CSAPP笔记-第一章

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• 这一章没有解决的问题

• 目录与重点内容：

编译系统

hello程序的运行过程

高速缓存器

操作系统

计算机系统的抽象

Amdahl加速比定律公式

并发与并行

• 这一章术语（请ctrl+F正文内查找）：

位，字节，字符，文本，ASCII， 文本文件，二级制文件，机器指令，可执行目标程序，编译器GCC（缺省），编译系统，预处理器，编译器，汇编器，链接，总线，I/O，主板，适配器，控制器，主存，DRAM，逻辑，处理器，程序计数器，寄存器，ALU，加载，存储，操作，跳转，指令集，高速缓存，操作系统，抽象，进程，多核，并发，上下文切换，内核，系统调用，控制权，线程，虚拟内存，虚拟地址空间，堆（缺省），共享库（缺省），用户栈（缺省），内核虚拟内存（缺省），加速比，Amdahl定律，并行，并发，线程级并发，多核，超线程，指令集并发，SIMD并行，虚拟机

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一个hello world程序的生命周期

#include <stdio.h>

int main(){
    printf("hello, world
");
    return 0;
}

编译系统：

• 编译hello程序的过程

  (1) 预处理阶段：插入头文件
  (2) 编译阶段：编译器翻译，包含main函数定义的汇编语言程序

main:
    subq    $8, %rsp #一条低级机器语言指令
    movl    $.LCO, %edi
    call    puts
    movl    $0, %eax
    addq    $8, %rsp
    ret

(3) 汇编阶段：汇编器翻译成机器语言指令，打包成可重定位目标程序（relocatable object program）, 保存为二进制文件

(4) 链接阶段：链接器合并调用的printf函数，得到可执行目标文件

• shell: 命令行解释器；运行hello程序，(> ./hello)

• 系统硬件组成

1. 总线：总线传送定长的字节块（字，word），字长是基本的系统参数：32位系统是4个字节，64位系统是8个字节

2. I/O设备：每个I/O设备都通过一个控制器（设备/系统主板上的芯片组）/适配器（插在设备/系统主板插槽上的卡）与I/0总线相连

3. 主存：由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成。逻辑上，是一个线性字节数组。

4. 处理器 （CPU）：
   模型 - 指令集架构。
   下一条指令不一定和内存中刚执行的指令相邻。

   4.1 核心 - 大小为一个字的寄存器，成为程序计数器（PC），PC指向主存中某条机器语言指令（的地址）。

   4.2 寄存器文件（register file）: 一个小的存储设备，每个寄存器单个字长

   4.3 算数/逻辑单元 （ALU）： 计算新的数据和地址值

   4.4 CPU在PC中指令要求下执行的操作：

   加载 - 主存 -> 寄存器；
   存储 - 寄存器到主存；
   操作 - 两个寄存器 -> ALU运算 -> 一个寄存器；
   跳转 - 指令复制到PC

hello程序的运行过程 （省略细节）

高速缓存存储器 （cache memory）

加快从主存中复制到寄存器的速度。

多级高速缓存：L1, L2, (L3), ...

可以利用高速缓存将程序的性能提高一个数量级

• 存储设备的层次：使用上一层存储器作为低一层存储器的高速缓存

操作系统：应用程序 <--> 硬件

操作系统两个基本功能：

（1）防止硬件被失控的应用程序滥用
（2）向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂的低级硬件设备

因此，操作系统有以下抽象：

• 进程：操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。

  • 并发运行 - 一个进程的指令和另一个进程的指令交错执行。进程数多于CPU个数。CPU通过处理器在进程间的切换来实现并发。
  • 这种交错执行的机制称为上下文切换 - 保持跟踪运行的状态信息，即上下文（PC，寄存器当前值，主存内容等）。
  • 内核（kernel， 操作系统代码常驻主存的部分，系统关系全部进程所用代码和数据结构的集合）管理进程到进程的转换。
    应用程序执行一条system call指令，将控制权传递给内核/操作系统。
    操作系统保留当前进程的上下文，创建应用程序的新进程以及上下文。
    操作系统将控制权传给新进程（执行请求，返回应用程序）。

• 线程
  一个进程由多个线程执行单元组成。线程运行在进程的上下文中（?），共享代码和全局数据。

• 虚拟内存
  一个抽象概念。进程的虚拟地址空间如下（每个进程看到的内存都是一致的）：

地址由下往上增大。

• 文件
  就是字节序列。每个I/O设备都可以看成文件。系统输入输出通过使用一组Unix I/O系统函数调用读写文件来实现。

系统之间的网络通信

简而言之，网络可以视为一个I/O设备。

Amdahl law

实际加速比的计算：(S = T_{old} / T_{new}, T_{new} = (1-alpha)T_{old} + alphaT_{old}/k)

并发（concurrency）和并行（parallelism）

并发：通用概念，指同时具有多个活动的系统
并行：用并发使一个系统运行得更快

系统层次结构中由高到低的三个并行层次：

1. 线程级（进程级？）：多核处理器, 超线程/同时多线程

2. 指令集并行：处理器同时执行多条指令 - 超标量（super-scalar）处理器

3. 单指令、多数据（SIMD并行）：多是为了提高处理影像、声音和视频数据应用的执行速度。；编译器支持用特殊的向量数据类型来写程序。

计算机系统中抽象的重要性

如，为一组函数规定一个简单的应用程序接口（API）

计算机系统提供的一些抽象（在上述介绍的基础上增加"虚拟机"抽象）：

Other glossary

• 8个位（比特） -> 1个字节 -> 程序中某个字符

• ASCII标准：用唯一的单字节大小的整数值来表示每个字符

• 文本文件：只由ASCII字符构成的文件。

• 二进制文件：不是文本文件的所有其他文件

Unsolved

• 线程运行在进程的上下文中
• 线程级并发 - 进程级并发？

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练习题答案

（略）