什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(A computer system) 是由硬件和軟件組成的，它們協(xié)同工作運(yùn)行程序。不同的系統(tǒng)可能會(huì)有不同實(shí)現(xiàn)，但是核心概念是一樣的，通用的。

“不同的系統(tǒng)有 Microsoft Windows、Apple Mac OS X、Linux 等。

所有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有相似的軟件和硬件組成，它們執(zhí)行相似的功能。

你想要什么

首先，問你一個(gè)問題，你想成為哪種程序員?

 

 

 

 

這是我最近搜索到的一個(gè)很好的開源項(xiàng)目，它的路徑是 https://github.com/keithnull/TeachYourselfCS-CN/blob/master/TeachYourselfCS-CN.md

 

 

 

 

也就是

 

 

 

 

我也把它里面涉及的中文/英文書籍都下載下來了，公眾號(hào)回復(fù) 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，即可領(lǐng)取。(圖中是馮·諾伊曼)

我一直想成為第一種工程師，即使我永遠(yuǎn)成為不了，我也要越來越靠近它。不知道把這些書都吃透了會(huì)是什么水平，姑且堅(jiān)持吧。

回到正題

 

 

 

 

 

 

 

 

沒錯(cuò)，我就想成為一種電源程序員

 

 

 

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一段簡單的程序

這次真的言歸正傳了，下面是一道很簡單的 C 程序(不要管我的名字是 Java建設(shè)者還是什么，Java建設(shè)者就不能學(xué)習(xí) C 了嗎?雖然飯碗是 Java，但是 C 才是爸爸啊。)

#include <stdio.h> 
 
int main(){ 
  pritnf("hello, world\n"); 
  return 0; 
} 

這是用 C 語言輸出的一個(gè) Hello,world 程序，盡管它是一個(gè)非常簡單的程序，但系統(tǒng)的每個(gè)部分都必須協(xié)同工作才能運(yùn)行。

這段程序的生命周期就是程序員創(chuàng)建程序、在系統(tǒng)中運(yùn)行這段程序、打印出一個(gè)簡單的消息然后終止。

 

 

 

 

程序員首先在文本中創(chuàng)建這段代碼，這個(gè)文本又被稱為源文件或者源程序，然后保存為 hello.c 文件，源程序?qū)嶋H上就是一個(gè)由 0 和 1 組成的位(又稱為 比特，即 bit)。8 個(gè) bit 成為一組，稱做 字節(jié)。每個(gè)字節(jié)又表示著一個(gè)文本字符，這些文本字符通常是由 ASCII 碼組成的，下面是 hello.c 程序的 ASCII 碼

 

 

 

 

hello.c 程序以字節(jié)順序存儲(chǔ)在文件中，每個(gè)字節(jié)都對應(yīng)一個(gè)整數(shù)值，也就是 8 位表示一個(gè)整數(shù)。比如第一個(gè)字符是 35，那這個(gè) 35 是從哪來的呢?這其實(shí)是有個(gè) ASCII 碼的對照表(因?yàn)?ASCII 非常多，可以去 ASCII 官網(wǎng)查詢，這里只選取幾個(gè)作為參考哦)

 

 

 

 

每行都以不可見的 \n 來結(jié)尾，它的 ASCII 碼值是 10。

“注意;只由 ASCII 字符組成的諸如 hello.c 之類的文件稱為文本文件。所有其他文件稱為二進(jìn)制文件。

hello.c 的表示方法說明了一個(gè)基本思想：系統(tǒng)中所有的信息 --- 包括磁盤文件、內(nèi)存中的程序、內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，都是由一串比特表示的。區(qū)分不同數(shù)據(jù)對象的唯一方法是我們讀取對象時(shí)的上下文，比如，在不同的上下文中，一個(gè)同樣的字節(jié)序列可能表示一個(gè)整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串或者機(jī)器指令。

為什么是 C

這里插播一則新聞，為什么我們要學(xué) C 語言?學(xué) Java 用不用懂 C 語言?這里需要聊聊 C 語言的發(fā)家史了

“C 語言起源于貝爾實(shí)驗(yàn)室。美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì) ANSI 在 1981 年頒布了 ANSI C 的標(biāo)準(zhǔn)，后來 C 就被標(biāo)準(zhǔn)化了，這些標(biāo)準(zhǔn)定義了 C 語言和一系列函數(shù)庫，即所謂的 C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫，那么 C 語言有什么特點(diǎn)呢?

• C 語言與 Unix 操作系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)。C 從一開始就被開發(fā)為 UNIX 系統(tǒng)的編程語言，大部分 UNIX 內(nèi)核(操作系統(tǒng)和核心部分)和工具，動(dòng)態(tài)庫都是使用 C 編寫的。UNIX 成為 1970 - 1980 年代最火的操作系統(tǒng)，而 C 成為最火的編程語言
• C 是一種非常小巧，簡單的語言。并且 C 語言的簡單使他移植性比較強(qiáng)。
• C 語言是為實(shí)踐目的設(shè)計(jì)的。

我們上面提到了 C 語言的各種優(yōu)勢，但是 C 語言也并非所有程序員都能熟練掌握并運(yùn)用的，C 語言的指針經(jīng)常讓很多程序員頭疼，C 語言還缺乏對抽象的良好支持，例如類、對象，但是 C++ 和 Java 都解決了這些問題。

程序被其他程序翻譯成不同的形式

C 語言程序成為高級語言的原因是它能夠讀取并理解人們的思想。然而，為了能夠在系統(tǒng)中運(yùn)行 hello.c 程序，則各個(gè) C 語句必須由其他程序轉(zhuǎn)換為一系列低級機(jī)器語言指令。這些指令被打包作為可執(zhí)行對象程序，存儲(chǔ)在二進(jìn)制磁盤文件中。目標(biāo)程序也稱為可執(zhí)行目標(biāo)文件。

在 UNIX 系統(tǒng)中，從源文件到對象文件的轉(zhuǎn)換是由編譯器執(zhí)行完成的。

 

gcc -o hello hello.c 

gcc 編譯器驅(qū)動(dòng)從源文件讀取 hello.c ，并把它翻譯成一個(gè)可執(zhí)行文件 hello。這個(gè)翻譯過程可用如下圖來表示

 

 

 

 

這就是一個(gè)完整的 hello world 程序執(zhí)行過程，會(huì)涉及幾個(gè)核心組件：預(yù)處理器、編譯器、匯編器、連接器，下面我們逐個(gè)擊破。

• 預(yù)處理階段(Preprocessing phase)，預(yù)處理器會(huì)根據(jù)開始的 # 字符，修改源 C 程序。#include 命令就會(huì)告訴預(yù)處理器去讀系統(tǒng)頭文件 stdio.h 中的內(nèi)容，并把它插入到程序作為文本。然后就得到了另外一個(gè) C 程序hello.i，這個(gè)程序通常是以 .i為結(jié)尾。
• 然后是 編譯階段(Compilation phase)，編譯器會(huì)把文本文件 hello.i 翻譯成文本hello.s，它包括一段匯編語言程序(assembly-language program)。這個(gè)函數(shù)包含 main 函數(shù)的定義，如下

 

main: 
    subq        $8, %rsp 
    movl        $.LCO, %edi 
    call        puts 
    movl        &0, %eax 
    addq        $8, %rsp 
    ret 

上面定義中的 2 - 7 描述了一種低級語言指令。匯編語言是非常有用的，因?yàn)樗軌蜥槍Σ煌呒壵Z言來提供自己的一套標(biāo)準(zhǔn)輸出語言。

• 編譯完成之后是匯編階段(Assembly phase)，這一步，匯編器 as會(huì)把 hello.s 翻譯成機(jī)器指令，把這些指令打包成可重定位的二進(jìn)制程序(relocatable object program)放在 hello.o 文件中。它包含的 17 個(gè)字節(jié)是函數(shù) main 的指令編碼，如果我們在文本編輯器中打開 hello.c 將會(huì)看到一堆亂碼。
• 最后一個(gè)是鏈接階段(Linking phase)，我們的 hello 程序會(huì)調(diào)用 printf 函數(shù)，它是 C 編譯器提供的 C 標(biāo)準(zhǔn)庫中的一部分。printf 函數(shù)位于一個(gè)叫做 printf.o文件中，它是一個(gè)單獨(dú)的預(yù)編譯好的目標(biāo)文件，而這個(gè)文件必須要和我們的 hello.o 進(jìn)行鏈接，連接器(ld) 會(huì)處理這個(gè)合并操作。結(jié)果是，hello 文件，它是一個(gè)可執(zhí)行的目標(biāo)文件(或稱為可執(zhí)行文件)，已準(zhǔn)備好加載到內(nèi)存中并由系統(tǒng)執(zhí)行。

你需要理解編譯系統(tǒng)做了什么

對于上面這種簡單的 hello 程序來說，我們可以依賴編譯系統(tǒng)(compilation system)來提供一個(gè)正確和有效的機(jī)器代碼。然而，對于我們上面講的程序員來說，編譯器有幾大特征你需要知道

• 優(yōu)化程序性能(Optimizing program performance)，現(xiàn)代編譯器是一種高效的用來生成良好代碼的工具。對于程序員來說，你無需為了編寫高質(zhì)量的代碼而去理解編譯器內(nèi)部做了什么工作。然而，為了編寫出高效的 C 語言程序，我們需要了解一些基本的機(jī)器碼以及編譯器將不同的 C 語句轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼的過程。
• 理解鏈接時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤(Understanding link-time errors)，在我們的經(jīng)驗(yàn)中，一些非常復(fù)雜的錯(cuò)誤大多是由鏈接階段引起的，特別是當(dāng)你想要構(gòu)建大型軟件項(xiàng)目時(shí)。
• 避免安全漏洞(Avoiding security holes)，近些年來，緩沖區(qū)溢出(buffer overflow vulnerabilities)是造成網(wǎng)絡(luò)和 Internet 服務(wù)的罪魁禍?zhǔn)?，所以我們有必要去?guī)避這種問題

處理器讀取、解釋內(nèi)存中的指令

現(xiàn)在，我們的 hello.c 源程序已經(jīng)被解釋成為了可執(zhí)行的 hello 目標(biāo)程序，它存儲(chǔ)在磁盤上。如果想要在 UNIX 操作系統(tǒng)中運(yùn)行這個(gè)程序，我們需要在 shell 應(yīng)用程序中輸入

 

cxuan $ ./hello 
hello, world 
cxuan $ 

“這里解釋下什么是 shell，shell 其實(shí)就是一個(gè)命令解釋器，它輸出一個(gè)字符，等待用戶輸入一條命令，然后執(zhí)行這個(gè)命令。如果命令行的第一個(gè)詞不是 shell 內(nèi)置的命令，那么 shell 就會(huì)假設(shè)這是一個(gè)可執(zhí)行文件，它會(huì)加載并運(yùn)行這個(gè)可執(zhí)行文件。

系統(tǒng)硬件組成

為了理解 hello 程序在運(yùn)行時(shí)發(fā)生了什么，我們需要首先對系統(tǒng)的硬件有一個(gè)認(rèn)識(shí)。下面這是一張 Intel 系統(tǒng)產(chǎn)品的模型，我們來對其進(jìn)行解釋

 

 

 

 

• 總線(Buses)：在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行的是稱為總線的電氣管道的集合，這些總線在組件之間來回傳輸字節(jié)信息。通?？偩€被設(shè)計(jì)成傳送定長的字節(jié)塊，也就是 字(word)。字中的字節(jié)數(shù)(字長)是一個(gè)基本的系統(tǒng)參數(shù)，各個(gè)系統(tǒng)中都不盡相同?，F(xiàn)在大部分的字都是 4 個(gè)字節(jié)(32 位)或者 8 個(gè)字節(jié)(64 位)。

 

 

 

 

• I/O 設(shè)備(I/O Devices)：Input/Output 設(shè)備是系統(tǒng)和外部世界的連接。上圖中有四類 I/O 設(shè)備：用于用戶輸入的鍵盤和鼠標(biāo)，用于用戶輸出的顯示器，一個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)用來長時(shí)間的保存數(shù)據(jù)和程序。剛開始的時(shí)候，可執(zhí)行程序就保存在磁盤上。

每個(gè)I/O 設(shè)備連接 I/O 總線都被稱為控制器(controller) 或者是 適配器(Adapter)?？刂破骱瓦m配器之間的主要區(qū)別在于封裝方式?？刂破魇?I/O 設(shè)備本身或者系統(tǒng)的主印制板電路(通常稱作主板)上的芯片組。而適配器則是一塊插在主板插槽上的卡。無論組織形式如何，它們的最終目的都是彼此交換信息。

• 主存(Main Memory)，主存是一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備，而不是永久性存儲(chǔ)，磁盤是 永久性存儲(chǔ)的設(shè)備。主存既保存程序，又保存處理器執(zhí)行流程所處理的數(shù)據(jù)。從物理組成上說，主存是由一系列 DRAM(dynamic random access memory) 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)構(gòu)成的集合。邏輯上說，內(nèi)存就是一個(gè)線性的字節(jié)數(shù)組，有它唯一的地址編號(hào)，從 0 開始。一般來說，組成程序的每條機(jī)器指令都由不同數(shù)量的字節(jié)構(gòu)成，C 程序變量相對應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)的大小根據(jù)類型進(jìn)行變化。比如，在 Linux 的 x86-64 機(jī)器上，short 類型的數(shù)據(jù)需要 2 個(gè)字節(jié)，int 和 float 需要 4 個(gè)字節(jié)，而 long 和 double 需要 8 個(gè)字節(jié)。
• 處理器(Processor)，CPU(central processing unit) 或者簡單的處理器，是解釋(并執(zhí)行)存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器中的指令的引擎。處理器的核心大小為一個(gè)字的存儲(chǔ)設(shè)備(或寄存器)，稱為程序計(jì)數(shù)器(PC)。在任何時(shí)刻，PC 都指向主存中的某條機(jī)器語言指令(即含有該條指令的地址)。

從系統(tǒng)通電開始，直到系統(tǒng)斷電，處理器一直在不斷地執(zhí)行程序計(jì)數(shù)器指向的指令，再更新程序計(jì)數(shù)器，使其指向下一條指令。處理器根據(jù)其指令集體系結(jié)構(gòu)定義的指令模型進(jìn)行操作。在這個(gè)模型中，指令按照嚴(yán)格的順序執(zhí)行，執(zhí)行一條指令涉及執(zhí)行一系列的步驟。處理器從程序計(jì)數(shù)器指向的內(nèi)存中讀取指令，解釋指令中的位，執(zhí)行該指令指示的一些簡單操作，然后更新程序計(jì)數(shù)器以指向下一條指令。指令與指令之間可能連續(xù)，可能不連續(xù)(比如 jmp 指令就不會(huì)順序讀取)

下面是 CPU 可能執(zhí)行簡單操作的幾個(gè)步驟

• 加載(Load)：從主存中拷貝一個(gè)字節(jié)或者一個(gè)字到內(nèi)存中，覆蓋寄存器先前的內(nèi)容
• 存儲(chǔ)(Store)：將寄存器中的字節(jié)或字復(fù)制到主存儲(chǔ)器中的某個(gè)位置，從而覆蓋該位置的先前內(nèi)容
• 操作(Operate)：把兩個(gè)寄存器的內(nèi)容復(fù)制到 ALU(Arithmetic logic unit)。把兩個(gè)字進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，并把結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器中，重寫寄存器先前的內(nèi)容。

“算術(shù)邏輯單元(ALU)是對數(shù)字二進(jìn)制數(shù)執(zhí)行算術(shù)和按位運(yùn)算的組合數(shù)字電子電路。

• 跳轉(zhuǎn)(jump)：從指令中抽取一個(gè)字，把這個(gè)字復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器(PC) 中，覆蓋原來的值

剖析 hello 程序的執(zhí)行過程

前面我們簡單的介紹了一下計(jì)算機(jī)的硬件的組成和操作，現(xiàn)在我們正式介紹運(yùn)行示例程序時(shí)發(fā)生了什么，我們會(huì)從宏觀的角度進(jìn)行描述，不會(huì)涉及到所有的技術(shù)細(xì)節(jié)

剛開始時(shí)，shell 程序執(zhí)行它的指令，等待用戶鍵入一個(gè)命令。當(dāng)我們在鍵盤上輸入了 ./hello這幾個(gè)字符時(shí)，shell 程序?qū)⒆址鹨蛔x入寄存器，再把它放到內(nèi)存中，如下圖所示

 

 

 

 

當(dāng)我們在鍵盤上敲擊回車鍵的時(shí)候，shell 程序就知道我們已經(jīng)結(jié)束了命令的輸入。然后 shell 執(zhí)行一系列指令來加載可執(zhí)行的 hello 文件，這些指令將目標(biāo)文件中的代碼和數(shù)據(jù)從磁盤復(fù)制到主存。

利用 DMA(Direct Memory Access) 技術(shù)可以直接將磁盤中的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中，如下

 

 

 

 

一旦目標(biāo)文件中 hello 中的代碼和數(shù)據(jù)被加載到主存，處理器就開始執(zhí)行 hello 程序的 main 程序中的機(jī)器語言指令。這些指令將 hello,world\n 字符串中的字節(jié)從主存復(fù)制到寄存器文件，再從寄存器中復(fù)制到顯示設(shè)備，最終顯示在屏幕上。如下所示

 

 

 

 

高速緩存是關(guān)鍵

上面我們介紹完了一個(gè) hello 程序的執(zhí)行過程，系統(tǒng)花費(fèi)了大量時(shí)間把信息從一個(gè)地方搬運(yùn)到另外一個(gè)地方。hello 程序的機(jī)器指令最初存儲(chǔ)在磁盤上。當(dāng)程序加載后，它們會(huì)拷貝到主存中。當(dāng) CPU 開始運(yùn)行時(shí)，指令又從內(nèi)存復(fù)制到 CPU 中。同樣的，字符串?dāng)?shù)據(jù) hello,world \n 最初也是在磁盤上，它被復(fù)制到內(nèi)存中，然后再到顯示器設(shè)備輸出。從程序員的角度來看，這種復(fù)制大部分是開銷，這減慢了程序的工作效率。因此，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，最主要的一個(gè)工作是讓程序運(yùn)行的越來越快。

由于物理定律，較大的存儲(chǔ)設(shè)備要比較小的存儲(chǔ)設(shè)備慢。而由于寄存器和內(nèi)存的處理效率在越來越大，所以針對這種差異，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者采用了更小更快的存儲(chǔ)設(shè)備，稱為高速緩存存儲(chǔ)器(cache memory, 簡稱為 cache 高速緩存)，作為暫時(shí)的集結(jié)區(qū)域，存放近期可能會(huì)需要的信息。如下圖所示

 

 

 

 

圖中我們標(biāo)出了高速緩存的位置，位于高速緩存中的 L1高速緩存容量可以達(dá)到數(shù)萬字節(jié)，訪問速度幾乎和訪問寄存器文件一樣快。容量更大的 L2 高速緩存通過一條特殊的總線鏈接 CPU，雖然 L2 緩存比 L1 緩存慢 5 倍，但是仍比內(nèi)存要快 5 - 10 倍。L1 和 L2 是使用一種靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SRAM) 的硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。最新的、處理器更強(qiáng)大的系統(tǒng)甚至有三級緩存：L1、L2 和 L3。系統(tǒng)可以獲得一個(gè)很大的存儲(chǔ)器，同時(shí)訪問速度也更快，原因是利用了高速緩存的 局部性原理。

“局部性原理：在 cs 中，引用局部性，也稱為局部性原理，是 CPU 傾向于在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)訪問同一組內(nèi)存的機(jī)制。

通過把經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)存放在高速緩存中，大部分對內(nèi)存的操作直接在高速緩存中就能完成。

存儲(chǔ)設(shè)備層次結(jié)構(gòu)

上面我們提到了L1、L2、L3 高速緩存還有內(nèi)存，它們都是用于存儲(chǔ)的目的，下面為你繪制了它們之間的層次結(jié)構(gòu)

 

 

 

 

存儲(chǔ)器的主要思想就是上一層的存儲(chǔ)器作為低一層存儲(chǔ)器的高速緩存。因此，寄存器文件就是 L1 的高速緩存，L1 就是 L2 的高速緩存，L2 是 L3 的高速緩存，L3 是主存的高速緩存，而主存又是磁盤的高速緩存。這里簡單介紹一下存儲(chǔ)器設(shè)備層次結(jié)構(gòu)，具體的會(huì)在后面介紹。

操作系統(tǒng)如何管理硬件

再回到我們這個(gè) hello 程序中，當(dāng) shell 加載并運(yùn)行 hello 程序，以及 hello 程序輸出自己的消息時(shí)，shell 和 hello 程序都沒有直接訪問鍵盤、顯示器、磁盤或者主存，相反，它們會(huì)依賴操作系統(tǒng)(operating System)做這項(xiàng)工作。操作系統(tǒng)是一種軟件，我們可以將操作系統(tǒng)視為介于應(yīng)用程序和硬件之間的軟件層，所有想要直接對硬件的操作都會(huì)通過操作系統(tǒng)。

 

 

 

 

操作系統(tǒng)有兩項(xiàng)基本的功能：

• 操作系統(tǒng)能夠防止硬件被失控程序?yàn)E用
• 向應(yīng)用程序提供簡單一致的機(jī)制來控制低級硬件設(shè)備。

那么操作系統(tǒng)是通過什么實(shí)現(xiàn)對硬件的操作的呢?無非是通過 進(jìn)程、虛擬內(nèi)存、文件 來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。

 

 

 

 

文件是對 I/O 設(shè)備的抽象表示，虛擬內(nèi)存是對主存和磁盤 I/O 設(shè)備的抽象表示，進(jìn)程則是對處理器、主存和 I/O 設(shè)備的抽象表示。下面我們依次來探討一下

進(jìn)程

進(jìn)程 是操作系統(tǒng)中的核心概念，進(jìn)程是對正在運(yùn)行中的程序的一個(gè)抽象。操作系統(tǒng)的其他所有內(nèi)容都是圍繞著進(jìn)程展開的。即使只有一個(gè) CPU，它們也支持(偽)并發(fā)操作。它們會(huì)將一個(gè)單獨(dú)的 CPU 抽象為多個(gè)虛擬機(jī)的 CPU。我們可以把進(jìn)程抽象為一種進(jìn)程模型。

在進(jìn)程模型中，一個(gè)進(jìn)程就是一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，進(jìn)程也包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器和變量的當(dāng)前值。從概念上來說，每個(gè)進(jìn)程都有各自的虛擬 CPU，但是實(shí)際情況是 CPU 會(huì)在各個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行來回切換。

 

 

 

 

如上圖所示，這是一個(gè)具有 4 個(gè)程序的多道處理程序，在進(jìn)程不斷切換的過程中，程序計(jì)數(shù)器也在不同的變化。

 

 

 

 

在上圖中，這 4 道程序被抽象為 4 個(gè)擁有各自控制流程(即每個(gè)自己的程序計(jì)數(shù)器)的進(jìn)程，并且每個(gè)程序都獨(dú)立的運(yùn)行。當(dāng)然，實(shí)際上只有一個(gè)物理程序計(jì)數(shù)器，每個(gè)程序要運(yùn)行時(shí)，其邏輯程序計(jì)數(shù)器會(huì)裝載到物理程序計(jì)數(shù)器中。當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后，其物理程序計(jì)數(shù)器就會(huì)是真正的程序計(jì)數(shù)器，然后再把它放回進(jìn)程的邏輯計(jì)數(shù)器中。

從下圖我們可以看到，在觀察足夠長的一段時(shí)間后，所有的進(jìn)程都運(yùn)行了，但在任何一個(gè)給定的瞬間僅有一個(gè)進(jìn)程真正運(yùn)行。

 

 

 

 

因此，當(dāng)我們說一個(gè) CPU 只能真正一次運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程的時(shí)候，即使有 2 個(gè)核(或 CPU)，每一個(gè)核也只能一次運(yùn)行一個(gè)線程。

由于 CPU 會(huì)在各個(gè)進(jìn)程之間來回快速切換，所以每個(gè)進(jìn)程在 CPU 中的運(yùn)行時(shí)間是無法確定的。并且當(dāng)同一個(gè)進(jìn)程再次在 CPU 中運(yùn)行時(shí)，其在 CPU 內(nèi)部的運(yùn)行時(shí)間往往也是不固定的。

如下圖所示，從一個(gè)進(jìn)程到另一個(gè)進(jìn)程的轉(zhuǎn)換是由操作系統(tǒng)內(nèi)核(kernel) 管理的。內(nèi)核是操作系統(tǒng)代碼常駐的部分。當(dāng)應(yīng)用程序需要操作系統(tǒng)某些操作時(shí)，比如讀寫文件，它就會(huì)執(zhí)行一條特殊的 系統(tǒng)調(diào)用 指令。

“注意：內(nèi)核不是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程。相反，它是系統(tǒng)管理全部進(jìn)程所用代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合。

 

 

 

 

我們會(huì)在后面具體介紹這些過程

線程

在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)地址空間和一個(gè)控制線程。事實(shí)上，這是大部分進(jìn)程的定義。不過，在許多情況下，經(jīng)常存在同一地址空間中運(yùn)行多個(gè)控制線程的情形，這些線程就像是分離的進(jìn)程。準(zhǔn)確的說，這其實(shí)是進(jìn)程模型和線程模型的討論，回答這個(gè)問題，可能需要分三步來回答

• 多線程之間會(huì)共享同一塊地址空間和所有可用數(shù)據(jù)的能力，這是進(jìn)程所不具備的
• 線程要比進(jìn)程更輕量級，由于線程更輕，所以它比進(jìn)程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷。在許多系統(tǒng)中，創(chuàng)建一個(gè)線程要比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程快 10 - 100 倍。
• 第三個(gè)原因可能是性能方面的探討，如果多個(gè)線程都是 CPU 密集型的，那么并不能獲得性能上的增強(qiáng)，但是如果存在著大量的計(jì)算和大量的 I/O 處理，擁有多個(gè)線程能在這些活動(dòng)中彼此重疊進(jìn)行，從而會(huì)加快應(yīng)用程序的執(zhí)行速度

進(jìn)程中擁有一個(gè)執(zhí)行的線程，通常簡寫為 線程(thread)。線程會(huì)有程序計(jì)數(shù)器，用來記錄接著要執(zhí)行哪一條指令;線程還擁有寄存器，用來保存線程當(dāng)前正在使用的變量;線程還會(huì)有堆棧，用來記錄程序的執(zhí)行路徑。盡管線程必須在某個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行，但是進(jìn)程和線程完完全全是兩個(gè)不同的概念，并且他們可以分開處理。進(jìn)程用于把資源集中在一起，而線程則是 CPU 上調(diào)度執(zhí)行的實(shí)體。

線程給進(jìn)程模型增加了一項(xiàng)內(nèi)容，即在同一個(gè)進(jìn)程中，允許彼此之間有較大的獨(dú)立性且互不干擾。在一個(gè)進(jìn)程中并行運(yùn)行多個(gè)線程類似于在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。在多個(gè)線程中，各個(gè)線程共享同一地址空間和其他資源。在多個(gè)進(jìn)程中，進(jìn)程共享物理內(nèi)存、磁盤、打印機(jī)和其他資源。因?yàn)榫€程會(huì)包含有一些進(jìn)程的屬性，所以線程被稱為輕量的進(jìn)程(lightweight processes)。多線程(multithreading)一詞還用于描述在同一進(jìn)程中多個(gè)線程的情況。

下圖我們可以看到三個(gè)傳統(tǒng)的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程有自己的地址空間和單個(gè)控制線程。每個(gè)線程都在不同的地址空間中運(yùn)行

 

 

 

 

下圖中，我們可以看到有一個(gè)進(jìn)程三個(gè)線程的情況。每個(gè)線程都在相同的地址空間中運(yùn)行。

 

 

 

 

虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存的基本思想是，每個(gè)程序都有自己的地址空間，這個(gè)地址空間被劃分為多個(gè)稱為頁面(page)的塊。每一頁都是連續(xù)的地址范圍。這些頁被映射到物理內(nèi)存，但并不是所有的頁都必須在內(nèi)存中才能運(yùn)行程序。當(dāng)程序引用到一部分在物理內(nèi)存中的地址空間時(shí)，硬件會(huì)立刻執(zhí)行必要的映射。當(dāng)程序引用到一部分不在物理內(nèi)存中的地址空間時(shí)，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將缺失的部分裝入物理內(nèi)存并重新執(zhí)行失敗的指令。

在某種意義上來說，虛擬地址是對基址寄存器和變址寄存器的一種概述。8088 有分離的基址寄存器(但不是變址寄存器)用于放入 text 和 data 。

使用虛擬內(nèi)存，可以將整個(gè)地址空間以很小的單位映射到物理內(nèi)存中，而不是僅僅針對 text 和 data 區(qū)進(jìn)行重定位。下面我們會(huì)探討虛擬內(nèi)存是如何實(shí)現(xiàn)的。

虛擬內(nèi)存很適合在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用，許多程序的片段同時(shí)保存在內(nèi)存中，當(dāng)一個(gè)程序等待它的一部分讀入內(nèi)存時(shí)，可以把 CPU 交給另一個(gè)進(jìn)程使用。

文件

文件(Files)是由進(jìn)程創(chuàng)建的邏輯信息單元。一個(gè)磁盤會(huì)包含幾千甚至幾百萬個(gè)文件，每個(gè)文件是獨(dú)立于其他文件的。它是一種抽象機(jī)制，它提供了一種方式用來存儲(chǔ)信息以及在后面進(jìn)行讀取。

網(wǎng)絡(luò)通信

現(xiàn)代系統(tǒng)是不會(huì)獨(dú)立存在的，因此經(jīng)常通過網(wǎng)絡(luò)和其他系統(tǒng)連接到一起。從一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)來看，網(wǎng)絡(luò)可以視為 I/O 設(shè)備，如下圖所示

 

 

 

 

當(dāng)系統(tǒng)從主存復(fù)制一串字節(jié)到網(wǎng)絡(luò)適配器時(shí)，數(shù)據(jù)流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)另一臺(tái)機(jī)器，而不是說到達(dá)本地磁盤驅(qū)動(dòng)器。類似的，系統(tǒng)可以讀取其他系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)復(fù)制到自己的主存中。

隨著 internet 的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)從一臺(tái)主機(jī)復(fù)制到另一臺(tái)主機(jī)的情況已經(jīng)成為最重要的用途之一。比如，像電子郵件、即時(shí)通訊、FTP 和 telnet 這樣的應(yīng)用都是基于網(wǎng)絡(luò)復(fù)制信息的功能。