历时 4 个月，这本书终于看完了，大概从 6 月中旬开始阅读，直到 10 月中旬，这本书终于结束了。
很久没读过这么厚的书了，而且读完了，真不错，书的内容值得推荐，这书属于程序员必读基础书籍之一。
此书共计 730 页，每章节后面都有一些练习题，除去练习题，大概真正的内容是 500 页左右，当然练习题也很好，能帮助我们巩固知识。
如果对计算机底层没有深入的兴趣，可以省去练习题，只看书的内容，也能有非常多的收获。
从头到尾介绍了计算机「CPU、存储器、固态硬盘、缓存、文件执行流程、共享文件、异常处理、进程、上下文切换、虚拟内存、链接、I/O、通信」等等多个关键知识点。
我把书的内容精简，整理成文章，我们来回顾一下本书的内容：
在 CPU 中存在一种特殊的寄存器「栈指针寄存器」，CPU 的栈管理和我们平时程序里写的栈数据结构一样，都是「后进先出」原则。
CPU 把要执行的「指令、变量、返回地址」入栈，并分配栈空间，给栈空间分配一个栈指针 ID，在 64 位系统中，每增加一条栈空间，相应的「栈 ID – 8」，如果栈指针 ID 太多，则会从地址空间中回绕，从最大值开始减少。
不过，如果程序写的栈层级太深或者无限循环，就会触发「栈溢出」，因为这个时候已经没有新的栈空间可供分配了。
程序计数器
在 CPU 中，程序计数器代表的是程序应该执行哪条指令的地址，当它执行完以后会更新，指向下一条要执行的指令。
我们通过「调用者」和「被调用者」来阐述，把它们类比成函数，每个函数都有一个计数器（整型），来标识自己在内存中的起始地址。当「被调用者」执行完成后，从栈中弹出这个地址，跳转到「调用者」继续执行，以此类推。
缓冲区溢出
在编译阶段，我们定义了一个字符串的内存大小，如果我们在执行程序时，写入一个非常大的字符串，而内存空间不够，就会发生缓冲区溢出。
如果是无意的缓冲区溢出还可控，如果是恶意的，那就会受到安全攻击，利用溢出的数据可以用来控制「程序计数器」执行的下一条指令，执行恶意代码。
CPU 可以通过「栈随机化」和「金丝雀值」来规避这样的安全问题。
通过一个时间周期内流程来讲述 CPU 是如何循环往复的执行指令的。
首先它使用程序计数器来定位指令在内存中的地址，并从当前地址读取要执行的指令。接着解析指令数据，获得指令结果，根据结果来计算或跳转。
执行完指令后，执行结果通过写回逻辑，把值写回到内存中去，并获取到下一条程序计数器的值。
在一个时间周期内执行完一组指令，如果这个时间周期是 3 秒，那下一个指令执行就需要等待 3 秒，效率很低。
为了提高吞吐量，而不是等待一个完整的周期，CPU 引入了流水线工作模式。
将 CPU 均衡地分解成多个模块，每个模块处理特定的任务，并通过程序来控制任务之间的切换，当第一条指令在第 1 模块执行完成后，第二条指令立即进入第 1 模块执行，从而实现连续的执行。
为了最大化效率，模块的划分要均衡，要保证每块任务的工作时间几乎相同，另外就是流水线不能太深，太深会增加切换成本。
在计算机存储层次结构包括「寄存器、高速缓存存储器、主存、磁盘」等。
寄存器存储容量最小，但提供了最快的访问速度，其造价也是最昂贵的；
高速缓存存储器介于寄存器和主存之间，具有中等的存储容量和访问速度，它是为了缓解主存和寄存器之间访问速度差异；
主存就是我们常说的「内存条」，它有更大的容量，造价较为适中，但访问速度稍慢；
以上三种断电后，数据都会消失，所以应运而生，磁盘出现了，提供了巨大的存储空间，但访问速度是最慢的，造价也属于存储器层次里最经济的。
磁盘包括但不限于「硬盘、固态硬盘、U 盘、光盘」等。
它是一种大容量的数据存储硬件，它包含多个盘面，数据被存储在盘面的扇区中。一个特殊的手臂移动到适当的位置来读取或写入数据。
磁盘的容量是根据它可以写入的最大字节数量来确定的，通常以 GB 或 TB 为单位来表示。
固态硬盘简称 SSD，是一种基于闪存技术的数据存储设备。
在固态硬盘内部，存储空间被分成多个 B 块，每个 B 块包含多个 P 页，每次进行读写时，会锁定特定的 P 页进行读或写操作。
对于固态硬盘来说，读操作通常比写操作快，因为每次写操作之前都需要擦除已存在的信息，在写入过程中，固态硬盘会经历一个「写放大」的现象，首先将数据复制到新的 P 页，然后再开始执行写操作。
固态硬盘的造价相比于旋转磁盘更「贵」，更耐摔，并提供了更高的访问速度。
「寄存器 – 高速缓存存储 – 内存 – 磁盘」不同的存储器有不同的性能，为了在多种设备间找到平衡，中间增加缓存，以减少从慢速存储器加载数据的需要。
这种策略得益于「局部性原理」的概念，分为「时间局部性和空间局部性」。
时间局部性意味着：一个数据被访问了，在近期内有很高的概率被再次访问；
空间局部性意味着：一个内存位置被访问后，在近期内附近的内存位置大概率也会被访问；
在实际应用中，缓存的概念应用于浏览器缓存、CDN 服务器、数据库缓存、路由器的查表等等，应用很广。
为了桥接各个存储器之间的访问速度差异，在这种层次结构中，按照「块」来组织，形成金字塔结构。
每一个较上层的存储器都缓存了下一层的部分内容，而从上到下，每一层缓存的数据容量都会逐渐增大。
假设需要访问变量 k，首先会在顶层检查缓存，若缓存命中，数据直接使用；若缓存不命中，则继续再向下层寻找，依次类推，直到检查到最底层。
其实就是充分利用「局部性原理」来编写程序，程序在执行的时，大部分时间都集中在「核心代码」上，尤其是「循环」结构，所以我们可以针对循环做一些优化。
例如声明变量时，在作用域内如果可以重复使用同一变量，那将提高缓存的利用率，这得益于时间局部性；而涉及循环时，如果步长设置为 1 ，则可以最大化地利用「空间局部性」提高代码效率。
链接是软件开发中一个重要的步骤，类似于我们拼图，将各个独立的部分连接成一个完整的整体。
在程序开发中，链接会把我们编写的文件通过「编译、合并」最终形成一个「可执行文件」，将这个文件加载到内存，就可以由「加载器」启动并执行。
这个过程与打包工具的「依赖分析」相似，它们都是将所有需要的模块正确地连接在一起。
在计算机中，当多个项目 A 和 B 都依赖于一个「函数库」，如何高效地管理这个函数库就变得至关重要。
如果两个项目都存在一份「函数库」，这当然是最简单的方案，但升级函数库的时候，就需要同时更新两份代码。
另一种方案是放在固定的内存位置，但如果 C 项目不需要这个库，那么这块内存对于 C 来讲，就是浪费了。
所以产生了「位置无关代码」，它可以随意放在内存哪个位置，不受约束，这为动态共享和加载提供了便利，多个进程可以共享单个内存中的代码副本。
在计算机系统存在一张「异常表」，这里会罗列所有的异常码，每种异常码对应着不同的异常处理程序，包含中断、陷井、故障、终止等。
系统正常执行时，如果遇到问题会根据异常表码去执行异常处理程序，如果程序执行完后可以恢复那会恢复程序的继续执行，如果不能恢复程序，那就会终止程序。
这张异常表 CPU 会预定义一部分基础的异常或错误码，通常和硬件操作相关。而操作系统可以定义与系统相关的错误码，来应对相应的错误处理。
进程是计算机中的一个基本概念，用来管理和执行程序，可以把它理解成流水线，每条流水线都在制作不同的产品。
每个进程都有一个独立的空间、代码和数据，都有自己独立的 Process ID。进程分为三种状态「运行中、已终止、已死亡」。
子进程就像主流水线分出来的小流水线一样。它能做和父进程一样的任务，它们是新的、独立的，主进程和子进程除了 ID 不一样，其余都一致。
子进程的回收都是通过父进程来实现的，如果父进程被意外杀死了，那它里面的子进程就会变成孤岛子进程，只能等待系统的进程回收方法回收孤岛子进程。
我们看到的假象是「计算机专为我服务」，其实计算机可以同时处理多个程序，而不是只处理一个，它可以同时服务多个程序。
当进程进行切换时，首先会保存当前进程的信息「寄存器状态、程序计数器 ID」等，然后恢复加载另一个进程的信息，以此来达到进程间切换。
假设 A 程序正在启动中，它需要去磁盘读取一个文件，需要 10 ms，这个时候计算机就会利用这个空间去运行 B 程序，来保证 CPU 的最大利用效率。
虚拟内存是计算机内存管理的一种技术，允许计算机使用硬盘空间来充当额外的内存，可以使得计算机在内存不足的情况下，运行更多的程序。
每个进程都需要访问真实的内存地址，对于计算机来说，真实的内存地址是有限的，那可以通过「虚拟内存」的方式来扩充、管理、翻译虚拟地址。
虚拟内存的存在和「缓存」的概念很相似，在访问真实内存地址之前，先经过地址翻译，看当前虚拟内存中是否含有需要的数据，如果有直接使用，如果没有，则去真实的内存地址中获取，虽然这样会有访问速度上的牺牲，但扩充了程序的运行数量 。
输入「input」是通过「鼠标、键盘、外设」等设备把数据传输到计算机的过程，输出「output」是指计算机将处理的数据发送给「鼠标、键盘、外设」的过程。
对于 Unix 系统来说，有「一切皆文件」的哲学思想，这意味着所有的设备「硬盘、键盘、虚拟文件」都被抽象成「文件」。
Unix I/O 提供了标准的 I/O 库，帮助我们方便地使用「open、write、read、close」等输入输出操作，而 C 语言在标准库的基础上，又封装了一层称为高级 I/O 库，扩展了更多的底层操作方法。
客户端 – 服务端模型，客户端呈现内容，服务端处理数据，它们之间通过「套接字 Sockets」来建立通信链路，通常采用 HTTP 协议规范数据的传输方式。
在多用户环境中，服务端通常会并行处理来自不同客户端的请求，而每个请求相当于是一个独立的进程，通过这种方式，服务端可以高效地响应多个客户端。
多进程：每个进程都有独立的虚拟地址空间，基于进程的设计往往比较慢，它们之间如果想通信，需要使用 IPC 技术，通信成本很高。
多路复用：单进程内，任务通过调度器来切换，实现并发执行。它优化了就绪任务的处理，但无法解决通道阻塞的问题，在实际的处理中，仍然是顺序执行。
多线程：结合了进程和多路复用的优点，线程间通信成本低，多个线程可以并行的处理多个 I/O 请求，实现了真正的并行执行。
终于 … 整理完了。
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内容来源：《深入理解计算机系统》
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