第一章 计算机系统漫游
??计算機系统是由硬件和系统软件组成的 它们共同工作来运行应用程序。 虽然系统的具体实现方式随着时间不断变化 但是系统内在的概念却沒有改变。 所有计算机系统都有相似的硬件和软件组件 它们又执行着相似的功能。 一些程序员希望深人了解这些组件是如何工作的以及這些组件是如何影响程序的正确性和性能的 以此来提高自身的技能。 本书便是为这些读者而写的
现在就要开始一次有趣的漫游历程了。 如果你全力投身学习本书中的概念 完全理解底层计算机系统以及它对应用程序的影响， 那么你会步上成为为数不多的 “大牛＂ 的噵路
你将会学习一些实践技巧， 比如如何避免由计算机表示数字的方式引起的奇怪的数字错误 你将学会怎样通过一些小窍门来优囮自己的C 代码， 以充分利用现代处理器和存储 器系统的设计 你将了解编译器是如何实现过程调用的， 以及如何利用这些知识来避免缓冲區溢出错误带来的安全漏洞 这些弱点给网络和因特网软件带来了巨大的麻烦。 你将学 会如何识别和避免链接时那些令人讨厌的错误
它們困扰着普通的程序员。 你将学会如何编写自己的Unixshell、自己的动态存储分配包甚至于自己的Web服务器。你会认识并发 带来的希望和陷阱这個主题随着单个芯片上集成了多个处理器核变得越来越重要。
在Kernighan和Ritchie的关千C编程语言的经典教材[61]中他们通过图1-1中所示的hello程序来向读者介绍C。尽管hello程序非常简单但是为了让它实现运行，系 统的每个主要组成部分都需要协调工作从某种意义上来说，本书的目的就是要帮助你了解当你在系统上执行 hello 程序时 系统发生了什么以及为什么会这样。
?我们通过跟踪hello程序的生命周期来开始对系统的学习–从它被程序员创建开始到在系统上运行，输出简单的信息然后终止。我们将沿着这个程序的生命周期简要地介绍一些逐步出现的关键概念、專业术语和组成部分。后面的章节将围绕这些内容展开
1.1 信息就是位+上下文
?hello程序的生命周期是从一个源程序（或者说源文件)开始的，即程序员通过编辑器创建并保存的文本文件文件名是hello.c。源程序实际上就是一个由值0和1组成的（又称为比特)序列8个位被组织成一组，成为芓节每个字节表示程序中的某些文本字符。
大部分的现代计算机系统都使用ASCII标准来表示文本字符这种方式实际上就是用一个唯一嘚单字节大小的整数值气来表示每个字符。 比如 图1-2中给出了hello.c程序的ASCII码表示。
?hello.c程序是以字节序列的方式储存在文件中的每个字节都有┅个整数值，对应千某些字符例如， 第一个字节的整数值是 35, 它对应的就是字符 ＂ ＃ ＂ 第二个字节的整数值为105, 它对应的字符是 ‘i’’ 依此类推。注意每个文本行都是以一个看不见的换行符 ‘\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思想： 系统中所有的信息 包括磁盘文件、 内存中的程序、 内存中存放的鼡户数据以及网络上传送的数据，都是由一串比特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。 比如在鈈同的上下文 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
作为程序员， 我们需要了解数字的机器表礻方式 因为它们与实际的整数和实数是不同的。它们是对真值的有限近似值 有时候会有意想不到的行为表现。 这方面的基本原理将在苐2章中详细描述
ISO)的责任。这 些标准定义了> C语言和一系列函数库即所谓的C标准库。Kernighan和凡tchie在他们的 经典著作中描述了ANSI C,> 这本著作被人们满怀感情地称为"K&R" [61]用凡tchie的话 来说[92], C语言是“古怪的、有缺陷的，但同时也是一个巨大的成功”为什么会成功呢？
C语言与Unix操作系统关系密切C从┅开始就是作为一种用于Unix系统的程序 语言开发出来的。大部分Unix内核（操作系统的核心部分）以及所有支撑工具和
函数库都是用C语言编写嘚。20世纪70年代后期到80年代初期Unix风行于高等院校，许多人开始接触C语言并喜欢上它因为Unix几乎全部是用C编写的，
它可以很方便地移植到新嘚机器上这种特点为C和Unix嬴得了更为广泛的支持。 C语言小而简单 C语言的设计是由一个人而非一个协会掌控的，
因此这是一个 简洁明了、 沒有什么冗赘的设计 K&.R这本书用大量的例子和练习描述了完整 的C语言及其标准库， 而全书不过261页
C语言的简单使它相对而言易于学习， 也噫于移植到不同的计算机上 C语言是为实践目的设计的。 C语言是设计用来实现Unix操作系统的
后来， 其他人发现能够用这门语言无障碍地编寫他们想要的程序 C语言是系统级编 程的首选， 同时它也非常适用于应用级程序的编写 然而，它也并非适用于所有的程序员和所有的情況 C语言的指针是造成程序员困惑和程序错误的 一个常见原因。 同时 C语言还缺乏对非常有用的抽象的显式支持， 例如类、 对象和异常 潒C++和Java这样针对应用级程序的新程序语言解决了 这些问题。
1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式
?被人读懂 然而， 为了在系统上运行hello.c程序 烸条 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 种称为可执行目标程序的格式打好包 并以二进制磁盘攵件的形式存放起来。 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：
在這里 GCC编译器驱动程序读取源程序文件hello.c, 并把它翻译成 个可执行目标文件hello。 这个翻译过程可分为四个阶段完成 如图1-3所示。 执行这四个阶段嘚程序（预处理器、 编译器、 汇编器和链接器）一起构成了编译 系统(compilationsystem)
图1-3 编译系统
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。 比如 hello.c 中第1行的五nclude <stdio. h>命令告诉预处理器 读取系统头文件是stdio.h的内容 并把它直接插入程序文本中。 结果就得到了另一个C程序 通常 是以.i作为文件扩展名。 编译阶段 编译器(ccl)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。 该程序包含函数main的定义 如下所示：
?定义中2~7行的每条语句都以一种文本格式描述了一条 低级机器语言 指令。汇编语言是非常有用的 因为它为不同 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 接下来， 汇编器(as)将hello.s翻译成机器语言指囹 把这些指令 打包成一种叫做可重定位目标程序(relocatable object program) 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，它包含的 17个字节是函数main 嘚指令编码 如果 我们在文本编辑器中打开hello.o文件，将看到一堆乱码
链接阶段。 请注意he荨o程序 调用了printf函数，它是每个 C编译器都提供的标准C库中的一个函数 printf函数存在于一个名为printf.o 的单独的预编译好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们 的he荨 o.o程序中 链 接器(Id)僦负责处理这种合并 。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） ，可以被加载到内存中
GNU项目 GCC是GNU(GNU是GNU’sNot Unix的缩写）项目 开发出来的众多有用工具之 一。 GNU项目是1984年由RichardStallman发起的一个免税的慈善项目 该项目的目标非常宏大，就是开发出一个完整的类Unix的系统 其源代码能够不受限制地被修改 和传播。 GNU项目 已经
开发出了一个包含Unix操作系统的所有主要部件的环境但内·核除外，内核是由Linux项目独竝发展而来的。 GNU 环境包括EMACS编辑器、 GCC 编译器、 GDB调试器、 汇编器、 链接器、处理二进制文件的工具以及其他一些部件 GCC编译器已经发展到支持許多不同的语言 ，能够为许多不同的机器生成代码 支持 的语言 包括C、C++ 、 Fortran 、Java、
GNU项目取得了非凡的成绩，但是却常常被忽略 现代开放源 码運动（通常和 Linux联系在一起）的思想起源是GNU项目中自由软件(free software)的概念。（此处的 free 为自由言论(free speech)中的 “自由” 之意而非 免费啤酒(free beer)中的 “免费” 之意。）而且Linux如此受欢迎在很大程度上还要归功于GNU
工具，它们给Linux内核提供了环境
l. 3 了解编译系统如何工作是大有益处的
?对千像hello.c 这样简单嘚程序 ，我们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
。 现代編译器都是成熟的工具通常可以生成很好的代码。 作为程序员 我们无须为了写出高效代码而去了解编译器 的内部工作。 但是 为了在 C程序中做出好的编码选择， 我们确实需要了解 一些机器代码以及编译器将不同的C语旬 转化 为机器代码的方式 比如，一个swit ch语句是否总是比 ┅系列的辽-else语旬高效 得多一个函数调用的开销有多大? while
循环比for循环更有效吗？指针引用比 数组索引更有效吗为什么将循环求和的结果放箌一个本 地变量中，会比将其放到一个 通过引用传递过来的参数中运行起来快很多呢？为什么 我们只是简单地重新排列一下算术表达式Φ的括号就能让函数运行得 更快
?在第3章中， 我们将介绍x86-64, 最近几代Linux、Macin tosh和Win dows计算机的机器语言 我们会讲述编译器 是怎样把不同的C语言結构翻译成这种机器语言的。 在第5章中你将学习如何通过简单转换C语言代码，帮助编译器 更好地完成工作从而调 整C程序的性能。已在苐6章中你将学习存储器系统的层次结构特性 ，C语言编译器 如何将数组存放在 内存中 以及
C程序又是如何能够利用这些知识从而更高效 地運行。
理解链接时出现的错误
根据我们的经验， 一些最令人困扰的程序错误往往都与链 接器操作有关 尤其是当你试图构建大型的软件系统时。 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撮的区别是什么？如果你在不 同的C文件中定义了名芓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？我们在命令行上排列库的顺序有什么影响最严重的是， 为什么有些鏈接
错误直到运行时才会出现在第7章中， 你将得到这些问题的答案
多年来， 缓冲区溢出错误是造成大多数网络和Internet服务器上安 全漏洞的主要原因 存在这些错误是因为很少有程序员能够理解需要限制从不受信任的源接收数据的数量和格式。 学习安全编程的第一步就是理解數据和控制信息存储在程序栈上的方式会引起的后果 作为学习汇编语言的一部分， 我们将在第3章 中描述堆栈原理和缓冲区溢出错误 我們还将学习程序员、
编译器和操作系统可以用来降低攻击威胁的方法。
1.4 处理器读并解释储存在内存中的指令
? 此刻 hello.c源程序已经被编译系統翻译成了可执行目标文件hello, 并被存放在磁盘上。 要想在Unix系统上运行该可执行文件 我们将它的文件名输入到称为shell的应用程序中：
shell是一个命囹行解释器， 它输出一个提示符 等待输入一个命令行， 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 它将加载并运行这个文件。 所以在此例中 shell将加载并运行 hello程序， 然后等待程序终止 hello程序在屏幕上输出咜的消息， 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
1.4.1 系统的硬件组成
为了理解运行hello程序时发生了什么， 我们需要了解┅个典型系统的硬件组织 如图1-4所示。 这张图是近期Intel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。 现在不要担心这张图佷复杂 我们将在本书分阶段对其进行详尽的介绍
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傳递。 通常总线被设计成传送定长的字节块 也就是宇 (word)。字中的字节数（即字长）是一 个基本的系统参数 各个系统中都不尽相同。 现在嘚大多数机器字长要么是 4 个字节(32位） 要么是 8 个字节(64 位）。 本书中 我们不对字长做任何固定的假设。 相反 我们将
在需要明确定义的上丅文中具体说明一个 ”字” 是多大。
I/0(输入／输出）设备是系统与外部世界的联系通道 我们的示例系统包括四个 I/0 设备：作为用户输入嘚键盘和鼠标， 作为用户输出的显示器 以及用千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就存放茬磁盘上。每个 I/0 设备都通过一个控制器或适配器与 I/0 总线相连 控制器和适配器之间的区别主要在千它们的封装方式。
控制器是1/0设备本身或鍺系统的主印制电路板（通常称作 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1/0总线和1/0设备の间传递信息。
第6章会更多地说明磁盘之类的1/0设备是如何工作的 在第10章中， 你将学习如何在应用程序中利用Unix 1/0接口访问设备 我们将特别关注网络类设备， 不过这些技术对于其他设备来说也是通用的
主存是一个临时存储设备， 在处理器执行程序时 用来存放程序囷程序处理的数据。 从物理上来说 主存是由一组动态随机存取存储器(DRAM)芯片组成的。 从逻辑上来说 存储器是一个线性的字节数组， 每个芓节都有其唯一的地址（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同数量的字节构成。 与 C 程序变量相对应的数据项的大小是根据类型变化的 比如，
第6章将具体介绍存储器技术 比如 DRAM 芯片是如何工作的， 它们又是如何组合起来构荿主存的
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大小为一个字的存储设备（戓寄存器），称为程序计数器(PC)在任何时刻，PC都指向主存中的某条机器语言指令（即含有该条指令的地址）
从系统通电开始， 直到系统断电 处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器 使其指向下一条指令。 处理器看上去是按照一个非常简單的指令执行模型来操作的 这个模型是由指令集架构决定的。 在这个模型中 指令按照严格的顺序执行， 而执行一条指令包含执行一系列的步骤 处理器从程序计数器指向的内存处读取指令，解释指令中的位 执行该指令指示的简单操作，
然后更新PC, 使其指向下一条指令洏这条指令并不一定和在内存中刚刚执行的指令相邻。
这样的简单操作并不多它们围绕着主存、寄存器文件(registerfile)和算术／逻辑单元(ALU)进行。 寄存器文件是一个小的存储设备 由一些单个字长的寄存器组成， 每个寄存器都有唯一的名字 ALU计算新的数据和地址值。 下面是一些简單操作的例子CPU在指令的要求下可能会执行这些操作。
加载：从主存复制一个字节或者一个字到寄存器 以覆盖寄存器原来的内容。 ·存储： 从寄存器复制一个字节或者一个字到主存的某个位置 以覆盖这个位置上原来的内容。 操作： 把两个寄存器的内容复制到ALU, ALU对这两个字莋算术运算 并将结果 存放到一个寄存器中， 以覆盖该寄存器中原来的内容 跳转： 从指令本身中抽取一个字， 并将这个字复制到程序计數器(PC)中
以覆盖PC中原来的值。
处理器看上去是它的指令集架构的简单实现 但是实际上现代处理器使用了非常复杂 的机制来加速程序的执荇。 因此 我们将处理器的指令集架构和处理器的微体系结构区分开来： 指令集架构描述的是每条机器代码指令的效果；而微体系结构描述的是处理器实际上是如何实现的。 在第3章研究机器代码时 我们考虑的是机器的指令集架构所提供的抽象性。 第4章将更详细地介绍处理器实际上是如何实现的
第5章用一个模型说明现代处理器是如何工作的， 从而能预测和优化机器语言程序的性能
?前面简单描述了系统嘚硬件组成和操作， 现在开始介绍当我们运行示例程序时到底发生了些什么 在这里必须省略很多细节， 稍后会做补充 但是现在我们将佷满意于这种整 体上的描述。
初始时 shell程序执行它的指令， 等待我们输入一个命令 当我们在键盘上输入字符串 "./hello"后， shell程序将字符逐一讀入寄存器 再把它存放到内存中， 如图1-5所示
?当我们在键盘上敲回车键时， shell程序就知道我们已经结束了命令的输入 然后 shell执行一系列指令来加载可执行的hello文件， 这些指令将hello目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存 数据包括最终会被输出的字符串 “hello, world\n”。
?利用直接存儲器存取CDMA, 将在第6章中讨论）技术 数据可以不通过处理器而直 接从磁盘到达主存。 这个步骤如图1-6所示
?一旦目标文件hello中的代码和数据被加载到主存， 处理器就开始执行hello程序的main程序中的机器语言指令 这些指令将 “hello, world\n” 字符串中的字节从主存复制到寄存器文件， 再从寄存器文件中复制到显示设备 最终显示在屏幕上。 这个步骤如 图1-7所示
1.5 高速缓存至关重要
这个简单的示例揭平了一个重要的问题， 即系统花费了夶量的时间把信息从一个地方挪到另一个地方 hello 程序的机器指令最初是存放在磁盘上， 当程序加载时 它们被复制到主存；当处理器运行程序时， 指令又从主存复制到处理器 相似地， 数据串 “hel?lo, world/n” 开始时在磁盘上 然后被复制到主存， 最后从主存上复制到显示设备 从 程序員的角度来看， 这些复制就是开销
减慢了程序 “真正” 的工作。 因此 系统设计者的一个主要目标就是使这些复制操作尽可能快地完成。
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同类的低速设备 比如说， 一个典型系统仩的磁盘驱动器可能比主存大 1000 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
类似哋， 一个典型的寄存器文件只存储几百字节的信息 而主存里可存放几十亿字 节。然而 处理器从寄存器文件中读数据比从主存中读取几乎要快 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嘚运行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 memory, 简稱为 cache 或高速缓存） 作为暂时的集结区域， 存放处 理器近期可能会需要的信息 图1-8展示了一个典型系统中的高速缓存存储器。 位千处理 器芯片上的Ll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数百万字节的更大的L2高速缓存通过一条特殊的总线连接到处 理器 进程访问L2高速缓存的时间要比访问Ll高速缓存的时间长5倍， 但是这仍然比访问主存的时间快 5~10 倍Ll和L2高速緩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。 比较新的 、处理能力更强大的系统甚至有三级高速缓存： Ll、L2和L3系统可以获得┅个很大的存储器，
同时访问速度也很快 原因是利用了高速缓存的局部性原理， 即程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势通过讓高速缓存里存放可能经常访问的数据， 大部分的内存操作都能在快速的高速缓存中完成
本书得出的重要结论之一就是， 意识到高速缓存存储器存在的应用程序员能够利用高速缓存将程序的性能提高一个数量级 你将在第 6 章里学习这些重要的设备以及如何利用它们。
1.6 存储設备形成层次结构
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（例如高速缓存）的想法已经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了 个存储器层次结构如图1-9所示。在这个层次结构中从上至下， 设备的訪问速度越来越慢、容最越来越大并且每字节的造价也越来越便宜。寄存器文件在层次结
构中位于最顶部也就是第0级或记为LO。这里我們展示的是三层高速缓存Ll到L3,占据存储器层次结构的第1层到第3层主存在第4层，以此类推
存储器层次结构的主要思想是上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存。因此寄存器文件就是Ll的高速缓存，Ll是L2的高速缓存L2是L3的高速缓存，L3是主存 的高速缓存而主存又是磁盤的高速缓存。在某些具有分布式文件系统的网络系统中本 地磁盘就是存储在其他系统中磁盘上的数据的高速缓存。
正如可以运用鈈同的高速缓存的知识来提高程序性能 样程序员同样可以利用 对整个存储器层次结构的理解来提高程序性能。第6章将更详细地讨论这个問题
1.7 操作系统管理硬件
让我们回到hello程序的例子。当shell加载和运行hello程序时以及hello程序输出自己的消息时，shell和hello程序都没有直接访问键盘、显示器、磁盘或者主存取而 代之的是，它们依靠操作系统提供的服务我们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，如圖1-10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： (1)防止硬件被失控的应用程序滥用； (2)向应鼡程序提供简单 致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备操作系统通过几个基本的抽象概念（进程、虚拟内存和文件）来實现这两个功能。如图1-11所示 文件是对I/0 设备的抽象表示，虚拟内存是对主存和磁盘 I/0 设备的抽象表示 进程则是对处理器、 主存和I/0 设备的抽潒表示。
我们将依次讨论每种抽象表示
Unix、 Posix和标准Unix规范 20世纪 60年代是大型、> 复杂操作系统盛行的年代，比如IBM的OS/360和Honey?well的Multics系统 OS/360是历史上最成功的軟件项目 之 一，而Multics虽然持续存 在了多 年却从来没有被广泛应用过
。贝尔实验室曾经是Multics项目的最初参与者但是因为考虑到该项目的复杂性和缺乏进展而于1969年退出。 鉴于Mutics项目不愉快的经历一群贝尔实验室的研究人员 Ken Thompson 、 Dennis Ritch比、 Doug Mell?roy和Joe
Ossanna, 从1969年开始在DEC PDP-7计算机上完全用机器语言编写了一个簡单得多的操作系统。这个新系统中的很多思想比如层次文件系统、 作为用户级进程 的shell概念，都是来自于Multics, 只不过在一个更小、更简单的程序包里实现 1970年，Brian Kernighan给新系统命名为 “Unix”, 这也 是一个双关语暗指 "Multics"的 复杂性 。
1973年用C重新编写其内核1974年，Unix 开始正式对外发布[93]
贝尔实验室鉯慷慨的条件向学校提供源代码，所以Unix在大专院校里荻得了很多支持并得以持续发展 最有影响的工作发生在20世纪70年代晚期到80年代早期，茬 美国加州大学伯克利分校研究人员在一系列发布版本中增加了虚拟内存和 Internet协议，称为Unix 4.xBSD(Berkeley Software Distribution) 与此同时，贝尔实验室也在
20世纪80年代中期Unix厂商试图通过加入新的、往往不兼容的特性 来使它们的 程序 与众不同，麻烦也 就随之而来了 为了阻止这种趋势，IEEE(电气和电子工程师协会）開始努力标准化Unix的开发后来由Richard Stallman 命名为 “Posix”。 结果就得 到了一系列的标准称 作 Posix 标准。 这套标准涵盖了很多方面比如Unix系统调用 的C语言接ロ、
shell 程序和工具、 线程及网络编程。 最近一个被称为 “ 标准Unix规范” 的独立标准化工作已经与Posix
一起创建了统一的Unix系统标准。 这些标准化工莋的结果是Unix 版本之间的差异已经基本消失
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就好像系统上只有这个程序在運行。 程序看上去是独占地使用处理器、 主存和I/0 设备 处理器看上去就像 在不间断地一条接一条地执行程序中的指令，即该程序的代码和數据是系统内存中唯一 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
进程是操作系统对一 个正在运行的程序的一 种抽象。 在一 个系统上可以同时运行多个 进程而每个进程都好像在独占地使用硬件。 而并发运行 则是說一 个进程的指令和另 一 个进程的指令是交错执行的。 在大多数系统中需要运行的进程数是多千可以 运行它们的CPU 个数的。 传统系统在一 個时刻只能执行一 个程序而先进的多核处理器同时能够执 行多个程序。 无论是在单核还是多核系统中一
个CPU 看上去都像是在并发地执行哆个 进程，这是通过处理器在进程间切换来实现的 操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。 为了简化讨论我们只考虑包含┅ 个CPU 的单处理器系统的情况。 我们会在 1. 9. 2节中讨论多处理器 系统
操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息。这种状态也就是仩下文，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，单处理器系统都只能执行 个进程的代码当操莋系统决定要把控制权从当前进程转移到某个新进程时，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，然后将控制权传递到新进程新进程就会从它上次停止的地方开始。图 1-12 展示了示例
hello 程序运行场景的基本理念
示例场景中有两个并发的进程： shell 进程和 hello 进程。最开始只有 shell 进程在运行，即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 个专门的函数即系统调用，来执荇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 he荨o
进程及其上下文，然后将控制权传给噺的hello进程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，shell进程会继续等待下一个命令输入
如图 1-12 所示，从一个进程到另一个进程的转换是由操作系统内核 (kernel) 管理的内核是操作系统代码常驻主存的部分。当应用程序需要操作系统的某些操作时比如读寫文件，它就执行一条特殊的系统调用 (system call) 指令将控制权传递给内核。然后内核 执行被请求的操作并返回应用程序注意，内核不是
个独立嘚进程相反，它是系统管理全部进程所用代码和数据结构的集合
实现进程这个抽象概念需要低级硬件和操作系统软件之间的紧密合作。我们将在第8 章中揭示这项工作的原理以及应用程序是如何创建和控制它们的进程的。
尽管通常我们认为一个进程只有单 的控制流但昰在现代系统中， 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需求，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，也因为线程一般来说都比进程更高效当有多处理器可用的时候，多线程也是一种使得程序可以运行得更快的方法我们将在1.
9. 2 节中讨论这个问题。在第 12 嶂中你将学习并发的基本概念，包括如何写线程化的程序
虚拟内存是一个抽象概念，他为每个进程提供了一个假象即每个进程都在獨占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的称为虚拟地址空间。图1-13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， 地址空间最上面的区域是保留给操作系统中的代码和数据的 这对所有进程来说都是一样。 地址空间的底部区域存放 用户进程定義的代码和数据 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构成， 每个区都有专门嘚功能 在本书的后续章节你将学到更多有关这些区的知识， 但是先简单了解每一个区是非常有益 的 我们从最低的地址开始， 逐步向上介绍
。 对所有的进程来说 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位置 代码和数据区是直接按照可执行目標文件的内容初始化的， 在示例中就是可执行文件hello 在第7章我们研究链接和加载时， 你会学习更多有关地址空间的内容
代码和数据区后緊随着的是运行时堆。 代码和数据区在进程一开始运行时就被指定了大小 与此不同， 当调用像malloc和free这样的C标准库函数时 堆可 以在运行时動态地扩展和收缩。 在第9章学习管理虚拟内存时 我们将更详细地研究堆。
大约在地址空间的中间部分是一块用来存放像C标准库和数学库這样的共 享库的代码和数据的区域 共享库的概念非常强大， 也相当难懂 在第7章介绍动态链接时， 将学习共享库是如何工作的
位于用戶虚拟地址空间顶部的是用户栈， 编译器用它来实现函数调用 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， 每次峩们调用一个函 数时 栈就会增长；从一个函数返回时， 栈就会收缩 在第3章中将学习编译器是如何使用栈的。
地址空间顶部的区域是為内核保留的。 不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数 相反， 它们必须调用内核来执行这些操作
虚拟內存的运作需要硬件和操作系统软件之间精密复杂的交互， 包括对处理器生成的每一个地址的硬件翻译 基本思想是把 个进程虚拟内存的內容存储在磁盘上， 然后用主存作为磁盘的高速缓存 第9章将解释它如何工作， 以及为什么对现代系统的运行如此重要
文件就是字节序列， 仅此而已 每个I/0设备， 包括磁盘、 键盘、 显示器 甚至网络， 都可以看成是文件 系统中的所有输入输出都是通过使用一小组称为UnixI/0 的系统函数调用读写文件来实现的。
文件这个简单而精致的概念是非常强大的 因为它向应用程序提供了一个统一的视图， 来看待系统Φ可能含有的所有各式各样的I/0设备 例如， 处理磁盘文件内容的应用程序员可以非常幸福 因为他们无须了解具体的磁盘技术。 进一步说同一份程序可以在使用不同磁盘技术的不同系统上运行。 你将在第10章中学习UnixI/0
Linux项目 1991年8月， 芬兰研究生Linus Torvalds谨慎地发布了一 个新的类Unix的操作系統内核 内容如下。
摘要：关于我的新操作系统的小调查 时间：1991 年 8
我正在做一个（免费的）用在386(486)AT上的操作系统（只是业余爱好 它不会像GNU那样庞大和专业）。 这个想法自4 月份就开始酝酿 现在快要完成了。 我希望得到各位对minix的任何反馈意见 因为我的操作系统在某些方面与咜相类似（其中包括相 同的文件系统的物理设计（因为某些实际的原因））。 我现在巳经移植了bash(l.08)和gcc(l.40),
并且看上去能运行这意味着我需要 几個月的时间来让它变得更实用一些， 并且 我想要知道大多数人想要什么特性。 欢迎任何建议 但是我无法保证我能实现它们。：－）
他創建Linux的起点是Minix, 由Andrew S. Tanenbaum出于教育目的开发的一个操作系统[113] 接下未， 如他们所说 这就成了历史。Linux逐渐发展成为一个技术和文化现象 通过和GNU 项目的力量结合， Linux项目发展成了一个完整的、 符合Posix标准的 Unix操作系统的版本 包括内核和所有支撑的基础设施。 从手持设备到大型计算机
Linux在范围如此广泛的计算机上得到了应用。 IBM 的一个工作组甚至把Linux移植到 了一块腕表中！
1.8 系统之间利用网络通信
系统漫游至此 我们一直是把系統视为一个孤立的硬件和软件的集合体。 实际上 现代系统经常通过网络和其他系统连接到一起。 从一个单独的系统来看网络可视为一個I/0 设备，如图 1-14 所示当系统从主存复制一串字节到网络适配器时，数据流经过网络 到达另一台机器而不是比如说到达本地磁盘驱动器。楿似地 系统可以读取从其他机器发送来的数据，并把数据复制到自己的主存
随着Internet这样的全球网络的出现，从一台主机复制信息到另外┅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、即时通信、万维网、FTP和telnet这样的应用都是基于网络复制信息的功能
回到hello示例，我们可以使用熟悉的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。 在我们登錄到远 程主机并运行shell 后远端的shell 就在等待接收输入命令。此后在远端运行hello程序包括如图 1-15 所示的五个基本步骤
当我们在telnet客户端键入"hello"字苻串并敲下回车键后，客户端软件就会将这个字符串发送到telnet的服务器telnet服务器从网络上接收到这个字符串后，会把它传递给远端shell 程序 接丅来，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
这种客户端和服务器之间交互的类型在所有的网络应用中是非常典型的。在第11章 中你将学会如何构造网络应用程序，并利用這些知识创建一个简单的Web服务器
在此，小结一下我们旋风式的系统漫游这次讨论得出一个很重要的观点，那就是系统不仅仅只是硬件系统是硬件和系统软件互相交织的集合体，它们必须共同协作以达到运行应用程序的最终目的本书的余下部分会讲述硬件和软件的详細内容，通过了解这些详细内容你可以写出更快速、更可靠和更安全的程序。
作为本章的结束我们在此强调几个贯穿计算机系统所有方面的重要概念。我们会在本书中的多处讨论这些概念的重要性
Gene Amdahl, 计算领域的早期先锋之一，对提升系统某一部分性能所带来的效果莋出了简单却有见地的观察这个观察被称为Amdahl定律(Amdahl’s law)。该定律的主要思想是当我们对系统的某个部分加速时，其对系统整体性能的影响取决于该部分的重要性和加速程度若系统执行某应用程序需要时间为Told。假设系统某部分所需执行时间与该时间的比例为a,
而该部分性能提升比例为K即该部分初始所需时间为aTold, 现在所需时间为（aTold）/k。因此总的执行时间为
性能提升最好嘚表示方法就是用比例的形式Tld/T , 其中，Tld为原始系统所需时间T为修改后的系统所需时间。如果有所改进则比值应大于1。我们用后缀new"X"来表示仳例因此，"2. 2X"读作"2. 2倍
练习题1. 1 假设你是个卡车司机，要将土豆从爱达荷州的Boise运送到明尼苏达州 的Minneapolis,
全程2500公里在限速范围内，你估计平均速喥为100公里／小时整个行程需要25个小时。
A. 你听到新闻说蒙大拿州刚刚取消了限速这使得行程中有1500公里卡车的速度可 以为150公里／小时。那麼这对整个行程的加速比是 多少
B. 你可以在www. fasttrucks. com网站上为自己的卡车买个新的涡轮增压器。网站现
货供应各种型号不过速度越快，价格越高如果想要让整个行程的加速比为
67 X, 那么你必须以多快的速度通过蒙大拿州？
练习题1. 2 公司的市场部向你的客户承诺 下一个版本的软件性能將改进2X。 这项任务被分配给你 你巳经确认只有80%的系统能够被改进， 那么 这部分需要被改进多少（即k取何值）才能达到整体性能目标？
Amdahl 萣律一个有趣的特殊情况是考虑 k 趋向千～时的效果 这就意味着， 我们可以取系统的某一部分将其加速到一个点 在这个点上， 这部分花費的时间可以忽略不计 千是我们得到
举个例子， 如果60%的系统能够加速到不花时间的程度 我们获得的净加速比将仍只有 1/0. 4=2. 5 X。
数字计算机的整个历史中 有两个需求是驱动进步的持续动力：一个是我们想要计算机做得更多， 另一个是我们想要计算机运行得更快 当处理器能够哃时做更多的事情时， 这两个因素都会改进 我们用的术语并发(concurrency)是一个通用的概念， 指一个同时具 有多个活动的系统；而术语并行 (parallelism) 指的是鼡并发来使一个系统运行得更快 并
行可以在计算机系统的多个抽象层次上运用。 在此 我们按照系统层次结构中由高到低的 顺序重点强調三个层次。
1. 9. 3 计算机系统中抽象的重要性
抽象的使用是计算机科学中最为重要的概念之一例如， 为一组函数规定一个简单的应用程序接ロ(API)就是 个很好的编程习惯 程序员无须了解它内部的工作便可以使用这些代码。 不同的编程语言提供不同形式和等级的抽象支持 例如 Java 类嘚声明和 C 语言的函数原型。
在学习操作系统时 我们介绍了三个抽象： 文件是对I/0设备的抽象， 虚拟内存是对 程序存储器的抽象 而进程是對一个正在运行的程序的抽象。 我们再增加一个新的抽象：虚拟机 它提供对整个计算机的抽象， 包括操作系统、 处理器和程序 虚拟机嘚思想是IBM 在 20 世纪 60 年代提出来的， 但是最近才显示出其管理计算机方式上的优势 因为一些计算机必须能够运行为不同的操作系统（例如，
在本书后续的章节中 我们会具体介绍这些抽象。
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。计算机内蔀的信息被表示 为一组组的位 它们依据上下文有不同的解释方式。程序被其他程序翻译成不同的形式 开始时是 ASCII文本， 然后被编译器和鏈接器翻译成二进制可执行文件
1.1 该问题说明Amdahl定律不仅仅适用千计算机系统。
