深入理解計算機系統(tǒng)9個重點筆記

引言

深入理解計算機系統(tǒng)，對我來講是部大塊頭。說實話，我沒有從頭到尾完完全整的全部看完，而是選擇性的看了1些我自認為重要的或感興趣的章節(jié)，也從中獲益很多，看清楚了計算機系統(tǒng)的1些本質(zhì)東西或原理性的內(nèi)容，這對每一個想要深入學(xué)習(xí)編程的程序員來講都是相當重要的。只有很好的理解了系統(tǒng)究竟是如何運行我們代碼的，我們才能針對系統(tǒng)的特點寫出高質(zhì)量、高效力的代碼來。這本書我以后還需要多研究幾遍，今天就先總結(jié)下書中我已學(xué)到的幾點知識。

重點筆記

1. 編寫高效的程序需要下面幾類活動：

   • 選擇1組適合的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這是很重要的，好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有時能幫助更快的實現(xiàn)某些算法，這也要求編程人員能夠熟知各種經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。
   • 編寫出使編譯器能夠有效優(yōu)化以轉(zhuǎn)換成高效可履行的源代碼。因此，理解編譯器優(yōu)化的能力和局限性是很重要的。編寫程序方式中看上去只是1點小小的變動，都會引發(fā)編譯器優(yōu)化方式很大的變化。有些編程語言比其他語言容易優(yōu)化很多。C語言的某些特性，例如履行指針運算和強迫類型轉(zhuǎn)換的能力，使得編譯器很難對其進行優(yōu)化。
   • 并行技術(shù)，針對處理運算量特別大的計算，將1個任務(wù)分成多個部份，這些部份可以在多核和多處理器的某種組合上并行地計算。

2. 讓編譯器展開循環(huán)
   說到程序優(yōu)化，很多人都會提到循環(huán)展開技術(shù)。現(xiàn)在編譯器可以很容易地履行循環(huán)展開，只要優(yōu)化級別設(shè)置的足夠高，許多編譯器都能例行公事的做到這1點。用命令行選項“-funroll-loops”調(diào)用gcc，會履行循環(huán)展開。

3. 性能提高技術(shù)：

   • 高級設(shè)計，為手邊的問題選擇適當?shù)乃惴ê蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，要特別警覺，避免使用會漸進地產(chǎn)生糟性能的算法或編碼技術(shù)。
   • 基本編碼原則。避免限制優(yōu)化的因素，這樣編譯器就可以產(chǎn)生高效代碼。
     • 消除連續(xù)的函數(shù)調(diào)用。在可能時將計算移到循環(huán)外，斟酌有選擇的讓步程序的模塊性以取得更大效力。
     • 消除沒必要要的存儲器援用。引入臨時變量來保存中間結(jié)果，只有在最后的值計算出來時，才能將結(jié)果放到數(shù)組或全局變量中。
   • 低級優(yōu)化。
     • 嘗試各種與數(shù)組代碼相對的指針情勢。
     • 通過展開通過展開循環(huán)下降循環(huán)開消。
     • 通過諸如迭代分割之類的技術(shù)，找到使用流水線化的功能單元的方法。

   說到性能提高，可能有人會有1些說法：

   （1）不要過早優(yōu)化，優(yōu)化是萬惡之源；
   （2）花費很多時間所作的優(yōu)化可能效果不明顯，不值得；
   （3）現(xiàn)在內(nèi)存、CPU價格都這么低了，性能的優(yōu)化已不是那末重要了。
   　……

   其實我的看法是：我們或許沒必要特地把之前寫過的程序拿出來優(yōu)化下，花費N多時間只為提升那末幾秒或幾分鐘的時間。但是，我們在重構(gòu)他人的代碼或自己最初開始構(gòu)思代碼時，就需要知道這些性能提高技術(shù)，1開始就遵照這些基本原則來寫代碼，寫出的代碼也就不需要讓他人來重構(gòu)以提高性能了。另外，有的很簡單的技術(shù)，比如說將與循環(huán)無關(guān)的復(fù)雜計算或大內(nèi)存操作的代碼放到循環(huán)外，對全部性能的提高真的是較明顯的。

4. 如何使用代碼剖析程序（code profiler，即性能分析工具）來調(diào)優(yōu)代碼？
   程序剖析（profiling）其實就是在運行程序的1個版本中插入了工具代碼，以肯定程序的各個部份需要多少時間。
   Unix系統(tǒng)提供了1個profiling叫GPROF，這個程序產(chǎn)生兩類信息：

   首先，它肯定程序中每一個函數(shù)花費了多少CPU時間。
   其次，它計算每一個函數(shù)被調(diào)用的次數(shù)，以履行調(diào)用的函數(shù)來分類。還有每一個函數(shù)被哪些函數(shù)調(diào)用，本身又調(diào)用了哪些函數(shù)。

   使用GPROF進行剖析需要3個步驟，比如源程序為prog.c。
   1）編譯： gcc -O1 -pg prog.c -o prog（只要加上-pg參數(shù)便可）
   2）運行：./prog
   　會生成1個gmon.out文件供 gprof分析程序時候使用（運行比平時慢些）。
   3）剖析：gprof prog
   　分析gmon.out中的數(shù)據(jù)，并顯示出來。
   剖析報告的第1部份列出了履行各個函數(shù)花費的時間，依照降序排列。
   剖析報告的第2部份是函數(shù)的調(diào)用歷史。具體例子可參考網(wǎng)上資料。

   GPROF有些屬性值得注意：

   • 計時不是很準確。它的計時基于1個簡單的間隔計數(shù)機制，編譯過的程序為每一個函數(shù)保護1個計數(shù)器，記錄花費在履行該函數(shù)上的時間。對運行時間較長的程序，相對準確。
   • 調(diào)用信息相當可靠。
   • 默許情況下，不顯示庫函數(shù)的調(diào)用。相反地，庫函數(shù)的時間會被計算到調(diào)用它們的函數(shù)的時間中。

5. 靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接1個很重要的區(qū)分是：動態(tài)鏈接時沒有任何動態(tài)鏈接庫的代碼和數(shù)據(jù)節(jié)真實的被拷貝到可履行文件中，反之，鏈接器只需拷貝1些重定位和符號表信息，便可使得運行時可以解析對動態(tài)鏈接庫中代碼和數(shù)據(jù)的援用。

6. 存儲器映照
   指的是將磁盤上的空間映照為虛擬存儲器區(qū)域。Unix進程可使用mmap函數(shù)來創(chuàng)建新的虛擬存儲器區(qū)域，并將對象映照到這些區(qū)域中，這屬于低級的分配方式。
   1般C程序會使用malloc和free來動態(tài)分配存儲器區(qū)域，這是利用堆的方式。

7. 造成堆利用率很低的主要緣由是碎片，當雖然有未使用的存儲器但不能用來滿足分配要求時，就會產(chǎn)生這類現(xiàn)象。
   有兩種情勢的碎片：內(nèi)部碎片和外部碎片。二者的區(qū)分以下：

   • 內(nèi)部碎片是在1個已分配的塊比有效載荷大時產(chǎn)生的。例如，有些分配器為了滿足對其束縛添加額外的1字的存儲空間，這個1字的空間就是內(nèi)部碎片。它就是已分配塊大小和它們的有效載荷大小之差的和。
   • 外部碎片是當空閑存儲器合計起來足夠滿足1個分配要求，但是沒有1個單獨的空閑塊足夠大可以來處理這個要求時產(chǎn)生的。

8. 現(xiàn)代OS提供了3種方法實現(xiàn)并發(fā)編程：

   • 進程。用這類方法，每一個邏輯控制流都是1個進程，由內(nèi)核來調(diào)度和保護。由于進程有獨立的虛擬地址空間，想要和其他流通訊，控制流必須使用進程間通訊（IPC）。
   • I/O多路復(fù)用。這類情勢的并發(fā)，利用程序在1個進程的上下文中顯示地調(diào)度它們自己的邏輯流。邏輯流被摹擬為“狀態(tài)機”，數(shù)據(jù)到達文件描寫符后，主程序顯示地從1個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另外一個狀態(tài)。由于程序是1個單獨的進程，所以所有的流都同享1個地址空間。
   • 線程。線程是運行在1個單1進程上下文中的邏輯流，由內(nèi)核進行調(diào)度。線程可以看作是進程和I/O多路復(fù)用的合體，像進程1樣由內(nèi)核調(diào)度，像I/O多路復(fù)用1樣同享1個虛擬地址空間。

   （1）基于進程的并發(fā)服務(wù)器
   構(gòu)造并發(fā)最簡單的就是使用進程，像fork函數(shù)。例如，1個并發(fā)服務(wù)器，在父進程中接受客戶端連接要求，然后創(chuàng)建1個新的子進程來為每一個新客戶端提供服務(wù)。為了了解這是如何工作的，假定我們有兩個客戶端和1個服務(wù)器，服務(wù)器正在監(jiān)聽1個監(jiān)聽描寫符（比如描寫符3）上的連接要求。下面顯示了服務(wù)器是如何接受這兩個客戶真?zhèn)€要求的。

   
   

   進程并發(fā)示例

   關(guān)于進程的優(yōu)劣，對在父、子進程間同享狀態(tài)信息，進程有1個非常清晰的模型：同享文件表，但是不同享用戶地址空間。進程有獨立的地址控件愛你既是優(yōu)點又是缺點。由于獨立的地址空間，所以進程不會覆蓋另外一個進程的虛擬存儲器。但是另外一方面進程間通訊就比較麻煩，最少開消很高。

   （2）基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)編程
   比如1個服務(wù)器，它有兩個I/O事件：1）網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)起連接要求，2）用戶在鍵盤上鍵入命令行。我們先等待那個事件呢？沒有那個選擇是理想的。如果accept中等待連接，那末沒法響應(yīng)輸入命令。如果在read中等待1個輸入命令，我們就不能響應(yīng)任何連接要求（這個條件是1個進程）。
   針對這類窘境的1個解決辦法就是I/O多路復(fù)用技術(shù)。基本思想是：使用select函數(shù)，要求內(nèi)核掛起進程，只有在1個或多個I/O事件產(chǎn)生后，才將控制返給利用程序。
   I/O多路復(fù)用的優(yōu)劣：由于I/O多路復(fù)用是在單1進程的上下文中的，因此每一個邏輯流程都能訪問該進程的全部地址空間，所以開消比多進程低很多；缺點是編程復(fù)雜度高。

   （3）基于線程的并發(fā)編程
   每一個線程都有自己的線程上下文，包括1個線程ID、棧、棧指針、程序計數(shù)器、通用目的寄存器和條件碼。所有的運行在1個進程里的線程同享該進程的全部虛擬地址空間。由于線程運行在單1進程中，因此同享這個進程虛擬地址空間的全部內(nèi)容，包括它的代碼、數(shù)據(jù)、堆、同享庫和打開的文件。所以我認為不存在線程間通訊，線程間只有鎖的概念。

   • 線程履行的模型。線程和進程的履行模型有些類似。每一個進程的生明周期都是1個線程，我們稱之為主線程。但是大家要成心識：線程是對等的，主線程跟其他線程的區(qū)分就是它先履行。
     1般來講，線程的代碼和本地數(shù)據(jù)被封裝在1個線程例程中（就是1個函數(shù)）。該函數(shù)通常只有1個指針參數(shù)和1個指針返回值。
     在Unix中線程可以是joinable（可結(jié)合）或detached（分離）的。joinable可以被其他線程殺死，detached線程不能被殺死，它的存儲器資源有系統(tǒng)自動釋放。

   • 線程存儲器模型，每一個線程都有它自己的獨立的線程上下文，包括線程ID、棧、棧指針、程序計數(shù)器、條件碼和通用目的寄存器。每一個線程和其他線程同享剩下的部份，包括全部用戶虛擬地址空間，它是由代碼段、數(shù)據(jù)段、堆和所有的同享庫代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域組成。不同線程的棧是對其他線程不設(shè)防的，也就是說：如果1個線程以某種方式得到1個指向其他線程的指針，那末它可以讀取這個線程棧的任何部份。

9. 甚么樣的變量多線程可以同享，甚么樣的不可以同享？
   有3種變量：全局變量、本地自動變量（局部變量）和本地靜態(tài)變量，其中本地自動變量每一個線程的本地棧中都存有1份，不同享。而全局變量和靜態(tài)變量可以同享。

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