《程序员的自我修养-装载、链接与库》笔记

很就之前读过这本书,今日重读,作笔记。

操作系统

计算机体系结构

操作系统提供的一个重要功能是管理底层的硬件并且将其抽象为API向上层提供服务。

原始的程序是直接跑在物理内存上的,比如一共有100M内存,A程序需要10M,B程序需要50M,C程序也需要50M,那么如果现在A和B在跑, C就没法跑,因为内存不够用,此外还有很多问题:

  • 地址空间不隔离:这对于程序的安全有很大的问题,A程序可能有意或者无意,导致改写了B程序的内容,这会导致B程序出现不可预料的问题
  • 内存使用效率低:由于整个程序都要加载到内存里,如果我们想要运行C,这个时候必须将B搬出来才可以,但是这又会导致B无法运行
  • 程序运行的地址不确定:由于每次程序进入内存,都要分配一块连续的足够大的空闲的内存,久而久之,此次分配的内存地址与上一次所在 的内存地址未必相同,所以程序每次运行的内存地址是不确定的

因此引入了分段的管理方法,也就是不再让程序直接使用物理内存,转而使用虚拟内存地址,我们按程序所需要的大小,为其分配虚拟内存地址, 这就叫分段,这样解决了上面的1和3的问题,借助虚拟内存,可以使得程序每次都假使自己使用的内存地址从0开始,而硬件直接将他们映射到 物理内存的某一段。

为了解决2,引入了分页的技术。也就是把整个程序切成固定大小的长度,比如4KB。每一个4KB,就是一页。虚拟内存空间的页叫做 虚拟页(Virtual Page, VP),物理内存的页叫做物理页(Physical Page, PP),磁盘中的页叫做磁盘页(Disk Page, DP)。通过MMU来进行 内存位置的映射。

线程和进程

一个标准的线程有以下几个部分组成:

  • 线程ID
  • 当前指令指针(PC)
  • 寄存器集合
  • 堆和栈

线程是程序执行流的最小单元,也是CPU调度的最小单元。一般来说,一个进程由一个到多个线程组成,各个线程之间共享程序的内存空间 比如代码段,数据段,堆等,以及一些进程级别的资源比如所打开的文件和信号等。

我们一般把频繁等待的线程称之为I/O密集型线程,很少等待的线程则叫做CPU密集型线程。

三种线程模型:

  • 内核线程:用户态线程 = 1:1:缺点是内核线程数量有限,所以用户态线程真正并发的数量也有限;内核线程上下文切换开销大
  • 内核线程:用户态线程 = 1:1:这个几乎不存在,因为内核线程一般都不止一个
  • 内核线程:用户态线程 = 1:1:这个结合了上述两种的好处,可以有无数的用户态线程和较低的切换开销

静态链接和动态链接

一个简单的Hello World的C程序,其实有这么几个步骤:

  • 预处理:把源码里的头文件、宏定义等展开,插入,生成为一个 .i 的文件
  • 编译:把上一步得出来的文件进行一系列词法分析,语法分析,语义分析,优化之后生成对应的汇编代码
  • 汇编:把汇编码变成机器码
  • 链接:由于上述步骤生成出来的变量、地址等都还不是确定的,因此在这一步,进行这种工作。把各个模块之间的互相引用的部分都处理好, 使得各个模块之间能够正确的衔接。主要包括:地址和空间分配,符号决议和重定位等。

静态链接完成之后,整个程序运行所需要的库等,都会打包在可执行文件里,因此空间上有点浪费(可以参考Go编译出来的程序,都很大), 此外还有一个问题就是,没有办法动态的更新程序中的一部分,只要代码或者其依赖的库有变化,就必须重新打包,发布。因此有了动态 链接,动态链接就是把程序的模块分割开来,形成独立的文件,不对那些组成程序的目标文件进行链接,而是把这个工作退后到了运行时。 需要的时候,再进行链接的工作。


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