寫在前面的話：雖然不想說，但是新的一年又開始了，整理了硬盤里的書，發(fā)現(xiàn)自己真的是光顧著收集書而從來不看，這簡直沒有意義啊，浪費在找書上的時間并沒有得到回報。所以，先從CSAPP這本書開始吧，剛好自己電腦內(nèi)有個 ubuntu，那么就開始吧。

第1章 計算機系統(tǒng)漫游

1.4 處理器讀并解釋存儲在存儲器內(nèi)的指令

shell 是一個命令行解釋器，它輸出一個提示符，等待你輸入一個命令行，然后執(zhí)行這個命令。如果該命令行的第一個單詞不是一個內(nèi)置的 shell 命令，那么 shell 就會假設(shè)這是一個可執(zhí)行文件的名字，它將加載并運行這個文件。

關(guān)于 shell 的定義，簡單明了的解釋。

1.4.1 系統(tǒng)的硬件組成

3.內(nèi)存

主存是一個臨時存儲設(shè)備，在處理執(zhí)行程序時，用來存放程序和程序處理的數(shù)據(jù)。從物理上來說，主存是由一組動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）芯片組成的，從邏輯上來說，存儲器是一個線性的字節(jié)數(shù)組，每個字節(jié)都有其唯一的地址（即數(shù)組索引），這些地址是從零開始的。
一般來說，組成程序的每條機器指令都由不同數(shù)量的字節(jié)構(gòu)成。與C程序變量相對應(yīng)的數(shù)據(jù)項的大小是根據(jù)類型變化的。

有關(guān)內(nèi)存的定義

4.處理器

處理器的核心是一個字長的存儲設(shè)備（或寄存器），成為程序計數(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）。

從系統(tǒng)通電開始，直到系統(tǒng)斷電，處理器一直在不斷執(zhí)行程序計數(shù)器指向的指令，再更新程序計數(shù)器，使其指向下一條指令。處理器看上去是按照一個非常簡單的指令執(zhí)行模型來操作的，這個模型是由指令集結(jié)構(gòu)來決定的。在這個模型中，指令按照嚴格的順序執(zhí)行，而執(zhí)行一條指令包含執(zhí)行指定的步驟。處理器從程序計數(shù)器（PC）指向的存儲器處讀取指令，解釋指令中的位，執(zhí)行該指令指示的簡單操作，然后更新PC，使其指向下一條指令，而這條指令并不一定與存儲器中剛剛執(zhí)行的指令相鄰。

這樣的簡單操作并不多，而且操作是圍繞著主存、寄存器文件（register file） 和算術(shù)/邏輯單元（ALU）進行的。寄存器文件是一個小的存儲設(shè)備，有一些1字長的寄存器組成，每個寄存器都有唯一的名字。ALU計算新的數(shù)據(jù)和地址值。

處理器看上去只是它的指令集結(jié)構(gòu)的簡單實現(xiàn)，但是實際上現(xiàn)代處理器使用了非常復(fù)雜的機制來加速程序的執(zhí)行。因此，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是如何實現(xiàn)的。

原來CPU是這么工作的啊……CPU通過寄存器得到主存中的機器指令并執(zhí)行（按圖索驥么這是），這些概念應(yīng)該在隨后還會講到，這里的簡單介紹還比較好理解。

1.6 存儲設(shè)備形成層次結(jié)構(gòu)

存儲器層次結(jié)構(gòu)的主要思想是一層上的存儲器作為第一層存儲器的高速緩存。因此寄存器文件就是L1的高速緩存，L1是L2的高速緩存，L2是L3的高速緩存，L3是主存的高速緩存，而主存又是硬盤的高速緩存。

一個存儲器層次結(jié)構(gòu)的示例

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試都必須通過操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)有兩個基本功能：1）防止硬件被失控的應(yīng)用程序濫用。2）向應(yīng)用程序提供簡單一致的機制來控制復(fù)雜而又通常大相徑庭的低級硬件設(shè)備。操作系統(tǒng)通過幾個基本的抽象概念（進程、虛擬存儲器和文件）來實現(xiàn)這兩個功能。如圖1-11，文件是對 I/O 設(shè)備的抽象表示，虛擬存儲器是對主存和硬盤 I/O 設(shè)備的抽象表示，進程則是對處理器、主存、和 I/O 設(shè)備的抽象表示。

第10頁例圖

操作系統(tǒng)的作用，想起上操作系統(tǒng)課程的時候老師將硬盤時強調(diào)的物理地址和邏輯地址。操作系統(tǒng)應(yīng)該可以看成是一個超大的底層的應(yīng)用程序吧？其他所有應(yīng)用程序都要運行在操作系統(tǒng)之上。

1.7.1 進程

進程是操作系統(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程，而每個進程都好像獨占地使用硬件。而并發(fā)運行，則是說一個進程的指令和另一個進程的指令是交錯執(zhí)行的。傳統(tǒng)系統(tǒng)在一個時刻只能執(zhí)行一個程序，而先進的多核處理器同時能夠執(zhí)行多個程序。無論是在單核還是多核系統(tǒng)中，一個 CPU 看上去都像是在并發(fā)地執(zhí)行多個進程，這是通過處理器在進程間切換來實現(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( context switch )。

操作系統(tǒng)保持跟蹤進程運行所需的所有狀態(tài)信息，這種狀態(tài)，也就是context，它包括許多信息，例如 PC 和寄存器文件的當前值，以及主存的內(nèi)容。在任何一個時刻，單處理器系統(tǒng)都只能執(zhí)行一個進程的代碼。當操作系統(tǒng)決定要把控制權(quán)從當前進程轉(zhuǎn)移到某個新進程時，就會進行**context switch **，即保存當前進程的 context、恢復(fù)新進程的 context，然后將控制權(quán)傳遞到新進程，新進程就會從上次停止的地方開始。

示例場景中有兩個并發(fā)的進程：shell 進程和 hello 進程。起初，只有 shell 進程在運行，即等待命令行上的輸入。當我們讓它運行 hello 程序時，shell 通過調(diào)用一個專門的函數(shù)，即系統(tǒng)調(diào)用，來執(zhí)行我們的請求，系統(tǒng)調(diào)用會將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)保存 shell 進程的 context，創(chuàng)建一個新的 hello 進程及 context，然后將控制權(quán)傳遞給新的 hello 進程，hello 進程終止后，操作系統(tǒng)恢復(fù) shell 進程的 context，并將控制權(quán)傳回給它，shell 進程將繼續(xù)等待下一個命令行輸入。

根據(jù)書中給的例子，基本能看懂 context switch 在例子中是怎樣一回事了，話說回來看這本書真的好像在看操作系統(tǒng)啊。

1.7.2 線程

在現(xiàn)代系統(tǒng)中，一個進程實際上可以由多個成為線程的執(zhí)行單元組成，每個線程都運行在進程的 context 中，并共享同樣的代碼和全局數(shù)據(jù)。

1.7.3 虛擬存儲器

虛擬存儲器是一個抽象概念，它為每個進程提供了一個假象，即每個進程都在獨占地使用主存，每個進程看到的是一致的存儲器，成為虛擬地址空間。下圖所示的是 Linux 進程的虛擬地址空間（其他 Unix 系統(tǒng)的設(shè)計也與此類似）。在 Linux中，地址空間的底部區(qū)域存放用戶進程定義的代碼和數(shù)據(jù)。下圖所示的地址是從下往上增大的。

12頁例圖

每個進程看到的虛擬地址空間由大量準確定義的區(qū)構(gòu)成，每個區(qū)都有專門的功能。我們從最低的地址開始，逐步向上介紹

• 程序代碼和數(shù)據(jù)。對于所有的進程來說，代碼是從同一固定地址開始，緊接著的是和 C 全局變量相對應(yīng)的數(shù)據(jù)位置。代碼和數(shù)據(jù)區(qū)是直接按照可執(zhí)行目標文件的內(nèi)容初始化的。在示例中就是可執(zhí)行文件 hello。
  （PS：hello 是通過鏈接器在鏈接階段獲得的，可被加載到內(nèi)存中）

• 堆。代碼和數(shù)據(jù)后緊隨的是運行時堆。代碼和數(shù)據(jù)區(qū)是在進程一開始運行時就被規(guī)定了大小，于此不同，當調(diào)用如 malloc 和 free 這樣的 C 標準庫函數(shù)時，堆可以在運行時動態(tài)地拓展和收縮。
• 共享庫。大約在地址空間的中間部分是一塊 用來存放像 C 標準庫和教學(xué)庫這樣共享庫和代碼的數(shù)據(jù)。
• 棧。位于用戶虛擬地址空間頂部的是用戶棧，編譯器用它來實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用，和堆一樣，用戶棧在程序執(zhí)行期間可以動態(tài)地拓展和收縮。特別是每次我們調(diào)用一個函數(shù)時，棧就會增長，從一個函數(shù)返回時，棧就會收縮。
• 內(nèi)核虛擬存儲器。內(nèi)核總是駐留在內(nèi)存中，是操作系統(tǒng)的一部分。地址空間頂部的區(qū)域是為內(nèi)核保留的，不允許應(yīng)用程序讀寫這個區(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。每個 I/O 設(shè)備，包括磁盤、鍵盤、顯示器，甚至網(wǎng)絡(luò)，都可以視為文件。系統(tǒng)中的所有輸入輸出都是通過一小組稱為 Unix I/O 的系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用讀寫文件來實現(xiàn)的。
文件向應(yīng)用程序提供了一個統(tǒng)一的視角，來看待系統(tǒng)中可能含有的所有各式各樣的 I/O 設(shè)備。進一步說，同一個程序可以在使用不同磁盤技術(shù)的不同系統(tǒng)上運行。

這說的是硬件無關(guān)性么？

1.9 重要主題

1.9.1 并發(fā)和并行

并發(fā)（concurrency） 是一個通用的概念，指一個同事具有多個活動的系統(tǒng)；而術(shù)語并行（parallelism）指的是用并發(fā)使一個系統(tǒng)運行得更快。

1.9.2 計算機系統(tǒng)中抽象的重要性

在處理器里，指令集結(jié)構(gòu)提供了對實際處理器硬件的抽象。使用這個抽象，機器代碼程序代碼程序表現(xiàn)得好像它是運行在一個一次只執(zhí)行一條指令的處理器上。底層的硬件比抽象描述的要復(fù)雜精細的多，它并行地執(zhí)行多條指令，但又總是與那個簡單有序的模型保持一致。只要執(zhí)行模型一樣，不同的處理器實現(xiàn)也能執(zhí)行同樣的機器代碼，而又提供不同的開銷和性能。

17頁例圖

在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)時，我們介紹了三個抽象，文件是對 I/O 的抽象，虛擬存儲器是對程序存儲器的抽象，而進程是對一個正在運行的程序的抽象。而虛擬機提供對整個計算機（包括操作系統(tǒng)、處理器和程序）的抽象。

1.10 小結(jié)

• 因為計算機把大量的時間用于存儲器、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)中的存儲設(shè)備劃分為層次結(jié)構(gòu)。

• 在層次結(jié)構(gòu)中，高層的存儲設(shè)備比底層的存儲設(shè)備要快，單位比特開銷也更高。較高層次存儲設(shè)備可以作為較低層次設(shè)備的高速緩存。通過理解和運用這種存儲層次結(jié)構(gòu)的知識，程序員可以優(yōu)化 C 程序的性能。
• 從特殊角度來看，網(wǎng)絡(luò)就是一種 I/O 設(shè)備。

PS : 書中的1.9節(jié)中，關(guān)于并行和并發(fā)的三個層次（15-17頁）可以說完全沒看懂……應(yīng)該在隨后的章節(jié)中還會進一步解釋吧。先記錄下。