所有计算机系统都有相似的硬件和软件组件，它们又执行相似的功能，深入了解这些硬件如何工作以及这些组件是如何影响程序的正确性和性能，来提供程序员自身的技能。
| 优化程序性能 |
了解一些机器代码及编译器将不同的高级语言转化为机器代码的方式。比如，一个函数的开销有多大，while与for的性能对比等。 |
| 理解链接时出现的错误 |
一些最令人困扰的程序错误往往都与链接器操作有关,比如静态变量和全局变量的区别，为什么有些链接错误直到运行时才出现。 |
| 避免安全漏洞 |
缓冲区溢出错误是造成大多数网络和Internet服务器上安全漏洞的主要原因。发生这些错误是因为很少有程序员能够理解需要限制从不受信任的源接收数据的数量和格式。 |
表 了解编译系统如何工作的益处
1 C语言编译过程
图 c语言编译过程
- 预处理阶段，预处理器根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序。比如#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。得到通常以.i作为文件扩展名的另一个C程序。
- 编译阶段，编译器将文本文件翻译成扩展名为.s的文本文件（汇编语言文件）。
- 汇编阶段，汇编器将.s文件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，并将结果保存在.o文件中。
- 链接阶段，如果原文件调用了该文件以外的函数，链接器会将该函数所在的目标文件以某种方式合并到当前的目标文件中，最终得到可执行目标文件。
2 处理器读并解释存储在内存中的指令
2.1 系统硬件的组成
图 一个典型系统的硬件组成
1 总线
贯穿整个系统的一组电子管道，携带信息字节并负责在各个部件间传递。
2 I/O设备
是系统与外部世界的联系通道。每个I/O通过控制器或适配器与I/O总线相连。控制器是设备本身或者系统的主印刷电路板上的芯片组，设配器是一块插在插槽上的卡。
3 主存
是一个临时存储设备，处理器执行程序时，存储程序及其处理的数据。由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成。从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组。
4 处理器
中央处理单元(CPU),是解释(或执行)存储在主存中指令的引擎。其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)。
从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。
寄存器文件是一个小的存储设备，由一些单个字长的寄存器组成，没一个寄存器都有唯一的名字。ALU计算新的数据和地址值。
2.2 运行hello程序
1）我们在Linux系统上输入”./hello”后，shell程序将这些字符逐一读入寄存器，再把它存放到内存中。
图 从键盘上读取./hello命令
2) 当在键盘上敲回车键时，shell程序执行一系列指令来加载可执行的hello文件，这些指令将hello目标文件中的代码和数据从磁盘复制到主存。数据包括最终会被输出的字符串”hello,word\n”
图 从磁盘加载可执行文件到主存
3）一旦目标文件hello中的代码及数据被加载到主存，处理器就开始执行hello程序的main程序中的机器语言指令。这些指令将“hello,word\n”字符串的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制到显示设备。
图 将字符串从存储器写到显示器
3 高速缓存至关重要
上述代码的运行揭示了一个重要的问题，即系统花费大量的时间把信息从一个地方挪到另一个地方。
根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备的造价远高于同类的低速设备。
3.1 高速缓存存储器cache
高速缓存存储器作为暂时的集结区域，存储处理器近期可能会需要的信息。
比较新的、处理能力更强大的系统有三级高速缓存：L1、L2和L3。L1容量可达到数万字节，访问速度几乎和访问寄存器文件一样快；L2容量为数十万到数百万字节，访问速度是L1的1/5，但速度依旧比主存的访问速度更快。
cache是利用高速缓存的局部性原理，即程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势。通过让高速缓存里存放可能经常访问的数据，大部份内存操作都能在快速的高速缓存中完成。
图 高速缓存存储器
L1、L2及L3是用一种叫做静态随机访问存储器(SRAM)的硬件技术实现的。
图 存储设备的层级结构
4 操作系统管理硬件
操作系统有两个级别功能：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控制复杂而又通常大不相同的低级硬件设备。
4.1 基本的抽象概念
操作系统通过几个基本的抽象概念来实现上述功能。文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟内存是对主存和磁盘I/O设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和I/O设备的抽象表示。
图 操作系统提供的抽象表示
4.1.1 虚拟内存
虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。
图 C语言进程的虚拟地址空间文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-498933.html
- 堆区。代码和数据区在进程一开始运行时就被指定了大小，而堆可在运行时动态地扩展和收缩。
- 内存映射/共享库。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。
- 栈。用来实现函数调用。在运行期间可动态地扩展和收缩。
4.1.2 文件
就是字节序列，仅此而已。每一个I/O设备，包括磁盘、键盘、显示器，甚至网络，都可以看成是文件。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-498933.html
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