CSAPP_第一章：计算机系统漫游读书笔记

一、信息的本质：位 + 上下文

计算机系统中的所有信息都以0和1的位序列形式存在，这些信息可以是代码、数据或网络数据包等。它们的区别取决于具体的使用场景（上下文）。例如，0xCC在代码中能够代表int 3指令，而在hello.c的ASCII文本中，字节值35则对应着字符#。这就说明一个问题，程序的可读性是给人看的，计算机只认位序列。这也解释了日常遇到的乱码文件，本质来讲是上下文错误。

二、​​程序的生命周期：编译系统四阶段​

从hello.c源文件到可执行文件，需要经历四个阶段：

• cpp处理#include等指令替换为实际内容，生成.i文件。比如，#include <stdio.h>会插入标准输入输出库的代码。
• cc1将高级代码转为汇编语言（如hello.s），此时已经接近机器语言，但是仍然为文本格式。
• as将汇编指令转为二进制目标代码，生成.o文件。此时机器已经识别了这些指令，但是还需要链接外部的依赖。
• ld将hello.o与printf.o等库文件合并，生成最终的可执行文件。
  

三、硬件协作：程序如何运行

​当执行./hello时，硬件和OS步骤如下：

• 输入命令：键盘输入./hello，字符先存入寄存器，再写入内存。
• 加载程序：通过DMA技术，hello的代码和数据从磁盘直接复制到主存，无需CPU参与。
• 执行指令：CPU从主存读取并执行命令，将"hello, world\n"从内存复制到寄存器，在输出到显示器。
  

四、高速缓存与存储层次​

处理器速度远超过主存的速度，这也就是引出了Cache技术。

• ​​L1/L2/L3缓存​​：SRAM实现，容量递增，速度递减
• 局部性原理：程序倾向于访问临近数据，缓存会预取相邻的数据块，提前加载潜在的内容。
  
  存储层次如下所示：
  

五、操作系统抽象

• 进程：程序运行的隔离环境（如hello与shell并发），上下文切换由OS的内核决定：
  
• 线程：进程内的独立执行单元，运行在进程上下文中，与同进程的其他线程共享代码、全局数据、堆内存、文件描述符等资源；但每个线程有自己的寄存器、栈空间、局部变量（线程私有数据）
• 虚拟内存：每个进程都可以看到连续内存空间，实际是磁盘与主存的结合体。内存布局从低到高依次为：代码段、数据段、堆、共享库、栈。其进程的内存布局如下所示：
  
• 文件：对于I/O设备的抽象，让磁盘、键盘、网络等都能用统一的读写接口操作。

六、Amdahl定律

• 该定律表明系统提升的上限，由不可优化的部分决定。

七、并发与并行

• 并发：多个任务交替执行（如单CPU上的多进程切换）。
• 并行：多个任务同时执行（如多核CPU上的多线程）。

系统在三个层次支持并行：

• 线程级并行：多线程共享进程资源，比多进程更高效。
• 指令级并行：现代CPU能同时执行多条指令（超标量处理器）。
• SIMD 并行：单条指令处理多个数据，适合图像、视频等场景。