。而虛擬機(jī)提供對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)（包括操作系統(tǒng)极祸、處理器和程序）的抽象怠晴。
1.10 小結(jié)
- 因?yàn)橛?jì)算機(jī)把大量的時(shí)間用于存儲(chǔ)器遥金、I/O 設(shè)備和 CPU 寄存器之前復(fù)制數(shù)據(jù)，所以將系統(tǒng)中的存儲(chǔ)設(shè)備劃分為層次結(jié)構(gòu)蒜田。
- 在層次結(jié)構(gòu)中稿械，高層的存儲(chǔ)設(shè)備比底層的存儲(chǔ)設(shè)備要快冲粤，單位比特開(kāi)銷(xiāo)也更高梯捕。較高層次存儲(chǔ)設(shè)備可以作為較低層次設(shè)備的高速緩存傀顾。通過(guò)理解和運(yùn)用這種存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)的知識(shí)，程序員可以?xún)?yōu)化 C 程序的性能寒砖。
- 從特殊角度來(lái)看隆豹，網(wǎng)絡(luò)就是一種 I/O 設(shè)備。
PS : 書(shū)中的1.9節(jié)中茅逮，關(guān)于并行和并發(fā)的三個(gè)層次（15-17頁(yè)）可以說(shuō)完全沒(méi)看懂……應(yīng)該在隨后的章節(jié)中還會(huì)進(jìn)一步解釋吧璃赡。先記錄下。
