CSAPP学习笔记 - 计算机的概览
前言
这是CSAPP个人专栏的开篇。
这本书应该不需要我过多介绍了，看这本书个人依赖了视频和书本对照学习，学习的进度很慢也比较痛苦，不知道多久可以更一期，做这个系列也算是鼓励自己加油学习。
个人感想
文科生看到这书头痛到爆炸，很多公式压根看不懂，只能反复看去背了（天知道为什么大学会跑去选个计算机的专业）。
CSAPP介绍
按照个人学习的讲述人说的话就是：这本书讲述的并不深入，但是可以告诉你了解计算机的所有重点内容
概述：
- 了解一个HelloWorld在计算机的底层经历了什么事情
- 一个计算机包含了那些基本内容。
- 一个Hello world的C程序在计算机系统的运行顺序是怎样的。
- 操作系统和IO设备，操作系统的执行周期。
一个Hello world 程序的生命周期
首先，我们从基础入手，看看一个Helloworld 程序在计算机的底层经历了哪些事情？
-
预处理：将头文件加入到程序当中形成文件引用，并且生成hello.i文件
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编译：把预处理的hello.i文件经过程序代码语言的优化和细节处理，经过编译之后，形成计算机翻译生成编译后文件 hello.s 文件
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汇编：将编译处理的文件通过机器码指令翻译为机器能识别的汇编指令，生产 hello.o文件
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链接：需要将多个文件内容进行合并，比如把hello.o文件和机器汇编printf.o 件合并，生成最终需要的hello 程序
为什么要理解编译系统是如何工作的，我们用工具调试不香么？
- 优化程序性能
- 理解链接这一步骤的异常（全局和局部变量是什么）
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避免安全漏洞（了解堆栈原理和缓冲器的错误）
看这本书还可以帮助我们了解下面的内容
- Switch 为什么有时候要替换为if/else？
- 函数调用开销有多大？
- for和while那个更快？
CPU的逻辑结构：
PC(程序计数器)：存储着下一条寄存器指令的地址，大小为一个4**字节**的存储区域，实际上为一个指针。（32位4个字节，64位为8个字节）（program count）
程序计数器注意事项：
- 计算机中提供要从存储器中取出的下一个指令地址的寄存器
- PC每次自增都是固定的字长
- PC自增是PC+取出指令的长度
- 一个字节占8位，一个字占16位
- 两个指令的位置不一定相邻
寄存器：通常为用于程序计算的一小块高速缓存，寄存器的容量比较小。临时存放数据的空间
ALU：负责将寄存器传递的值进行计算操作。
总线：贯穿整个计算机系统的核心设备，负责将数据到各个硬件进行固定的字节数据传输。
内存：负责将处理器的内容进行计算或者处理
输入输出设备：输入输出设备表示计算机系统和外部设备的接入操作
一个Hello world 程序在计算机系统的运行顺序
下面这个图是方便自己理解画的，画的很丑，可以去网上找很多画的好看，画的好看的个人不太能理解（HHH）
上面这个图的运转顺序如下：
- 首先，我们的程序从硬盘读入，通过硬盘的IO控制器通过DMA的形式直接进入到主内存。（<font color='red'>红线</font>）
摘自百科：“DMA，全称为：Direct Memory Access，直接存储器访问，是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载。”
- 接着程序通过主内存和IO连接器进入到寄存器中进行计算的操作，这时候有可能会使用ALU，只不过图中没有画出来。
- 寄存器计算完成之后，输出到显示控制器，显示我们程序的计算结果。（<font color='orange'>橙线</font>）
当然这个图也相当的简单，但是能总体概括一个程序的生命流程。
从上面的步骤可以看到，一个程序的基本步骤就是一个输入到输出的过程，这个过程称为一个环。
操作系统是如何抽象IO设备，内存和处理器的?
在下面的图例所示当中，我们来看下我们通常理解的文件，内存和处理器这三个核心组成部分在操作系统中是如何抽象的：
- 每一个文件就是对于IO设备的抽象
- 虚拟内存是对内存和IO设备的抽象
- 进程：则是对处理器，虚拟内存和IO设备的抽象
什么是操作系统？它和应用程序以及硬件的关系？
操作系统其实就是应用程序和硬件之间的一座桥梁，负责抽象硬件层负责的操作逻辑，同时对于应用程序提供保护。
操作系统将整个硬件划分为 IO设备，虚拟内存和进程这三个非常重要的抽象。
操作系统中一个进程的执行周期：
- 当系统进程运行的时候，shell进程通过系统调用的形式，构建一个Hello进程。
- 此时shell保存当前进程的上下文，同时进入Hello进程，也产生一份新的hello上下文。
- 将控制权交给Hello进程，此时shell进行等待状态
- hello进程执行完毕，返回结果给shell进程。shell进程回到系统进程等待下一个命令。
这里有一个思考题：shell的实现机制是如何实现了，如何实现类似shell等待的程序？
Linux：一切皆是文件如何理解？
上文提到了一个程序其实就是一次输入/输出的过程。
文件是对IO设备的抽象，也是进程以及虚拟内存的基础单元和结构组成，所以一切皆文件意味着内存中操作的所有数据都可以看做一个io的输入和输出，输入数据，输出结构，这也意味着文件作为操作系统的基础单元的重要地位。
网络设备是如何通过网络运行一个Hello world程序？
- 用户使用键盘输入一个执行hello程序的命令
- 客户端发送一个执行“hello”的指令到远程服务器的的shell
- 远程服务器的shell收到指令， 执行hello程序
- 远程服务器执行HELLO程序
- 远程服务器HELLO程序的返回结果回送到客户端
系统加速：阿姆达定律
核心：假设程序划分为两部分：不可并行部分和可并行部分。
解释：
假设一个磁盘中的程序加载到内存中，扫描目录并且进行创建文件。扫描目录和创建文件列表的部分不能并行化，但处理文件可以并行。
那么根据上面的说明，我们可以定义下面的变量：
- T = 串行执行的总时间
- B = 不可以并行的总时间
- T- B = 并行部分的总时间
从公式来看，T-B这部分时间是真正可以并行并且通过提高CPU或者线程性能的优化时间。当多个CPU和线程执行并行部分的时候计算公式为：
T(N) = B + (T - B) / N（N为处理器或者CPU数量）
这里我们不需要记住复杂的公式，我们只需要知道这个阿姆达定理了解到，要优化一个程序的性能，性能的提升远不如我们想象中的那么多，软硬件以及设备IO，内存等每一项都有可能影响程序的性能，同时单项性能优化效果可能并不显著，在进行优化的时候也需要根据实际情况多方位的考虑。
更多的参考资料
英文原版网站： http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/amdahls-law.html
中文介绍：http://ifeve.com/amdahls-law/
另外，阿姆达定律提供了下面的优化方式细节：
- 线程级并发（超线程技术）
- 指令集并行（流水线技术）
- 单指令多数据并行
- 超线程技术
总结：
以上是CSAPP第一章节的内容重点，其实大部分内容是跟着视频讲解边学边做的笔记，个人对于这种理工的东西实在是很难对付。
最后第一章节的内容十分简单和基础，但是到了后续难度就逐渐上来了。
写在最后
系列开篇，感谢各位观看，如果觉得有所帮助求点赞支持一下！
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发表于 2021-8-2 08:04
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发表于 2021-8-2 14:01
