《深入立即计算机系统》书籍学习笔记 - 课程简介

Lecture 01 Course Overview 课程简介

概述

我的这些课程是通过B站视频学习《深入立即计算机系统》书籍学习所做的一些笔记。
分享出来希望和大家共同学习。

学习的资料：
【精校中英字幕】2015 CMU 15-213 CSAPP 深入理解计算机系统 课程视频
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书籍推荐

• Computer Systems: A Programmer’s Perspective（CS:APP3e）
  地址：http://csapp.cs.cmu.edu

• The C Programming Language
  作者：Brian Kernighan and Dennis Ritchie
  C语言学习书籍。

课程内容

• Lecture

  • Highter level concepts 高层级概念

• Recitations 背诵
  所以不要忽略记忆。死记硬背也是基础。概念都不知道何来后面的。

• Labs 实验
  课程的灵魂，编程只有不断的实践，遇到问题，解决问题，才会有所成长。
  背诵只是让你知道，实践才可以让你能够真正处理问题。

• Exams 考试

帮助

网址：http://www.cs.cmu.edu/~123

实验

使用 Autolab 来做作业。

使用机器：
ssh shark.ics.cs.cmu.edu

课堂纪律

• 可以带电脑，但是不要用于通信等其他与课程无光用途。
  认真听讲
• 不考勤，自愿来不来

考试分数

考试和实验室分数各分50%，期中考试20%，期末考试30%

课程

主题一：程序和数据

• 位操作，运算，汇编语言程序
• C 语言控制和数据结构描述
• 体系解雇和编译器

作业：

• L1(datalab): Manipulating bits(操作位)
• L2(bomblab): Defusing a binary bomb (拆除二进制炸弹)
• L3(attacklab): The basics of code injection attacks(代码注入)

主题二：内存层次结构

• 内存技术，内存层次，缓存，磁盘，局部性
• 体系结构和操作系统

作业：

• L4(cachelab): Building a cache simulator and optmizing for locality.
  构建缓存模拟器并优化局部性。
  学习如何在程序中利用局部性。

主题三：例外的控制流程

• 硬件，进程，进程控制，unix 信号
• 编译器，操作系统，体系结构。

作业：
L5(tshlab): Writing your own Unix shell
写一个自己的shell工具。
开始了解并发。

主题四：虚拟内存

• 虚拟内存，地址转换，动态存储分配
• 体系结构，操作系统

作业：
L6(malloclab): Writing your own malloc package
写一个自己的内存(malloc)包
获得对系统级编程的真实感受。

主题五：网络和并发

• 高级/低级 I/O， 网络编程
• 服务，web服务器
• 并发，并发服务器设计，线程
• I/O 多路复用与选择
• 网络，操作系统，体系结构

作业：
L7(proxylab): Writing your own Web proxy
写一个自己的Web代理
学习网络编程和更多关于并发和同步。

课程实例

Great Reality #1

Example 1: Is x2 ≥ 0?

Ints are not Integers, Floats are not Reals

• Example 1： Is x^2 >= 0 ？
  float：是的
  Int:

40000	*	40000		➙	1600000000
50000	*	50000		➙	??

Example 2: Is (x + y) + z = x + (y + z)?

Unsigned & Signed Int’s: Yes!
Float’s:

(1e20	+	-1e20)	+	3.14	-->	3.14	
1e20	+	(-1e20	+	3.14)	-->	??	

简单的理解：就是浮点运算时会进行舍入， (-1e20 + 3.14)导致3.14丢失。

代码

Great Reality #1

• Example 1: Is x2 ≥ 0?

#include 

void reality(int a) {
    printf("%d*%d=%d\n",a, a, a*a);
}

int main() {
    reality(40000);
    reality(50000);
}

// output:
// 40000*40000= 1600000000
// 50000*50000=-1794967296

2^31 = 2147483648
50000*50000 = 2500000000
超出int32的边界了。

• Example 2: Is (x + y) + z = x + (y + z)?

#include 

void floatAdd(float a) {
    printf("(%f-%f)+3.14=%f\n",a,a, (a-a)+3.14);
    printf("%f+(-%f+3.14)=%f\n",a,a, a + (-a+3.14));
}

int main() {
    floatAdd(1e20);
}

// output:
// (100000002004087730000.000000-100000002004087730000.000000)+3.14=3.140000
// 100000002004087730000.000000+(-100000002004087730000.000000+3.14)=0.000000

• Memory Referencing Bug

typedef struct {
    int a[2];
    double d;
}struct_t;

double memoryRefBug(int i) {
    volatile struct_t s;
    s.d = 3.14;
    s.a[i] = 1073741824;
    printf("%d -> %lf\n",i,s.d);
    return s.d;
}
int main() {
    memoryRefBug(0);
    memoryRefBug(1);
    memoryRefBug(2);
    memoryRefBug(3);
    memoryRefBug(4);
    memoryRefBug(5);
    memoryRefBug(6);
    memoryRefBug(7);
}

// output:
// 0 -> 3.140000
// 1 -> 3.140000
// 2 -> 3.140000
// 3 -> 2.000001
// 4 -> 3.140000
// 5 -> 3.140000
// 6 -> 3.140000

结构体和数组类似，元素的存储是紧挨着的。a[1] | a[2] | d
通过a[i]取，a[2]开始，就是引用的d中的值了进行操作了。

• Memory System Performance Example

#include 
#include 

void copyij(int src[2048][2048], int dst[2048][2048]) {
    int i,j;
    for (i = 0;i < 2048;i++)
        for (j = 0;j < 2048;j++)
            dst[i][j] = src[i][j];
}

void copyji(int src[2048][2048], int dst[2048][2048]) {
    int i,j;
    for (j = 0;j < 2048;j++)
        for (i = 0;i < 2048;i++)
            dst[i][j] = src[i][j];
}

int main() {
    int src[2048][2048],dst[2048][2048];
    int i,j;
    for (j = 0;j < 2048;j++)
        for (i = 0;i < 2048;i++)
            src[i][j] = i;
    int start,end1,end2;
    start = GetTickCount();
    copyij(src,dst);
    end1 = GetTickCount();
    copyji(src,dst);
    end2 = GetTickCount();
    printf("copyij: %d, copyji:%d", end1 - start, end2 - end1);
}

// output:
// copyij: 0, copyji:0

结果分析：
教材显示copyij() 的性能远远好于 copyji()。
为什么我运行的没有这个问题。难道是这个已经修复了？

问题：
在windows下报错：“Process finished with exit code -1073741571 (0xC00000FD)”
致的原因是StackOverflow（栈区溢出）
将数组设置为500长度就没事了。

linux 代码：

#include 
#include 
#include 

int main() {
    int src[2048][2048],dst[2048][2048];
    int i,j;
    for (j = 0;j < 2048;j++)
        for (i = 0;i < 2048;i++)
            src[i][j] = i;
    clock_t start,end1,end2;
    start = clock();
    copyij(src,dst);
    end1 = clock();
    copyji(src,dst);
    end2 = clock();
    printf("copyij: %d, copyji:%d", ((double )(end1 - start))/CLOCKS_PER_SEC, ((double )(end2 - end1))/CLOCKS_PER_SEC);
}

报错：”Segmentation fault“

分析：
Segmentation fault就是指访问的内存超出了系统所给这个程序的内存空间。一般是随意使用野指针或者数组、数组越界。

处理方案：
将数组设置为500长度。

结果：

copyij: 0, copyji:3668

二维数组行遍历效率远高于列遍历效率

• c语言遍历
  对c语言而言，数组在内存中是按行储存的，按行遍历时可以由指向数组第一个数的指针一直往下走，就可以遍历完整个数组，而按列遍历则要获得指向每一列的第一行的元素的指针，然后每次将指针指下一行，

• CPU高速缓存
  缓存从内存中抓取一般都是整个数据块，所以它的物理内存是连续的，几乎都是同行不同列的，而如果内循环以列的方式进行遍历的话，将会使整个缓存块无法被利用，而不得不从内存中读取数据，而从内存读取速度是远远小于从缓存中读取数据的。

• 分页调度
  物理内存是以页的方式进行划分的，当一个二维数组很大是如 int[128][1024],假设一页的内存为4096个字节，而每一行正好占据内存的一页，如果以列的形式进行遍历，就会发生128*1024次的页面调度，而如果以行遍历则只有128次页面调度，而页面调度是有时间消耗的，因而调度次数越多，遍历的时间就越长。

• 局部性原理: CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

三种不同类型的局部性:时间局部性，空间局部性，顺序局部性。

文档

二维数组按行和按列遍历效率哪个高？