六星经典CSAPP笔记(1)计算机系统巡游

CSAPP即《Computer System: A Programmer Perspective》的简称，中文名为《深入理解计算机系统》。相信很多程序员都拜读过，之前买的旧版没有读完，如今恰好第二版出版，就入手影印版重读经典。一读果然，经典依然是经典，CMU卡内基梅隆大学的本科教材，堪比另一本SICP的六星佳作啊！

1.A Tour of Computer System

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1.1 Programs Are Translated by Other Programs into Different Forms

“程序被其他程序翻译成不同的形式。”简单一句话，却道破了本质。

整个过程对于程序员，尤其是C程序员都颇为熟悉：

• 源文件.c =》 预处理各种#命令.i =》 翻译成汇编.s =》 翻译成机器码.o =》 链接外部文件成最终可执行文件

值得注意的是：汇编语言是如此有用，因为它为不同的编译器提供了公共的输出语言。

1.2 It Pays to Understand How Compilation Systems Work

为什么要知道上面这些编译系统的工作过程呢？

1. 优化程序性能
2. 理解链接时错误
3. 避免安全漏洞

打断一下，说一个有趣的问题：CPU空闲时PC指向哪里？这也是一直困扰我的问题。很早以前电脑还装过一种叫Waterfall的CPU降温软件，当时很流行，而且确实好用。

1.3 Caches Matter

为什么缓存很重要？先来看一个例子，看一下在命令行执行一段简单程序时，在硬件中都发生了什么。

1）首先，在命令行中敲击./hello后(注意：此时还没敲回车)，Shell将"hello"字符串通过I/O总线读取到CPU寄存器中，并保存到内存。

2）之后，当我们敲回车后，Shell就开始从磁盘加载程序到内存中了（DMA技术能不通过CPU，直接让磁盘和内存通信）。

3）现在hello文件中包含的代码已加载到内存，CPU开始逐条执行机器码了。最终将代码中的"hello, world"读取到寄存器，最终打印到显示器。

通过这个小例子我们就能看出计算机系统的特点：系统耗费大量时间把数据挪来挪去。

于是，为了提高系统性能就有两种策略：

1. 要么添加缓存，什么CPU的L1/2，磁盘的...
2. 要么最小化数据移动，如内存计算(in-memory computing)

第二种策略不是本书的主题了，还是说回到缓存吧。所以说缓存很重要！接下来一节看下缓存对并发的影响。

1.4 Thread-Level Concurrency & Instruction-Level Parallelism

下图以Intel Core i7微处理器为例，i7有四核，每个核心都有自己的L1和L2缓存，但共享更高层次的L3缓存。

每个核心都是超线程技术(hyperthreading)，即每个核心中有多套PC和寄存器，但只有一个ALU。这样CPU有更好的并发，例如当某个线程在等待一些数据加载时，CPU可以先去执行一个不同的线程。而且无需上下文切换，因为前面提到了CPU的一些硬件单元是有多份的。而管道化技术(pipelining)将一个指令的执行进一步洗分为多步(是不是有点像Tez对Hive的优化，Tez也是将MR任务细分为许多种，从而进行优化)，从而将部分指令并行化。