linux编程入门2.pdf

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1、CH01 A Tour of Computer Systems计算机系统的五个事实程序生命周期高速缓存与存储器层次结构操作系统管理硬件2010_Spring_csapppe.cqnu2 Reality#1:Ints are not Integers,Floats are not Reals计算机系统的五个事实.1Is x2 0?Floats:Yes!Ints:40000*40000 -1600000000 500000*500000 -?Is(x+y)+z =x+(y+z)?Unsigned&Signed Ints:Yes!Floats:(1e20+-1e20)+3.14-3.14 1e20+

2、(-1e20+3.14)-?3计算机算术不能产生随机值 算术操作具有重要的数学性质结论：需要理解哪种抽象应用在哪个上下文中。对编译器的编写者和重要应用的编程者都是重要的问题。计算机系统的五个事实.1不能想当然地认为具有通常的特性由于表示的有限性整数操作要满足“环”的特性：交换律，结合律，分配律浮点操作要满足“有序”的特性：单调性，值的正负号4Reality#2:Youve got to know assembly可能你永远不会用汇编语言写程序编译器比人更好一些，也更细致一些理解汇编是解释机器级执行模型的钥匙存在 bugs 的程序行为导致高级语言模型失效调优程序性能需要理解程序源代码的低效实现系

3、统软件的需要：a.编译器以机器码作为目标 b.操作系统必须管理进程状态计算机系统的五个事实.25Reality#3:Memory Matters内存不是无限的必须分配和管理内存许多应用程序是内存受限的内存引用 bugs 尤其致命在时间和空间上影响都很大计算机系统的五个事实.3内存性能不是始终如一的高速缓存和虚拟存储效应会极大地影响程序性能修改程序以适合存储系统特性可以带来极大的速度提升6Memory Referencing ErrorsC 和 C+没有提供任何的内存保护数组引用越界无效指针值滥用 malloc/free会导致难缠的 bugs是否有影响依赖于系统和编译器bugs 的作用在时间上较

4、远损坏的对象逻辑上与正在访问的对象无关bug 的影响可能在其产生很长时间后才观察到。计算机系统的五个事实.3如何处理：使用 Java，Lisp 或机器语言编程；理解可能发生什么样的交互；使用或开发检查引用错误的工具7Memory Performance Exampleint sum_array(int aMN)int i;int j;int sum=0;for(i=0;i M;i+)for(j=0;j N;j+)sum+=aij;return sum;计算机系统的五个事实.3int sum_array(int aMN)int i;int j;int sum=0;for(j=0;j N;j+)f

5、or(i=0;i N;i+)sum+=aij;return sum;8Reality#4:Theres more to performance than asymptotic complexity其他与性能有关的不变因素依赖于如何编写代码，很容易看到 10:1 的性能范围必须在多个层次上优化：算法、数据表示、过程和循环要优化性能必须深入理解系统程序如何被编译和执行如何测量程序性能并确定瓶颈如何提高性能而不用破环代码的模块性和一般性计算机系统的五个事实.49Reality#5:Computers do more than execute programs计算机需要数据输入输出I/O 系统对程序可

6、靠性和性能具有决定性的作用计算机通过网络进行通信网络存在时，许多系统级的问题就出现了多个独立进行的并发操作使用不可靠的媒体复制跨平台的兼容性复合的性能问题。计算机系统的五个事实.5CH01 A Tour of Computer Systems计算机系统的五个事实程序生命周期高速缓存与存储器层次结构操作系统管理硬件2010_Spring_csapppe.cqnu11Information is bits+contexthello 程序的生命从源程序 hello.c 开始，hello.c 是一个 0,1bit 序列现代系统使用 ASCII 编码来表示文本字符，即使用 1 byte 的二进制数来对文

7、本字符编码；hello.c 以字节序列的方式存储在文件中的；由 ASCII 字符构成的文件称为文本文件；而其他文件则称为二进制文件，区分的方法是读取文件时的上下文 context；可见，文件的信息就是位+上下文。程序的生命周期.信息计算机中传输的数据，将 8bit 组成一组，称为 byte(字节)虽然文件都是 bit 组成的序列，但系统(如 linux)或程序可根据文件头部信息来识别文本文件和二进制文件：通常文本文件不含头部信息，而二进制文件包含特殊的头部信息。12谁在调用 gcc程序的生命周期.程序的编译hello.c 的编译和执行是在 shell 中调用 gcc 编译程序来完成，shell

8、 是一个命令解释器程序，用于执行可执行命令或程序。常见的 shell:Bash、TC shell；/Linux Bourne shell、C shell Korn shell/UNIX13Shell 命令的格式程序的生命周期.程序的编译命令的格式：command parameter如果参数以-打头，则该参数是选项,选项名为单个字母或数字如果多个选项均不要求值的话，它们可以集中放在一个-之后作为一个单词，因而-abc 等价于-a-b-c选项可以要求有值。如 gcc 的-o 选项要求一个值:输出文件名选项和它的值可以分开或不分开。因此-o foo 等价于-ofoo参数-终止所有选项。任何后继参数均

9、视为非选项参数，即使它们以-打头也如此。由一个短横线字符组成的单词按非选项参数解释通常，选项先于其他非选项参数14Shell 的功能程序的生命周期.程序的编译在 shell 中输入命令或程序名回车后，其典型执行流程：读取终端输入；解释执行；输出(到终端、文件或其他程序等等)shell 还是一门编程语言，可以组合各个 UNIX 工具程序。15程序编译的 4 阶段程序的生命周期.程序的编译作业 1：安装 linux 操作系统，完成上面的实验；搜索常见的可执行文件格式，作出简要说明。Pre-processor(cpp)hello.i Compiler(cc1)hello.sAssembler(as)

10、hello.oLinker(ld)hellohello.cSourceprogram(text)Modifiedsourceprogram(text)Assemblyprogram(text)Relocatableobjectprograms(binary)Executableobjectprogram(binary)printf.old hello.o /usr/lib/crt1.o /usr/lib/crti.o /usr/lib/crtn.o -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -lc -o hello /gcc hello.c -o hello cpp

11、 hello.c -o hello.i /gcc hello.c -o hello.i -E/usr/lib/gcc/i586-mandriva-linux-gnu/4.4.1/cc1 hello.i -o hello.s /gcc hello.c -o hello.s -S as hello.s -o hello.o /gcc hello.c -o hello.o -c16程序编译说明程序的生命周期.程序的编译cpp:主要用于处理预处理指令。cc1:用于编译预处理程序，得到汇编语言程序。汇编语言为不同高级语言的不同编译器提供了通用的输出语言。as:将汇编程序翻译为机器语言指令程序。这些指令按

12、可重定位目标程序的格式存放在文件 hello.o 中。hello.o 中只包含了程序员写的指令信息模块，没有包含其调用的系统程序模块(如 stdio 库函数模块)。ld:将应用程序、需要调用的系统程序模块、其他运行时模块(crt*.o)链接起来，使之成为真正可以执行的完整程序。作业 2：搜索 crt*.o 的用途，简要说明。17Shell 执行用户程序程序的生命周期.程序的执行Shell 除了执行可以执行内置命令之外，还可以加载和执行用户自己编写的程序。rootlocal./hellohello,world!rootlocal 如果键入 shell 的命令行的第一个单词不是一个内置的命令，sh

13、ell 就会假设这是一个可执行文件的名字，会到该可执行文件的路径上去加载和执行该文件。但要了解运行 hello 程序时，系统是如何动作的，就需要理解一个典型的计算机硬件组织。18Intel Pentium 系统的结构程序的生命周期.程序的执行MainmemoryI/O bridgeBus interfaceALURegister fileCPUSystem busMemory busDisk controllerGraphicsadapterUSBcontrollerMouse KeyboardDisplayDiskI/O busExpansion slots forother devices

14、 suchas network adaptershello executable stored on diskPC物理上、逻辑上的组成系统的硬件组成19Pentium 的总线和 I/O程序的生命周期.程序的执行总线(bus):连接 2 个或多个部件的通信线路。一般由多条通信线路组成，常见的总线类型有数据总线 DB、地址总线 AB 和控制总线 CB 等 3 类。例如，DB 通常包括 8 位、16 位和 32 位根线，这些线的数目称为数据总线的宽度，也是 CPU 可以一次处理的二进制位的个数，这就是常常所说的字(word)。不同的计算机体系中，字长也不尽相同。I/O 设备是系统与外界联系的通道。每

15、个 I/O 设备都通过一个 I/O 控制器或者适配器与总线连接起来，与系统进行通信。20Pentium 的 CPU 和主存程序的生命周期.程序的执行CPU 是执行存储在主存中机器指令的引擎。主要由运算器、控制器、寄存器堆和片内总线组成。运算器用于计算；控制器用于解释指令并控制各个部件的动作；寄存器堆若干个(32 位)寄存器的集合，每个寄存器都有惟一的一个名字；片内总线把各个部件则连接起来。寄存器堆中有一个称为 PC 的寄存器，里面存放了即将被 CPU 执行的机器指令在主存中的地址。主存是一个临时存储设备，用于存放 CPU 执行程序时所需要的代码和数据。物理上，主存是由一组 DRAM 芯片组成的

16、。逻辑上来看，存储器是一个线性编址的字节数组。21读取 hello 程序程序的生命周期.程序的执行MainmemoryI/O bridgeBus interfaceALURegister fileCPUSystem busMemory busDisk controllerGraphicsadapterUSBcontrollerMouse KeyboardDisplayDiskI/O busExpansion slots forother devices suchas network adaptersPChelloUsertypeshello从键盘上读取 hello 命令22加载可执行文件到主存

17、程序的生命周期.程序的执行MainmemoryI/O bridgeBus interfaceALURegister fileCPUSystem busMemory busDisk controllerGraphicsadapterUSBcontrollerMouse KeyboardDisplayDiskI/O busExpansion slots forother devices suchas network adaptershello executable stored on diskPChello codehello,worldn23执行程序并输出程序的生命周期.程序的执行Mainmem

18、oryI/O bridgeBus interfaceALURegister fileCPUSystem busMemory busDisk controllerGraphicsadapterUSBcontrollerMouse KeyboardDisplayDiskI/O busExpansion slots forother devices suchas network adaptershello executable stored on diskPChello codehello,worldnhello,worldnCH01 A Tour of Computer Systems计算机系统的

19、五个事实程序生命周期高速缓存与存储器层次结构操作系统管理硬件2010_Spring_csapppe.cqnu25高速缓存高速缓存与存储器层次结构Mainmemory(DRAM)MemorybridgeBus interfaceL2 cache(SRAM)ALURegister fileCPU chipCache busSystem busMemory busL1 cache(SRAM)由于Von Noeumann是存储执行的体系，该类系统会花费大量的时间把信息从一个地方拷贝到另一个地方，系统设计的一个主要目标就是使这些拷贝操作尽可能地快。由于处理器的运行速度越来越快，存储设备只有采取缓存和层次

20、结构的方法来弥补其速度上的差距。处理器与主存之间的速度差距不断增大，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，来匹配二者的运行速度。26存储器层次结构高速缓存与存储器层次结构RegistersOn-chip L1cache(SRAM)Main memory(DRAM)Local secondary storage(local disks)Larger,slower,and cheaper(per byte)storagedevicesRemote secondary storage(distributed file systems,Web servers)Local disks

21、 hold files retrieved from disks on remote network servers.Main memory holds disk blocks retrieved from local disks.Off-chip L2cache(SRAM)L1 cache holds cache lines retrieved from the L2 cache.CPU registers hold words retrieved from cache memory.L2 cache holds cache lines retrieved from memory.L0:L1

22、:L2:L3:L4:L5:Smaller,faster,and costlier(per byte)storage devicesCH01 A Tour of Computer Systems计算机系统的五个事实程序生命周期高速缓存与存储器层次结构操作系统管理硬件2010_Spring_csapppe.cqnu28计算机系统的分层操作系统管理硬件Application programsProcessor Main memoryI/O devicesOperating systemSoftwareHardware当 shell 加载和运行 hello 程序，hello 程序输出自己的消息时，程序

23、实际上没有直接访问键盘、显示器、磁盘或内存；而是通过操作系统提供的服务(库函数和系统调用)完成这些操作。操作系统是应用程序和硬件之间的接口，所有应用程序对硬件的操作都必须通过操作系统。操作系统的目的：防止硬件被应用程序滥用；为应用程序访问硬件提供统一的抽象机制。29操作系统的抽象机制Processor Main memoryI/O devicesProcessesFilesVirtual memoryOS 提供的抽象机制文件是 I/O 设备的抽象表示；虚拟存储器是对主存和磁盘 I/O 设备的抽象表示；进程则是对处理器、主存和 I/O 设备的抽象表示。操作系统的基本抽象：操作系统管理硬件30进程

24、简介程序执行时，操作系统会提供一种假象，好像程序在独占地使用处理器、主存和 I/O 设备。这些假象是通过进程的方式来实现的。进程是程序的运行实体，是操作系统对运行程序的一种抽象。一个系统上可以同时运行多个进程，每个进程都好像是独占地使用硬件，这就是并发运行。实际上，并发运行是一个进程的指令和其他进程的指令交错执行，操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换(context switching)。进程切换时，操作系统保存进程运行所需的所有状态信息就是进程的上下文，包括 PC 和寄存器堆的当前值，以及主存的内容(主要是进程相关的数据结构)。操作系统管理硬件31进程切换在任一个时刻，系统上都只有一

25、个进程正在运行。当操作系统决定从当前进程转移控制权到某个新进程时，它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，然后将控制权转移到新进程。新进程就会从上次停止的地方开始运行。操作系统管理硬件shell processhello processApplication codeTimeContext switch Context switchOS codeApplication codeOS codeApplication codesystem call32进程的实现实现进程机制需要底层硬件和操作系统软件的紧密合作。进程这个抽象概念还暗示着由于不同的进程交错执行，打乱了时间的概

26、念，使得程序员很难获得运行时间的准确和可重复测量。操作系统管理硬件作业 4：请查阅操作系统书籍，简单了解进程的组成和 Linux 中进程的实现。33线程现代系统中，一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。操作系统管理硬件34存储器存储器是存放信息的电路或磁性介质，一个单元电路或磁性单元用于存放一个二进制位 bit，因此，可将信息用二进制数编码后以编码的形式存储在存储器中的。存储器使用 8bit 的字节 byte，作为其最小的可寻址的存储单元。存储器的每个字节都被赋予一个唯一的数字编号，称为字节的地址，所有地址的范围就称为存储容

27、量。CPU 使用地址来访问存储器对应的字节，此时需要三种总线相配合。存储器的容量通常也以字节计，例如，主存容量有 512MB、1GB等，磁盘容量有 320GB、550GB、1000GB=1TB 等。操作系统管理硬件.虚拟存储器35物理寻址物理地址空间：物理内存按字节编址所得到的地址范围称为物理地址空间。物理地址空间的大小由处理器芯片的地址引脚决定，因此 32 位 x86处理器，其物理地址空间为 4GB。但真实物理内存容量常小于 4GB。在早期的计算机中，CPU 访问存储器的最自然的方式就是使用物理地址，这种方式称为物理寻址。这种方式无法支持多任务。操作系统管理硬件.虚拟存储器36虚拟寻址为通用

28、计算设计的现代处理器使用的是虚拟地址来访问内存，称为虚拟寻址。这种寻址方式能有效地支持多任务，每个任务都有自己私有的虚拟内存空间。操作系统管理硬件.虚拟存储器37虚拟存储器虚拟存储器 Virtual Memory 是 CPU 对主存的抽象视图。根据虚拟寻址，CPU 通过生成一个虚拟地址(Virtual Address)来访问主存，这个虚拟地址在被送到存储器的地址线之前，先转换成适当的物理地址。操作系统管理硬件.虚拟存储器将一个虚拟地址转换为物理地址的任务叫做地址翻译。地址翻译需要 CPU 硬件和操作系统软件之间的紧密合作。CPU 芯片上叫做 MMU 的专用硬件，利用放在主存中的查询表来动态翻译

29、虚拟地址，该表的内容是由操作系统管理的。38虚拟存储器地址空间操作系统管理硬件.虚拟存储器Kernel virtual memoryMemory-mapped region forshared librariesRun-time heap(created by malloc)User stack(created at runtime)Unused0%esp(stack pointer)Memoryinvisible touser codebrk0 xc00000000 x080480000 x40000000Read/write segment(.data,.bss)Read-only segment(.init,.text,.rodata)Loaded from the executable fileprintf()%ebp(frame pointer)%eip(instruction pointer)39文件文件是一个字节序列。所有 I/O 设备，包括磁盘、键盘、显示器，甚至于网络，都可以看成是文件。系统中的所有输入输出都是通过使用称为 Unix I/O 的一小组系统调用读写文件来实现的。操作系统管理硬件.虚拟存储器文件使得应用程序能够统一地看待系统中可能含有的各式各样的 I/O设备，而无须了解具体的硬件细节。