「深入理解计算机系统」学习笔记（第一章）

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本文主要是《深入理解计算机系统》第一章（计算机系统漫游）的学习笔记。主要依据 B 站 UP 主九曲阑干对 CSAPP 的 中文讲解。

CSDIY 上对于本课程的介绍：https://csdiy.wiki/%E4%BD%93%E7%B3%BB%E7%BB%93%E6%9E%84/CSAPP

程序的生命周期

本章主要是依据一个普通 Hello World 程序的生命周期，对计算机系统主要概念做一个概述。

一个程序大体上分为如下四个步骤：

  1. 创建 Create
  2. 编译 Compile
  3. 运行 Run
  4. 退出 Exit

首先，创建一个 C 语言程序，命名为 hello.c：

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#include <stdio.h>
int main()
{
  printf("hello, world!\n");
  return 0;
}

使用 GCC 对程序进行编译：

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$ gcc -o hello.exe hello.c

通过本命令，编写的 hello.c 通过编译系统进行编译后，生成名为 hello.exe 的可执行程序。

虽然我们只通过了一条命令就完成了程序的编译，但事实上编译过程是很复杂的。

一个编译过程主要分为四部分：

  1. 预处理 Pre-processing (cpp)：经过预处理器将 hello.c 转变为 hello.i 文件。
  2. 编译 Compile (cc1)：通过词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、优化等一系列操作，将 hello.i 转变为 hello.s 文件。
  3. 汇编 Assemble (as)：汇编器根据指令集翻译为机器指令，并且按照固定规则进行打包。将 hello.s 转变为可重定位目标文件 hello.o。
  4. 链接 Link (ld)：链接器将 hello.o 与其他库文件链接，生成可执行文件 hello.exe。

理解编译系统过程的意义

为什么要理解编译系统是如何工作的？

  1. 优化程序性能
  2. 理解链接时出现的错误
  3. 避免安全漏洞

通过 Shell 运行程序

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$ ./hello.exe
hello, world!
$

计算机系统的硬件组成

高速缓存

在通常情况下，大容量的存储设备的存取速度要比小容量的慢，运行速度更快的设备的价格相对于低速设备要更贵。

例如，在一个系统上，磁盘容量一般为 TB 级，内存容量一般为 GB 级，而寄存器文件的容量一般为 B 级别。

对于处理器而言，从磁盘上读取一个字所花费的时间开销比从内存中读取的开销大 1000 万倍；从寄存器文件读取数据比从内存读取数据快 100 倍。随着半导体技术的发展，处理器与内存之间的差距还在持续增大。

针对处理器和内存的差异，系统设计人员在寄存器和内存之间引入了了高速缓存（cache）。比较强的处理器一般有三级缓存，分别是 L1、L2 和 L3，从前往后容量逐渐变大，速度逐渐变慢。L1 与寄存器之间的速度差异不大，容量为 KB 级别；L2 与 L3 容量更大一些，分别为 MB 级别。

操作系统

操作系统是应用程序和硬件之间的中间层，所有应用程序对硬件的操作都需要经过操作系统进行完成。

操作系统引入几个概念：

  1. 文件 Files：对于 I/O 设备的抽象
  2. 虚拟内存 Virtual memory：对于内存和磁盘 I/O 的抽象
  3. 进程 Processes：对处理器、内存和 I/O 设备的抽象

虚拟机

虚拟机是对于整个计算机系统的抽象，包括操作系统、处理器、内存、I/O 设备。