操作系统

每条C语句都必须被其他程序转化为一系列的低级机器语言指令，然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。

编译系统->（预处理器，编译器，汇编器，连接器）

hello.c->预处理器->hello.i->编译器->hello.s->汇编器->hello.o->连接器->hello可执行目标文件

预处理阶段。

预处理器(cpp)根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序。比如hello.c中的第一行的#include<stdio.h>命令告诉预处理器读取系统头文件stdio.h的内容，并把它直接插入程序文本中，结果就得到了另一个c程序，通常是以.i作为文件扩展名

编译阶段

编译器(ccl)将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含一个汇编语言程序，该程序包含函数main的定义，如下所示:

main:
    subq    $8, %rsp
    movl    $.LCO, %edi
    ...
    ...
    ...
    ret

定义中除了main的其他语句都以一种文本格式描述了一条低级机器语言指令，汇编语言时非常有用的，因为它为不同高级语言的不同编译器提供了通用的输出语言

汇编阶段：

接下来汇编器(as)将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将这些结果保存在目标文件hello.o中，hello.c文件是一个二进制文件，它包含的17个字节是函数main的指令编码，如果我们在文本编辑器中打开hello.c文件，将看到一堆乱码。

链接阶段：

helloc程序调用了printf函数，它是每个c编译器都提供的标准C库中的一个函数，printf函数存在于一个名为printf.o的独立预编译好了的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中，连接器(ld)就负责处理这种合并。

系统的硬件组成

1.总线

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个部件间传递，通常总线被设计成传送定长的字节块，

2.I/O设备

每个I/O设备都通过一个控制器或适配器与I/O总线相连。控制器是I/O设备本身或者系用的主印制电路板上的芯片组。适配器则是插在主板插槽上的卡

3.主存

是一个临时存储设备，在处理器执行程序是，用来存放程序和程序处理的数据。

4.处理器

是解释（或执行）存储在主存中指令的引擎，处理器的核心是一个大小为一个字的存储设备（或寄存器）。称为程序计数器（PC）。在任何时刻，PC都指向主存中的某条机器语言指令

操作系统管理硬件

操作系统有两个基本功能：

1.防止硬件被失控的应用程序滥用

2.向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备，操作系统通过几个基本的抽象概念（进程，虚拟内存和文件）来实现这两个功能

进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，在一个系统上可以同时运行多个进程，而且每个进程都好像在独占地使用硬件，而并发运行，则是说一个进程的指令和另一个进程的指令是交错执行的。在大多数系统中，需要运行的进程数是多余可以运行它们的CPU个数的，传统系统在一个时刻只能执行一个程序，而多核处理器能够同时执行多个程序。无论是在单核还是在多核系统中，一个CPU看上去都像是在并发地执行多个进程，这是通过处理器在进程间切换来实现的。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。

线程

尽管通常我们认为一个进程只有一个控制流，但是在现代系统中，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，由于网络服务器中对并行处理的需求，线程称为越来越重要的编程模型，因为多线程直接比多进程之间更容易共享数据，也因为线程一般来说都比进程更高效。当有多处处理器可用的时候，多线程也是一种使得程序可以运行的更快的方法。

虚拟内存

虚拟内存是一个抽象的概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。在linux中，地址空间最上面的区域是保留给操作系统中的代码和数据的，这对所有进程来说都是一样，地址空间的底部区域存放用户进程定义的代码和数据。地址是从下往上增大的

1.程序代码和数据：

对所有进程来说，代码是从统一固定地址开始，紧接着的是和C全局变量相对应的数据位置，代码和数据区是直接按照可执行目标文件的内容初始化的，在实例中就是可执行文件hello。

2.堆：

代码和数据区后紧随着的是运行时堆。代码和数据区在进程一开始运行时就被指定了大小，与此不同，当调用像malloc和free这样的C标准库函数时，堆可以在运行时动态地扩展和收缩。

3.共享库：

大约在地址空间的中间部分时一块用来存放像C标准库和数学库这样的共享库的代码和数据的区域。共享库的概念非常强大，也相当难懂。

4.栈：

位于用户虚拟地址空间顶部的时用户栈，编译器用它来实现函数调用。和堆一样，用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩，特别地，每次我们调用一个函数时，栈就会增长：从一个函数返回时，栈就会收缩。

4.内核虚拟内存：

地址空间顶部的区域是为内核保留的。不允许应用程序读写这个区域的内容或者直接调用内核代码定义的函数，相反，它们必须调用内核来执行这些操作。

系统之间利用网络通信

我们一直将系统视为一个孤立的硬件和软件的集合体。实际上，现代系用经常通过网络和其他系统链接到一起，从一个孤独的系统来看，网络可视为一个I/O设备，当系统从主存复制一串字节到网络适配器时，数据流经网络到达另一台机器，而不是比如说到达本地磁盘驱动器，相似地，系统可以读取从其他机器发来的数据，并把数据复制到自己的主存。

并发和并行

数字计算器的整个历史中，有两个需求是驱动进步的持续动力，一个是我们想要计算机做的更多，另一个是我们想要计算机运行的更快。当处理器能够同时做更多的事情时，这两个因素都会改进，我们用的术语并发是一个通用的概念，只一个同时具有多个活动的系统；而术语并行指的是用并发来使一个系统运行的更快。并行可以在计算机洗用的多个抽象层级上运用。

1.线程级并发

构建在进程这个抽象之上，我们能够设计出同时有多个程序执行的系统，这就导致的并发。使用线程，我们甚至能够在一个进程中执行多个控制流