深入理解计算机系统学习笔记（一）

程序的编译过程

为了说明程序的编译过程，我们用经典的hello world程序作为例子

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello world!!!\n");
    return 0;
}

在linux系统中，我们用GCC编译器将源程序文件helloworld.c编译成可执行目标文件helloworld。

zengwh@zengwh:~/test_code$ gcc helloworld.c -o hello
zengwh@zengwh:~/test_code$ ./hello
hello world!!!

这个过程经过四个阶段，分别是预处理阶段，编译阶段，汇编阶段和链接阶段。执行这个四个阶段的程序分别是预处理器，编译器，汇编器和链接器，一起构成了编译系统。

• 预处理阶段：预处理器（cpp）根据‘#’包含的头文件，将头文件的内容加进源程序中。得到新的程序文件文本，以“.i”为文件扩展名。比如说helloworld程序包含stdio.h头文件，这个阶段将这个头文件的内容插进源程序中
• 编译阶段：编译器（ccl）将文本文件hello.i翻译成汇编程序hello.S。也就是将高级语言翻译成汇编代码，低级的机器语言指令。
• 汇编阶段：汇编器（as）将汇编程序hello.S翻译成机器指令，将这些指令打包成可重定位目标程序的格式，并把结果保存在hello.o文件中，hello.o是个二进制文件。
• 链接阶段：链接器（ld）将会把一个工程中所有的.o文件链接合并成一个可执行目标文件，可以被加载在内存中，由系统运行。

系统硬件组成

高速缓存（Caches）

高速缓存用来存放处理器近期可能需要的信息，用来加快程序在CPU的运行，下图是一个典型系统中的高速缓存存储器。

位于处理器芯片上的L1高速缓存访问速度跟访问寄存器的速度几乎一样快，L2高速缓存通过一条特殊的总线连接到CPU，访问速度比L1慢5倍左右，但比访问主存要快5-10倍。更新的系统还会有L3高速缓存，他们都是用一种SRAM的硬件技术实现的。这样，系统就可以获得很大的一块存储器，而且访问速度也很快。
程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势。通过将可能经常访问的数据保存在高速缓存中的方法，大部分的存储器操作都将在快速的高速缓存中完成，程序性能大大提升。

操作系统管理硬件

在处理器中，指令集结构是对实际处理器硬件的抽象，在操作系统中，文件是对I/O的抽象，虚拟存储器是对程序存储器的抽象，进程是对一个正在运行的程序的抽象，虚拟机则是对整个计算机（包括操作系统，处理器和程序）的抽象

进程

进程是操作系统中对一个正在运行的程序的一个抽象。一个系统可以同时运行多个进程程序，而每个进程都好像独占使用硬件。并发运行则是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错运行的。

线程

一个进程可以由多个线程组成，每个线程运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。

虚拟存储器

虚拟存储器是一个抽象概念，为每个进程提供一个假象，即每个进程好像在独占使用主存。每个进程看到的是一致的存储器，即是虚拟地址空间。图中的地址是从下往上增大。

• 程序代码和数据：对所有进程来说，代码都是从同一固定地址开始，接着就是全局变量对应的数据位置。代码和数据区一开始运行就已经规定大小。
• 堆：堆可以运行的时候动态地扩展和收缩，比如调用malloc或free函数的时候。
• 共享库：大约在地址中间，用来存放像C标准库或数学库这样共享的代码和数据区域。
• 栈：位于用户虚拟地址空间顶部的是栈，编译器同它来实现函数调用。和堆一样，在程序运行期间可以动态地扩展和收缩。每调用函数，栈增长，函数返回，栈收缩。
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