執行程式系統

編譯系統

• 從原始碼文字檔案到可執行目標檔案的轉化由編譯系統（compilation system）完成
  • 前處理器（cpp）：hello.c —> hello.i
    • 根據以字元 # 開頭的指令修改原始程式
  • 編譯器（cc1）：hello.i —> hello.s
    • 將預處理之後的文字檔案翻譯為組合語言程式（依然是文字檔案）
  • 彙編器（as）：hello.s —> hello.o
    • 將組合語言程式翻譯成一系列機器語言指令，然後將機器語言指令打包成可重定位目標程式
  • 連結器（ld）：hello.o + printf.o —> hello
    • 將程式用到的其他模組與當前程式連結到一起，最終得到可執行目標檔案

程式計數器 PC

• 程式計數器為一個字長（64 位系統中是 8 個位元組）的儲存裝置，是 CPU 的核心
• 在任何時刻，PC 都指向記憶體中的某條機器語言指令，也就是說，PC 中儲存著一條機器語言指令的地址
• CPU 不斷地執行 PC 指向的指令，然後更新 PC，使其指向下一條指令（前後指令不一定相鄰）

儲存器層次結構

• L0：CPU 暫存器
• L1 ~ L3：L1 ~ L3 快取記憶體（SRAM，靜態隨機訪問儲存器）
• L4：主存（DRAM，動態隨機訪問儲存器）
• L5：本地磁碟
• L6：遠端儲存裝置（分散式檔案系統、Web 伺服器）

區域性性原理

• 程式具有訪問區域性區域裡的資料的趨勢

作業系統抽象

程序：對處理器、主存和 I/O 裝置的抽象

• 處理器在多個程序間快速切換，稱為上下文切換
  • 單處理器在任一時刻只能執行一個程序的程式碼
  • 當作業系統把控制權從一個程序轉移到另一個程序時，便進行上下文切換：
    • 儲存當前程序的上下文
    • 恢復新程序的上下文
    • 將控制權轉移到新程序

執行緒

• 一個程序可以由多個執行緒組成，每個執行緒都執行在程序的上下文中，並共享相同的程式碼和全域性資料
• 執行緒一般比程序高效，多執行緒之間共享資料也比程序之間容易

虛擬儲存器：對主存和磁碟 I/O 的抽象

• 每個程序使用專有的虛擬地址空間，從而形成每個程序獨佔主存的假象
• 每個程序看到的虛擬地址空間由一組準確定義的區構成，從低地址到高地址依次為：
  • 程式程式碼和資料
  • 執行時堆
  • 共享庫
  • 使用者棧
  • 核心虛擬儲存器

檔案：對 I/O 裝置的抽象

• 檔案就是位元組序列，別無其他
• 每個 I/O 裝置都可視為檔案
• 系統的所有輸入輸出都通過一組 Unix I/O 系統函式呼叫讀寫檔案來實現

資訊儲存

字

• 任一計算機的字長指明瞭整數和指標資料的標稱大小
• 字長決定了虛擬地址空間的最大大小，對於字長為 $w$ 的機器，其虛擬地址的範圍是 $0 \sim 2^w - 1$

無符號數

問題程式碼一

• 當 length 為 0 時，length - 1 轉為最大的無符號數，而 i 作為 int 型整數，所能包含的數永遠小於 length - 1
• 同樣，當 length 大於 int 所能表示的最大數時，也會形成無限迴圈

float sum_elements(float a[], unsigned length)
{
  int i;
  float result = 0.0;
  for (i = 0; i <= length - 1; i++) // 正確寫法：i < length
    result += a[i];
  return result;
}

問題程式碼二

• strlen() 返回的 size_t 為無符號型別，有無符號型別參與運算的結果依然是無符號型別，因此 strlen(str1) - strlen(str2) 永遠不會小於 0

size_t strlen(const char* str);

int strlonger(const char* str1, const char* str2)
{
  return strlen(str1) - strlen(str2) > 0; // 正確寫法 return strlen(str1) > strlen(str2);
}

問題程式碼三

• 如果 maxlen 是一個負值，len 便被賦為負值，接著再賦給 memcpy 函式中的 n 引數，但是引數 n 是無符號值，從而轉為一個很大的整數

void* memcpy(void* dest, void* src, size_t n);

#define KSIZE 1024
char kbuf[KSIZE];

int copy_from_kernel(void* user_dest, int maxlen)
{
  int len = KSIZE < maxlen ? KSIZE : maxlen;
  memcpy(user_dest, kbuf, len);
  return len;
}

整數乘法的優化

• 整數乘法（至少 10 個時鐘週期）通常比加法、減法、移位和位級運算（1 個時鐘週期）慢得多

乘以 2 的冪

• 對於整數變數 x，C 表示式 x << k 等價於 $x \times 2^k$
  • $x \times 14$ 可優化為 (x << 3) + (x << 2) + (x << 1)，或更進一步優化為 (x << 4) - (x << 1)

除以 2 的冪

• 整數除法（至少 30 個時鐘週期）比整數乘法更慢