深入理解计算机系统：几个重要概念

将预处理之后的文本文件翻译为汇编语言程序（依然是文本文件）

将汇编语言程序翻译成一系列机器语言指令，然后将机器语言指令打包成可重定位目标程序

将程序用到的其他模块与当前程序链接到一起，最终得到可执行目标文件

程序计数器 PC

• 程序计数器为一个字长（64 位系统中是 8 个字节）的存储设备，是 CPU 的核心
• 在任何时刻，PC 都指向内存中的某条机器语言指令，也就是说，PC 中保存着一条机器语言指令的地址
• CPU 不断地执行 PC 指向的指令，然后更新 PC，使其指向下一条指令（前后指令不一定相邻）

存储器层次结构

• L0：CPU 寄存器
• L1 ~ L3：L1 ~ L3 高速缓存（SRAM，静态随机访问存储器）
• L4：主存（DRAM，动态随机访问存储器）
• L5：本地磁盘
• L6：远程存储设备（分布式文件系统、Web 服务器）

局部性原理

• 程序具有访问局部区域里的数据的趋势

操作系统抽象

进程：对处理器、主存和 I/O 设备的抽象

• 处理器在多个进程间快速切换，称为上下文切换 单处理器在任一时刻只能执行一个进程的代码
• 当操作系统把控制权从一个进程转移到另一个进程时，便进行上下文切换： 保存当前进程的上下文
• 恢复新进程的上下文
• 将控制权转移到新进程

线程

• 一个进程可以由多个线程组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享相同的代码和全局数据
• 线程一般比进程高效，多线程之间共享数据也比进程之间容易

虚拟存储器：对主存和磁盘 I/O 的抽象

• 每个进程使用专有的虚拟地址空间，从而形成每个进程独占主存的假象
• 每个进程看到的虚拟地址空间由一组准确定义的区构成，从低地址到高地址依次为： 程序代码和数据
• 运行时堆
• 共享库
• 用户栈
• 内核虚拟存储器

文件：对 I/O 设备的抽象

• 文件就是字节序列，别无其他
• 每个 I/O 设备都可视为文件
• 系统的所有输入输出都通过一组 Unix I/O 系统函数调用读写文件来实现

信息存储

字

• 任一计算机的字长指明了整数和指针数据的标称大小
• 字长决定了虚拟地址空间的最大大小，对于字长为 www 的机器，其虚拟地址的范围是 0∼2w−10 \sim 2^w - 10∼2w−1

无符号数

问题代码一

• 当

  length

  为

  0

  时，

  length - 1

  转为最大的无符号数，而

  i

  作为

  int

  型整数，所能包含的数永远小于

  length - 1

• 同样，当

  length

  大于

  int

  所能表示的最大数时，也会形成无限循环

float sum_elements(float a[], unsigned length)
{
int i;
float result = 0.0;
for (i = 0; i <= length - 1; i++) // 正确写法：i < length
result += a[i];
return result;
}

问题代码二

• strlen()

  返回的

  size_t

  为无符号类型，有无符号类型参与运算的结果依然是无符号类型，因此

  strlen(str1) - strlen(str2)

  永远不会小于

  0

size_t strlen(const char* str);

int strlonger(const char* str1, const char* str2)
{
return strlen(str1) - strlen(str2) > 0; // 正确写法 return strlen(str1) > strlen(str2);
}

问题代码三

• 如果

  maxlen

  是一个负值，

  len

  便被赋为负值，接着再赋给

  memcpy

  函数中的

  n

  参数，但是参数

  n

  是无符号值，从而转为一个很大的整数

void* memcpy(void* dest, void* src, size_t n);

#define KSIZE 1024
char kbuf[KSIZE];

int copy_from_kernel(void* user_dest, int maxlen)
{
int len = KSIZE < maxlen ? KSIZE : maxlen;
memcpy(user_dest, kbuf, len);
return len;
}

整数乘法的优化

• 整数乘法（至少 10 个时钟周期）通常比加法、减法、移位和位级运算（1 个时钟周期）慢得多

乘以 2 的幂

• 对于整数变量

  x

  ，C 表达式

  x << k

  等价于 x×2kx \times 2^kx×2k x×14x \times 14x×14 可优化为

  (x << 3) + (x << 2) + (x << 1)

  ，或更进一步优化为

  (x << 4) - (x << 1)

除以 2 的幂

• 整数除法（至少 30 个时钟周期）比整数乘法更慢