程序员的自我修养 — 读书笔记

[toc]

第一部分 简介

第一章 温故而知新

1.1 从Hello world 说起

1
2
3
4
5
6
#include<stdio.h>

int main(){
    printf("hello world");
    return 0;
}

hello world 代码引伸的问题：

  • 为什么要编译后再运行
  • C语言在转化为机器码的过程中发生了什么
  • 最后形成的机器码里有什么，是怎么组织、存放的
  • #include<stdio.h> 干了什么？C语言库是什么？怎么存放的？
  • 不同的平台最终编译的结果一样吗？
  • 运行hello world 时，是怎么运行、装载、开始、结束
  • 没有操作系统，能否运行hello world
  • printf 是怎么实现的
  • hello world 运行的时候，在内存中是怎样的。

1.2 万变不离其宗

本书的中所指的计算机：==x86 指令集的 PC==

PC中最重要的3个部件：CPU、内存、IO

image-20210901133852668

3个阶段

  • 早期CPU与内存速率差不多，所以接在系统总线。

  • CPU速率提高，出现北桥【PCI 桥】，协调CPU、内存、显卡的速率

  • 出现南桥，处理相对较慢的设备（键盘、鼠标、usb、硬盘）

1.3 站得高看得远

系统软件

  • 平台性：操作系统、驱动程序
  • 程序开发：编译器、汇编器、链接器

image-20210901135723017

image-20210901141200897

接口

每个层次之间通信的协议，接口的下面是服务的提供者，上面是调用者。（中间层是对下层的包装和扩展）

系统调用

系统调用往往以 软件中断的形式提供。（Linux：0x 80 号中断）

1.4 操作系统做什么

OS的2个主要作用:

  • 提供 抽象接口
  • 管理 硬件资源
1.4.1 不要让CPU打盹

  • 多道程序：监控 CPU，当 CPU 空闲时，执行等待的程序

  • 分时操作系统：程序没运行一段时间，就将 CPU 让给其他程序。

  • 多任务系统：OS 管理硬件资源，OS以高级别运行，进程以低级别运行，进程之间相互隔离。抢占式分配CPU资源，时间到了就暂停进程。

1.4.2 设备驱动

磁盘的组成：

1
2
3
4
5
硬盘（基本存储单位：扇区【sector,512 B】）
|-- 盘片
	|-- 盘面
		|-- 磁道
			|-- 扇区

磁盘中，扇区的划分：LBA（将所有扇区从0开始编号，形成逻辑扇区，再由磁盘自己来将逻辑扇区转化为真实的盘面、磁道）

1.5 内存不够怎么办

问题：不隔离、效率低、地址不确定

解决：加一个中间层 =》 虚拟地址

1.5.1 隔离

进程只关注自己，在进程看来自己独享内存和cpu，进程只能访问自己的空间

地址空间

  • 虚拟地址
  • 物理地址
1.5.2 分段

内存管理

分段：将虚拟地址分割为【 段选择子（段号+标志）+ 段内偏移】。其中，段号可以找到段表，段表由CPU中的MMU来管理，MMU 负责虚拟地址与物理地址的映射。

分段的方式解决了1.5小节一开始提到的==【地址不隔离、地址不确定】==的 2个 问题，还存在着==【内存使用效率低】==的问题，该问题可以通过==内存分页==来解决。

1.5.3 分页

分页：将内存分为若干个==固定大小的页==，页的大小由==硬件来决定==。（Linux：4 KB/页）

页的分类

  • 虚拟页：虚拟地址
  • 物理页：物理地址的页（内存：存放经常使用的页）
  • 磁盘页：磁盘中的页（存放不常使用的页）

多个==虚拟页==映射到==同一个物理页== =》 内存共享

进程需要用到虚拟页的内容，但内存中不存在虚拟页的内容时，产生==页错误==，由OS接管内存，并读取所需的数据到内存中。

image-20210901162723883

1.6 众人拾柴火焰高

1.6.1 线程基础

线程的概念

线程，也叫==轻量级进程==，是程序执行的最小单位。线程之间共享进程的资源（如：代码、数据、堆栈）

标准的线程

标准的线程 = 线程 ID + 当前的指令指针PC + 寄存器 + 堆栈

多线程的优势（使用多线程的原因）

  • 多线程可以有效利用等待时间（提高利用率）
  • 多线程可以分工协作，提高效率
  • 程序本身要求并发
  • 多核计算机本身具备多线程的能力，多线程可以充分发挥性能
  • 数据共享效率高

线程的访问权限

image-20210901164201147

线程调度

线程调度：CPU中不断切换不同的线程。

时间片：某个线程执行的时间。

线程调度的 3种状态（至少3种）

  • 就绪
  • 运行
  • 等待

image-20210901164624388

线程调度的 2 种 方式

  • 优先级法 调度
  • 轮转法 调度

线程调度的优先级

线程可以有自己的优先级，优先级可以由用户来设置。

一般来说，频繁等待的线程（IO密集型线程） 比 频繁运行的线程（CPU密集型线程） 更容易获得更高的优先级。（柿子要捡软的捏）

改变线程的优先级（3种方式）

image-20210901165342032

Linux的多线程：

在Linux中，进程和线程实际上都叫 Task任务，只是类似单线程的进程。

不同的任务之间，可以选择共享内存。

linux的多线程操作：

linux的多线程操作

注意：

  • fork：只复制任务，不复制内存（写时复制 COW），需要与 exec 配合使用才能启动==新任务==
  • clone：产生新线程

cow

1.6.2 线程安全
1.6.3 多线程内部情况

第二部分 静态链接

第三部分 装载与动态链接

第四部分 库与运行库