1、信息就是位+上下文

//hello.c
#include <stdio.h>

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

hello 程序的生命周期是从一个源程序（或者说源文件）开始的。源程序实际上就是一个由值0和1组成的位（bit）序列，8个位被组织成一组，称为字节。每个字节表示程序中某个文本字符。

大部分的现代系统都使用ASCII标准来表示文本字符，这种方式实际上就是用一个唯一的单字节大小的整数值来表示每个字符。

如下图给出了 hello.c 程序的 ASCII 码表示。

hello.c 程序以字节序列的方式存储在文件中。每个字节都有一个整数值，而该整数值对应于某个字符。例如，第一个字节的整数值是35，它对应的就是字符 ‘#’；第二个字节整数值为105，它对应的字符是 ‘i’，依次类推。注意，每个文本行都是以一个不可见的换行符 ‘\n’ 来结束的，它所对应的整数值为10。像 hello.c 这样只由 ASCII 字符构成的文件称为 文本文件，所有其他文件都称为 二进制文件。

hello.c 的表示方法说明了一个基本的思想：系统中所有的信息——包括磁盘文件、存储器中的程序、存储器中存放的用户数据以及网络上传送的数据，都是由一串位表示的。区分不同数据对象的唯一方法是我们读到这些数据对象时的上下文。比如，在不同的上下文中，一个同样的字节序列可能表示一个整数、浮点数、字符串或者机器指令。

2、程序被其他程序翻译成不同的格式

hello.c程序的生命周期是从一个高级C语言程序开始的，因为这种形式能够被人读懂。然而，为了在系统上运行 hello.c程序，每条C语句都必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令。然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。目标程序也称为可执行目标文件。

在Unix系统上，从源文件到目标文件的转化是由编译器驱动程序完成的：

gcc -o hello hello.c

在这里，GCC编译器驱动程序读取源程序文件 hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件 hello。这个翻译的过程可分为四个阶段完成，如下图所示。执行这四个阶段的程序（预处理器、编译器、汇编器和链接器）一起构成了编译系统（compilation system）。

• 预处理阶段。

预处理器（cpp）根据以字符 # 开头的命令，修改原始的C程序。如hello.c中第一行的 #include <stdio.h> 指令告诉预处理器读取系统头文件 stdio.h的内容，并把它直接插入到程序文本中取。结果就得到了另一个C程序，通常是以 .i 作为文件扩展名。【宏替换】

• 编译阶段。

编译器（cc1）将文本文件 hello.i 翻译成文本文件 hello.s，它包含一个汇编语言程序。汇编语言程序中的每条语句都以一种标准的文本格式确切地描述了一条低级机器语言指令。汇编语言为不同高级语言的不同编译器提供了通用的输出语言。例如，C编译器和Fortran编译器产生的输出文件用的都是一样的汇编语言。

• 汇编阶段。

汇编器（as）将 hello.s 翻译成机器语言指令，把这些指令打包成为一种叫做可重定位（relocatable）目标程序的格式，并将结果保存在目标文件 hello.o 中。hello.o 文件是一个二进制文件，它的字节编码是机器语言指令而不是字符。如果在文本编辑器中打开 hello.o 文件，呈现的将是一堆乱码。

• 链接阶段。

请注意，hello 程序调用了 printf 函数，它是标准 C 库总的一个函数，每个 C 编译器都提供。printf 函数存在于一个名为 printf.o 的单独的预编译目标文件中，而这个文件必须以某种方式并入到 hello.o 程序中。链接器（ld）就负责处理这种并入，结果就得到 hello 文件，它是一个可执行目标文件（或者简称为可执行文件）。可执行文件加载到存储器后，由系统负责执行。

3、了解编译系统如何工作的益处

类似helo.c 这样简单的程序，可以依靠编译系统生成正确有效的机器代码。但是，有一些重要的原因促使程序员必须知道编译系统是如何工作的。

• 优化程序性能。

为了在C程序中做出好的代码选择，确实需要对汇编语言以及编译器如何将不同的C语句转化为汇编语言有一些基本的了解。比如，一个 switch 语句是不是总是比一系列的 if-then-else 语句高效得多？一个函数的调用代价有多大？while 循环比 do 循环更有效吗？指针引用比数组索引更有效吗？相对于用通过引用传递过来的参数求和，为什么用本地变量求和的循环，其运行就会快得多呢？为何说呢么两个功能相近的循环的运行时间会有很大差异？

• 理解链接时出现的错误。

根据经验，一些最令人困扰的程序错误往往都与链接器操作有关，尤其是当你试图建立大型的软件系统时。比如，链接器报告说它无法解析一个引用，这是什么意思？静态变量和全局变量的区别是什么？如果你在不同的C文件中定义了名字相同的两个全局变量会发生什么？静态库和动态库的区别是什么？为什么在命令行上排列库的顺序是有影响的？最为烦人的是，为什么有些链接错误直到运行时才出现？

• 避免安全漏洞。

近年来，缓冲区溢出错误造成了大多数网络和Internet服务器上的安全漏洞。这些错误的存在是因为太多的程序员忽视了编译器用来为函数产生代码的堆栈规则。

4、处理器读并解释储存在存储器中的指令

此时，hello.c 源程序已经被编译系统转换成了可执行目标文件 hello.o，并被存放在磁盘上。

为了在Unix系统上运行可执行文件，将它的文件名输入到称为 shell 的应用程序中：

unix> ./hello
hello, world
unix>

shell是一种命令行解释器，它输出一个提示符，等待你输入一行命令，然后执行这个命令。如果该命令行的第一个单词不是一个内置的shell命令，那么shell就会假设这是一个可执行文件的名字，要加载和执行该文件。 所以，在此例中，shell 将加载和执行 hello 程序，然后等待程序终止。hello 程序在屏幕上输出它的信息，然后终止。shell随后输出一个提示符，等待下一个输入的命令行。

4.1 系统的硬件组成

该图是 Intel Pentium 系统产品族的模型，但是所有其他系统也有相同的外观和特性。

• 总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数，各个系统中也不尽相同。比如，Intel Pentium 系统的字长为 4 字节，而服务器类的系统，例如 Intel Itaniums 和 高端的 Sun 公司的 SPARCS 的字长为 8 字节。用于汽车和工业中的嵌入式控制器之类较小的系统的字长往往只有 1 或 2 字节。为了便于描述，假设字长为 4 字节，并且假设总线一次只传 1 个字。

• I/O 设备

I/O（输入/输出）设备是系统与外界的联系通道。示例系统包括四个 I/O 设备：作为用户输入的键盘和鼠标，作为用户输出的显示器，以及用于长期存储数据和程序的磁盘驱动器（简单地说就是磁盘）。最开始，可执行程序 hello 就放在磁盘上。

每个I/O设备都是通过一个 控制器 或 适配器 与 I/O 总线连接起来的。控制器和适配器之间的区别主要在于它们的组成方式。控制器是 I/O 设备本身中或是系统的主印制电路板（通常被称作主板）上的芯片组，而适配器则是一块插在主板插槽上的卡。无论如何，它们的功能都是在 I/O 总线和 I/O 设备之间传递信息。

• 主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，它被用来存放程序和程序处理的数据。

物理上来说，主存是由一组 DRAM（动态随机存取存储器）芯片组成的。

逻辑上来说，存储器是由一个线性的字节数组组成的，每个字节都有自己唯一的地址（数组索引），这些地址是从零开始的。

一般来说，组成程序的每条机器指令都由不定量的字节构成。与C程序变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的。如，运行在 Linux 的 Intel 机器上，short 类型的数据需要 2 字节，int、float 和 long 类型则需要 4 字节，而 double 类型需要 8 字节。

• 处理器

中央处理单元（CPU）简称处理器，是解释（或执行）存储在主存中指令的引擎。

处理器的核心是一个被称为程序计数器（PC）的字长大小的存储设备（或寄存器）。在任何一个时间点上，PC 都指向主存中的某条机器语言指令（内含其地址）。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不假思索地重复执行相同的基本任务：从程序计数器（PC）指向的存储器处读取指令，解释指令中的位，执行指令指示的简单操作，然后更新程序计数器指向下一条指令，而这条指令并不一定在存储器中和刚刚执行的指令相邻。

这样的简单操作的数目并不多，它们在主存、寄存器文件（register file）和算术逻辑单元（ALU）之间循环。寄存器文件是一个小的存储设备，由一些字长大小的寄存器组成，这些寄存器每个都有唯一的名字。ALU 计算新的数据和地址值。

如下是一些简单操作的例子，CPU在指令的要求下可能会执行这些操作。

• 加载：从主存拷贝一个字节或者一个字到寄存器，覆盖寄存器原来的内容。
• 存储：从寄存器拷贝一个字节或者一个字到主存的某个位置，覆盖这个位置上原来的内容。
• 更新：拷贝两个寄存器的内容到 ALU，ALU将两个字相加，并将结果存放到一个寄存器中，覆盖该寄存器中原来的内容。
• I/O读：从一个 I/O 设备中拷贝一个字节或者一个字到一个寄存器。
• I/O写：从一个寄存器中拷贝一个字节或者一个字到一个 I/O 设备。
• 转移：从指令本身中抽取一个字，并将这个字拷贝到程序计数器（PC）中，覆盖 PC 中原来的值。

4.2 执行 hello 程序

首先，shell 程序执行它的指令，等待我们输入命令。当在键盘上输入字符串 “./hello” 后，shell 程序就逐一读取字符到寄存器，再把它们放到存储器中，如下图所示：

当在键盘上敲回车键时，shell 就知道我们已经结束了命令的输入。

然后shell 执行一系列指令，这些指令将 hello 目标文件中的代码和数据从磁盘拷贝到主存，从而加载 hello 文件。数据包括最终会被输出的字符串 “hello，world\n”。

利用称为 DMA（直接存储器存取）的技术，数据可以不通过处理器直接从磁盘到达主存。这个步骤如下图所示：

一旦 hello 目标文件中的代码和数据被加载到了存储器，处理器就开始执行 hello 程序的主程序中的机器语言指令。这些指令将 “hello，world\n” 串中的字节从存储器中拷贝到寄存器文件，再从寄存器中文件拷贝到显示设备，最终显示在屏幕上。这个步骤如下图所示：

5、高速缓存

通过该示例可了解到系统花费了大量的时间把一个信息从以地方挪到另一个地方。

hello 程序的机器指令最初始存放在磁盘上的。当程序加载时，它们被拷贝到主存。当处理器运行程序时，指令又从主存拷贝到处理器。相似地，数据串“hello world\n” 开始时在磁盘上，再被拷贝到主存 ，然后从主存上拷贝到显示设备。

从程序员的角度来看，大量的拷贝减慢了程序的实际工作。因此，系统设计者的一个主要目标就是使这些拷贝操作尽可能的快。

根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备的造价远高于低速同类设备。比如说，一个典型系统上的磁盘驱动器可能比主存大 100 倍，但是对处理器而言，从磁盘驱动器上读取一个字的时间开销要比从主存中读取的开销大 1000 万倍。

类似地，一个典型的寄存器文件只存储几百字节的信息，与此相反，主存里可存放几百万字节。然而，处理器从寄存器文件中读数据比从主存中读取要快几乎 100 倍。更麻烦的是，随着这些年半导体技术的进步，这种处理器与主存之间的差距还在持续增大。加快处理器的运行速度比加快主存的处理速度要容易和便宜得多。

针对这种处理器与主存之间的差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为高速缓存存储器（cache memories，简称高速缓存），它们被用来作为暂时的集结区域，存放处理器在不久的将来可能会需要的信息。下图展示了一个典型系统中的高度缓存存储器。

位于处理器芯片上的 L1高速缓存 的容量可以达到数万字节，访问速度几乎和访问寄存器文件一样快。一个容量为数十万到百万的更大的L2高速缓存是通过一条特殊的总线连接到处理器的。进程访问 L2 的时间开销要比访问 L1 的开销大 5 倍，但是这仍然比访问主存的时间快5 ~ 10 倍。L1 和 L2 高速缓存是用一种叫做 静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。

6、形成层次结构的存储设备

在处理器和一个较大较慢的设备（例如主存）之间插入一个更小、更快的存储设备（如高速缓存存储器）的想法成为一个普遍的观念。实际上，每个计算机系统中的存储设备都被组织成一个存储器层次模型，如下图所示：

在这个层次模型中，从上至下，设备变得更慢、更大，并且每字节的造价也更便宜。寄存器文件在层次模型中位于最顶部，也就是第 0 级或记为 L0。L1高速缓存处在第一层（所以称为 L1），L2 高速缓存占据第二层，主存在第三层，以此类推。

存储器分层结构的主要思想是一个层次上的存储器作为下一层次上的存储器的高速缓存。因此，寄存器文件就是 L1 的高速缓存，而 L1 又是 L2 的高速缓存，L2 是主存的高速缓存，主存是磁盘的高速缓存。在某些带分布式文件系统的网络中，本地磁盘就是其他系统中磁盘上被存储数据的高速缓存。

7、操作系统管理硬件

回到 hello 程序的例子。当 shell 加载和运行 hello 程序时，当 hello 程序输出自己的消息时，程序没有直接访问键盘、显示器、磁盘或主存储器。取而代之的是，它们依靠操作系统提供的服务。

可以把操作系统看成是应用程序和硬件之间插入的一层软件，如下图所示：

所有应用程序对硬件的操作尝试都必须通过操作系统。

操作系统有两个基本功能：防止硬件被失控的应用程序滥用；在控制复杂而又通常广泛不同低级硬件设备方面，为应用程序提供简单一致的方法。

操作系统通过下图中显示的几个基本的抽象概念（进程、虚拟存储器和文件）实现这两个功能。文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟存储器是对主存和 I/O 设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和 I/O 设备的抽象表示。

7.1 进程

像 hello 这样的程序在现代系统上运行时，操作系统会提供一种假象，好像系统上只有这个程序在运行。程序看上去是独占地使用处理器、主存和 I/O 设备，而处理器看上去就像不间断地一条接一条地执行程序中的指令。该程序的代码和数据就好像是系统存储器中唯一的对象。这些假象是通过进程的概念来实现的，进程是计算机科学中最重要和最成功的概念之一。

进程 是操作系统对运行程序的一种抽象。在一个系统上可同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件。我们称之为并发执行，实际上是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换（context switching）。

操作系统保存进程运行所需的所有状态信息。这种状态，也就是上下文（context），包括许多信息，比如PC 和 寄存器文件的当前值，以及主存的内容。在任何一个时刻，系统上都只有一个进程正在运行。当操作系统决定从当前进程转移控制权到某个新进程时，它就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文、恢复新进程的上下文，然后将控制权转移到新进程。新进程就会从它上次停止的地方开始。下图展示了 hello 运行的基本场景。

示例场景中有两个同时运行的进程：shell 进程和 hello 进程。最开始，只有shell进程在运行，等待命令行上的输入。当我们让它运行 hello 程序时，shell 通过调用一个专门的函数，即 系统调用，来执行我们的请求，系统调用会将控制权传递给操作系统。操作系统保存shell进程的上下文，创建一个新的 hello 进程及其上下文，然后将控制权传给新的 hello 进程。在 hello 进程终止后，操作系统恢复shell进程的上下文，并将控制权传回给它，它会继续等待下一命令行输入。

7.2 线程

尽管通常我们认为一个进程只有单一的控制流，但是在现代操作系统中，一个进程实际上可以由多个称为线程的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。由于网络服务器中对并行处理的要求，线程成为越来越重要的编程模型，因为多线程之间比多进程之间更容易共享数据。

7.3 虚拟存储器

虚拟存储器是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，好像每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的存储器都是一致的，称之为虚拟地址空间。

下图所示的是 Linux 进程的虚拟地址空间（其他Unix系统的设计也与此类似）。

在 Linux 中，最上面的四分之一的地址空间是预留给操作系统中的代码和数据的，这对所有进程都一样。底部的四分之三的地址空间用来存放用户进程定义的代码和数据。请注意，图中的地址是从下往上增大的。

每个进程看到的虚拟地址空间由大量准确定义的区（area）构成，每个区都有专门的功能。先简单看看每个区，从最低的地址爱是，逐步向上研究是非常有益的。

• 程序代码和数据

代码是从同一固定地址开始，紧接着的是和 C 全局变量相对应的数据区。代码和数据区是由可执行目标文件直接初始化的，在示例中就是可执行文件 hello。

• 堆

代码和数据区后紧随着的是运行时堆。代码和数据区是在进程一旦开始运行时就被指定了大小的，与此不同，作为调用像 malloc 和 free 这样的 C 标准库函数的结果，堆可以在运行时动态地扩展和收缩。

• 共享库

在地址空间的中间附近是一块用来存放像 C 标准库和数学库这样 共享库 的代码和数据的区域。

• 栈

位于用户虚拟地址空间顶部的是栈，编译器用它实现函数调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。特别地，每次我们调用一个函数时，栈就会增长。每次我们从函数返回时，栈就会收缩。

• 内核虚拟存储器

内核是操作系统总是驻留在存储器中的部分。地址空间顶部的四分之一部分是为内核预留的。应用程序不允许读写这个区域的内容或直接调用内核代码定义的函数。

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虚拟存储器的运作需要硬件和操作系统软件间的精密复杂的互相合作，包括对处理器生成的每个地址的硬件翻译。基本思想是把一个进程虚拟存储器的内容存储在磁盘上，然后用主存作为磁盘的高速缓存。

7.4 文件

文件只不过就是字节序列。每个 I/O 设备，包括磁盘、键盘、显示器，甚至网络，都可以被看成是文件。系统中的所有输入输出都是通过使用称为 Unix I/O 的一小组系统函数调用读写文件来实现的。

文件使得应用程序能够统一地看待系统中可能含有的所有各式各样的 I/O 设备。例如，处理磁盘文件内容的应用程序员可以非常幸福地无需了解具体的磁盘技术。进一步说，同一个程序可以在使用不同磁盘技术的不同系统上运行。

8、利用网络系统和其他系统通信

现代系统经常是通过网络和其他系统连接到一起的。从一个单独的系统来看，网络可被视为又一个 I/O 设备，如下图所示：

当系统从主存拷贝一串字符到网络适配器时，数据流经过网络到达另一台机器，而不是到达本地磁盘驱动器。相似地，系统可以读取从其他机器发送来的数据，并把数据拷贝到自己的主存。

随着像 Internet 这样的全球网络的出现，从一台主机拷贝信息到另外一台主机已经成为计算机系统最重要的用途之一。比如，像电子邮件、即时消息发送、万维网、FTP 和 telnet 这样的应用都是基于通过网络拷贝信息的功能的。

回到 hello 示例，可以使用 telnet 应用在一个远程主机上运行 hello 程序。

假设用本地主机上的 telnet 客户端连接远程主机上的 telnet 服务器。在登录到远程主机并运行shell后，远端的 shell 就在等待接收输入的命令。从这点上看，在远端运行 hello 程序包括如下入所示的五个基本步骤：

当我们在 telnet 客户端键入 “hello” 串并敲下回车键后，客户端软件就会将这个字符串发送到 telnet 的服务器。在 telnet 服务器从网络上接收到这个串后，会把它传递给远端 shell 程序。接下来，远端 shell 运行 hello 程序，并将输出行返回给 telnet 服务器。最后，telnet 服务器通过网络把输出串转发给 telnet 客户端，客户端就将输出串输出到我们的本地终端上。

9、小结

计算机系统是由硬件和系统软件组成的，它们共同协作以运行应用程序。计算机内部的信息被表示为一组组的位，它们依据不同的上下文又有不同的解释方式。程序被其他程序翻译成不同的形式，开始时是 ASCII 文本，然后被编译器和链接器翻译成二级制可执行文件。

处理器读取并解释放在主存里的二进制指令。因为计算机花费了大量的时间在存储器、I/O 设备和 CPU 寄存器之间拷贝数据，所以系统中的存储设备就被按层次排列，CPU 寄存器在顶部，接着是多层的硬件高速缓存存储器、DRAM 主存储器和磁盘存储器。在层次模型中位于更高层的存储设备比低层的存储设备要快，单位比特造价也更高。

操作系统内核是应用程序和硬件之间的媒介。它提供三个基本的抽象概念：文件是对 I/O 设备的抽象概念；虚拟存储器是对主存和磁盘的抽象概念；进程是处理器、主存和I/O设备的抽象概念。

最后，网络提供了计算机系统之间通信的手段。从某个系统的角度来看，网络就是一种 I/O 设备。