《程序员的自我修养–链接、装载与库》第一章阅读笔记 Terry.Tang 原创作品转载请注明出处 《程序员的自我修养–链接、装载与库》阅读笔记1/10 2017/4/18

一.基本概念

回顾计算机软硬件体系中的几个重要概念，在计算机繁多的硬件设备中，三个部件最为关键：重要处理器CPU、内存和I/0控制芯片。而我们程序员的目的就是充分利用这三个部分。

南北桥结构

1. 设计原因：分离低速设备和高速设备，简化单一的北桥结构的设计成本。
2. 设计方式：南桥(ISA)负责处理低速设备—Modern, Sound card, Printer等；北桥(PCI)负责处理高速设备—内存，USB接口，图形设备等；南北桥硬件结构图如下图所示：

SMP和多核

对称多处理器(SMP,Symmetrical Multi-Processing）: 多个CPU并行，所处地位和功能一样，相互对称的。
缺点：我们的程序并不能同时分解成多个不相干的子问题同时运行在各个CPU上；并且成本太高
使用场合：大型数据库，网络服务器上，同时处理相互独立的大量请求
改进方式：保留多个核心，共享价格昂贵的缓存部件—–多核处理器（Multi-core Processor）

系统软件

可大致分为两类：
1.平台软件—操作系统，驱动程序，运行库，系统工具（应用程序）
2.辅助程序开发—编译器，汇编器，链接器等开发工具和开发库
本书重点介绍：链接器，运行库和开发库

计算机系统软件体系结构中–分层结构的几个概念：

• **接口(Interface)：**每个层次之间相互通信的通信协议，接口的下面层来提供并定义接口，接口的上面层来使用接口提供的功能—-接口尽可能保持不变，向后兼容

• 中间层：除了硬件和应用程序，其他都是中间层

比如：系统调用接口的实现是通过软件中断(Software Interrupt)的方式提供的，Linux—0x80中断号； Window—0x2E号中断

二.操作系统

**两个功能：**提供抽象的接口和管理硬件资源

1.CPU利用率

演变方式：单一运行一个程序–>多道运行程序–>分手系统—>多任务系统(使得多进程能很好共享CPU) 操作系统接管了所有的硬件资源，并且本身运行在一个受硬件保护的级别。所有的应用程序都以进程（Process）的方式运行在比操作系统权限更低的级别，每个进程都有独立的地址空间，使得进程之间的地址空间相互隔离。 多任务系统中：目前CPU分配方式比较流行的是抢占式(Preemptive)—优先级决定

2.I/O设备驱动

操作系统作为硬件层的上层，是对硬件的管理和抽象，其中的硬件设备驱动程序处理所有的硬件细节，它和操作系统内核一起运行在特权级，但和内核只有有一定的独立性。 设备驱动程序的开发工作一般由硬件厂家完成，操作系统为其提供相应的接口和框架，凡是按照这个接口和框架进行开发的驱动程序都能够。

三.内存利用

当多任务系统出现之后，CPU的利用率得到提升，那么接下来有一个明显的问题：如何将计算机上有限的物理内存分配给多个程序使用

原始的物理内存直接使用的方式存在以下几个问题：

1. 地址空间不隔离：恶意的程序可以修改其他程序的内存数据，导致其他任务崩溃
2. 内存使用效率低：程序执行时，监控程序需要将整个程序装入内存中开始运行，任务切换时候，内存不够，则将当前运行程序写回到磁盘中。—大量数据换入换出，效率十分低下
3. 程序运行的地址不确定：内存给程序的空闲区域的位置是不确定的，不利于编写程序，因为程序编写时，访问数据和指令跳转时的目的地址很多都是固定的。
   ——为了解决这几个问题，增加中间层—虚拟地址，通过某些映射的方式，将整个虚拟地址转换成实际的物理地址。

1.解决隔离问题

程序的最佳执行环境：一个单一的地址空间，自己的CPU，占有整个计算机资源不用关心其他的程序。 地址空间概念：可想象成一个很大的数组，每个数组的元素是一个字节，而这个数组大小由地址空间的地址长度决定，比如32位（地址线决定是多少位）的地址空间位4GB。

地址空间可分为虚拟地址空间（Virtual Address Space） & 物理地址空间（Physical Address Space）

注意：物理地址空间可能是4G，但是可能由于内存条只有2G，所有有效的物理地址就只是前面2G了 解决地址空间不隔离和运行地址不确定的方式——-分段(Segmentation)

分段(Segmentation)

由操作系统设置映射函数,实际由硬件完成，将程序所需要的内存大小的虚拟空间映射到某个地址空间。

解决内存使用效率低下的问题——-分页(Paging)

分页(Paging)**

概念：把地址空间(虚拟&物理)人为地等分成固定大小的页，每一页的大小由硬件决定，或者硬件支持多种大小的页，由操作系统来选择决定页的大小。

当我们把进程的虚拟地址空间按页分割，把常用的数据和代码页装载到内存中，把不常用的代码和数据保存到磁盘中，在需要用的时候再把它从磁盘中取出来即可(页错误中断)。

![这里写图片描述](http://img.blog.csdn.net/20170418201138609?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvdGFuZzE1MjQ1Mw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast)

注意：虚拟存储的使用依靠MMU的部件(集成在CPU内部)来完成页映射。