CSAPP要点总结 第1章 计算机系统漫谈
前言
本来想一次把《Effective C++》系列做完的，但是在关于异常处理部分，搜索相关资料，发现我如果能掌握汇编知识就更容易理解了，包括C++语言本身，如果学习汇编相关，因此，虽然现在时间紧迫，还是先把CSAPP啃完吧。
CSAPP为CMU的教材，其地位和价值毋庸置疑，英文有第三版，中文目前是第二版
资源：
| 书中插图 | 书中源码 | 书中实验练习 |
实验练习包括：
- 数据试验
- 二进制炸弹试验
- 缓冲区溢出试验
- 体系结构试验
- 性能试验
- 外壳试验
- malloc试验
- 代理试验
程序的生命周期，从源码到可执行文件
对于$ gcc -o hello hello.c而言，从文本格式（ASCII）的源文件转换为机器码的目标文件。
该过程分为四个步骤：
hello.c hello.i hello.s hello.o hello
------>[预处理器]----->[编译器]------->[汇编器]-------->[链接器]------>
(cpp) (ccl) (as) (ld)
其中:
hello.c: 源代码
预处理阶段
hello.i: 经过预处理后的源代码，依然是文本格式。
编译阶段：生成通用的汇编语言
hello.s: 汇编程序，依然是文本格式
汇编阶段：汇编器将hello.s翻译成机器语言指令，将其打包为可重定位目标程序（relocation object program）
hello.o: 目标程序，二进制格式
链接阶段：
hello : 最终的可执行程序。
系统硬件组成
1. 总线
传输数据用，传送固定长度的字节（byte）块，称之为字（word），通常是4字节或者8字节。总线每次只传送1个word。
2. I/O 设备
输入设备和输出设备，键盘、鼠标、硬盘等。每个I/O设备通过一个控制器或者适配器与I/O总线相连。 控制器通常位于I/O设备本身或者印刷电路板上的芯片组。 适配器则是插在主板上的卡（例如显卡）
3. 主存
主存是由一组动态随机存取存储器(DRAM)芯片组成，逻辑上DRAM是线性的字节数组，每个字节拥有唯一的地址（数组索引），地址从零开始。
需要说明的是，通常机器指令都有不同数量的字节byte构成，例如，对于运行在Linux的IA32机器上的C程序，short需要2字节，int、float、和long需要4字节，double需要8字节。
4. 处理器
中央处理器CPU的核心是一个word字长的存储设备（或寄存器），称为程序计数器（PC）。任何时候PC都指向主存中某条机器指令（即内含机器指令的地址）。
执行过程是：CPU从PC所指向的程序那里读取指令，解释指令上的位，执行该指令的简单操作，更新PC执行下一条指令（不一定在物理内存中相连）。
指令围绕主存、寄存器文件（register file）和算术/逻辑单元（ALU）进行。
寄存器文件: 小的存储设备，有一些1字长的寄存器组成（注意，一个寄存器1字长，多个寄存器构成寄存器文件），每个寄存器都有唯一的名字。
例如以下简单操作：
加载：把一个byte或一个word从主存复制到寄存器，覆盖寄存器原有内容。 存储：把一个byte或一个word从寄存器复制到主存的某个位置，覆盖主存原有内容。 操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个word（注意是word）作算术操作，结果存放到一个寄存器，覆盖其原有内容。 跳转：从指令本身抽取一个word，将这个word复制到程序计算器（PC）中，以覆盖PC原来的值。
补充：1个word字长通常是32位或者64位，程序计数器PC就是用来指位置的。
以上的简单操作只是示意性的，实际过程现代处理器使用非常复杂的机制优化加速。
hello的执行过程
我们首先在键盘上输入：$ ./hello, shell会检测我们的输入，将其存于内存并显示在屏幕上，当输入回车符时，shell知道我们结束命令输入。
其后shell执行一系列指令加载可执行文件hello，将hello中的代码和数据从磁盘复制到内存。（利用DMA，直接存储器存取技术，可以不经过CPU直接将数据从磁盘经过I/O桥到内存）
当文件hello的代码和数据完全加载到主存后，处理器开始执行hello程序的main程序的机器指令。指令将”hello，world\n”字符串中的字节byte从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件复制到显示设备。
高速缓存至关重要
以上过程揭示了一个问题，就是系统花费大量时间将信息从一个地方挪到另一个地方。因此，系统设计的一个目标是使这些复制操作尽快完成。
又由于对于存储设备，储量越大，越慢且造价越便宜，例如硬盘。 储量越小，越快、造价越贵，例如寄存器。
基于以上两点，考虑一个存储器层级结构金字塔： 上一级作为下一级的高速缓存。
大致结构是：
寄存器 <- L1缓存 <- L2缓存 <- L3缓存 <- 内存 <- 磁盘 <- 远程存储
高速缓存的位置如下图所示
操作系统管理硬件
操作系统作用有二，一是防止应用程序恶意破环，而是在应用与各种硬件之间建立统一的桥梁。
操作系统有几个基本的抽象概念： 进程，虚拟存储器，文件。
文件： 1. I/O设备 的抽象 虚拟存储器：1. I/O设备 2. 主存 的抽象 进程： 1. I/O设备 2. 主存 3. 处理器 的抽象
进程
进程是操作系统对一个正在运行的程序的抽象，一个系统上可以同时运行多个进程，但好像每个进程能独占地使用硬件。
CPU看上去再并发执行多个进程，实际上进程数通常多于CPU核心数，因此，这只是假象，这依靠上下文切换来实现。
操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息，这就是上下文。当操作系统决定把控制权从当前进程转移给某个新进程，就会进行上下文切换。
线程
尽管通常我们认为一个进程只有一个控制流，但现代操作系统中，一个进程实际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，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，给进程提供一种独占内存的假象。
每个进程看到的是一致的存储器，称为虚拟地址空间。
每个进程看到的虚拟地址空间都准确划分为不同区域：
程序代码和数据
程序代码以及静态的数据，分为 [1. 只读代码和数据] [2. 可读写数据]
堆
用于 [3. 运行时动态分配的数据]，malloc free等的数据
共享库
[4. 共享库] 例如存放C标准库和数学库的代码和数据区域
栈
[5 用户栈] 用于实现函数调用，位于用户虚拟地址空间顶部（上面就是用户代码不可见的区域了，包括操作系统的代码和数据）
内核虚拟存储器
[6 内核虚拟存储器] 内核总是驻留在内存中，是操作系统的一部分，位于地址空间顶部。不允许应用程序读写。
文件
文件就是字节序列，仅此而已。每个I/O设备都可看做是文件。包括磁盘、键盘、显示器、网络等。
为应用程序提供统一的视角看待不同I/O设备。
系统之间利用网络通信
略
重要主题
并发和并行
并发（concurrency）指一个同时具有多个活动的系统。例如同时运行两个程序。
并行（parallelism）指用并发来使得一个系统运行得更快。
并行可以在计算机系统不同抽象层次上运用，主要包括：
1. 线程级并发
在较高层级抽象上，现代处理器允许一个进程有多个线程同时运行。
什么是超线程
使用线程，可以在一个进程中执行多个控制流。即超线程（hyperthreading）或者说同时多线程。它涉及某些硬件有多个备份。例如备份PC和register file，而其他硬件部分只有一份，比如执行浮点计算的单元。超线程处理器在单个时钟周期基础上决定执行哪个线程，这使得CPU更好地利用资源。
意识就是说，我现在有两个任务排队需要电脑，但是只有一个电脑（指的是ALU，例如浮点计算）。那么超线程就决定那个任务可以用“电脑”。发现一个任务此时还没准备好，那么就执行另一个。这样时间就节省了，更好地利用了CPU资源。
每个任务管理员(PC)不同，所以需要多个PC（程序计数器） 每个任务都要保持自己的临时数据，因此也需要多个register file） 但是“电脑”（ALU）可以通用。
2. 指令级并行
在较低层级抽象上，现代处理器可以同时执行多条指令
通过流水线（pipeling）技术，现代处理器每次输入多条指令，像流水线一样，将每条指令组织成不同子步骤。
打个比方，假设要炒一盘菜需要1个小时，但发现炒每盘菜都要先洗菜，那么把洗菜步骤单独拿出来，放好几个盆，几个菜放在各个盆子里一起洗，洗完再进入下一个步骤，这样分配到每个菜上的时间就省下来了，也就小于1小时。处理器使用非常聪明的技巧同时处理多达100条的指令
本来每条指令大约要20，甚至更多时钟周期，通过流水线的精心设计，实际分配到每条指令可能半个时钟周期。如果一个指令比时钟周期还快，成为超标量（superscaler）处理器。
3. 单指令、多数据并行SIMD
在最低层次上，现代处理器拥有特殊的硬件，允许一条指令产生多个可并行执行的操作。这种方式成为单指令、多数据流SIMD并行。例如。较新的Intel或AMD可以同时对4个float做加法运算。
个人理解，貌似就是ALU单元比较大，同时处理了4个32位，也就是128bit的数据。
如何实现？ 有些编译器试图从C程序中抽取SIMD并行。但更可靠的方法是使用编译器支持的特殊向量数据类型来写程序(这样即使编译器不能自动SIMD并行也有效)。