深刻理解计算机系统9个重点笔记

引言

深刻理解计算机系统，对我来讲是部大块头。说实话，我没有从头至尾完完整整的所有看完，而是选择性的看了一些我自认为重要的或感兴趣的章节，也从中获益良多，看清楚了计算机系统的一些本质东西或原理性的内容，这对每一个想要深刻学习编程的程序员来讲都是相当重要的。只有很好的理解了系统究竟是如何运行咱们代码的，咱们才能针对系统的特色写出高质量、高效率的代码来。这本书我之后还须要多研究几遍，今天就先总结下书中我已学到的几点知识。

---

 

重点笔记

1. 编写高效的程序须要下面几类活动：

   • 选择一组合适的算法和数据结构。这是很重要的，好的数据结构有时能帮助更快的实现某些算法，这也要求编程人员可以熟知各类经常使用的数据结构和算法。
   • 编写出使编译器可以有效优化以转换成高效可执行的源代码。所以，理解编译器优化的能力和局限性是很重要的。编写程序方式中看上去只是一点小小的变更，都会引发编译器优化方式很大的变化。有些编程语言比其余语言容易优化得多。C语言的某些特性，例如执行指针运算和强制类型转换的能力，使得编译器很难对其进行优化。
   • 并行技术，针对处理运算量特别大的计算，将一个任务分红多个部分，这些部分能够在多核和多处理器的某种组合上并行地计算。
     
     

2. 让编译器展开循环
   说到程序优化，不少人都会提到循环展开技术。如今编译器能够很容易地执行循环展开，只要优化级别设置的足够高，许多编译器都能例行公事的作到这一点。用命令行选项“-funroll-loops”调用gcc，会执行循环展开。
   
   

3. 性能提升技术：

   • 高级设计，为手边的问题选择适当的算法和数据结构，要特别警觉，避免使用会渐进地产生糟糕性能的算法或编码技术。
   • 基本编码原则。避免限制优化的因素，这样编译器就能产生高效代码。
     
     • 消除连续的函数调用。在可能时将计算移到循环外，考虑有选择的妥协程序的模块性以得到更大效率。
     • 消除没必要要的存储器引用。引入临时变量来保存中间结果，只有在最后的值计算出来时，才能将结果放到数组或全局变量中。
   • 低级优化。
     
     • 尝试各类与数组代码相对的指针形式。
     • 经过开展经过展开循环下降循环开销。
     • 经过诸如迭代分割之类的技术，找到使用流水线化的功能单元的方法。

   说到性能提升，可能有人会有一些说法：

   （1）不要过早优化，优化是万恶之源；
   （2）花费不少时间所做的优化可能效果不明显，不值得；
   （3）如今内存、CPU价格都这么低了，性能的优化已经不是那么重要了。
   　……

   其实个人见解是：咱们也许没必要特意把之前写过的程序拿出来优化下，花费N多时间只为提高那么几秒或几分钟的时间。可是，咱们在重构别人的代码或本身最初开始构思代码时，就须要知道这些性能提升技术，一开始就遵照这些基本原则来写代码，写出的代码也就不须要让别人来重构以提升性能了。另外，有的很简单的技术，好比说将与循环无关的复杂计算或大内存操做的代码放到循环外，对于整个性能的提升真的是较明显的。
   
   

4. 如何使用代码剖析程序（code profiler，即性能分析工具）来调优代码？
   程序剖析（profiling）其实就是在运行程序的一个版本中插入了工具代码，以肯定程序的各个部分须要多少时间。
   Unix系统提供了一个profiling叫GPROF，这个程序产生两类信息：

   首先，它肯定程序中每一个函数花费了多少CPU时间。
   其次，它计算每一个函数被调用的次数，以执行调用的函数来分类。还有每一个函数被哪些函数调用，自身又调用了哪些函数。

   使用GPROF进行剖析须要3个步骤，好比源程序为prog.c。
   1）编译： gcc -O1 -pg prog.c -o prog（只要加上-pg参数便可）
   2）运行：./prog
   　会生成一个gmon.out文件供 gprof分析程序时候使用（运行比平时慢些）。
   3）剖析：gprof prog
   　分析gmon.out中的数据，并显示出来。
   
   剖析报告的第一部分列出了执行各个函数花费的时间，按照降序排列。
   剖析报告的第二部分是函数的调用历史。具体例子可参考网上资料。

   GPROF有些属性值得注意：

   • 计时不是很准确。它的计时基于一个简单的间隔计数机制，编译过的程序为每一个函数维护一个计数器，记录花费在执行该函数上的时间。对于运行时间较长的程序，相对准确。
   • 调用信息至关可靠。
   • 默认状况下，不显示库函数的调用。相反地，库函数的时间会被计算到调用它们的函数的时间中。
     
     

5. 静态连接和动态连接一个很重要的区别是：动态连接时没有任何动态连接库的代码和数据节真正的被拷贝到可执行文件中，反之，连接器只需拷贝一些重定位和符号表信息，便可使得运行时能够解析对动态连接库中代码和数据的引用。
   
   

6. 存储器映射
   指的是将磁盘上的空间映射为虚拟存储器区域。Unix进程可使用mmap函数来建立新的虚拟存储器区域，并将对象映射到这些区域中，这属于低级的分配方式。
   通常C程序会使用malloc和free来动态分配存储器区域，这是利用堆的方式。
   
   

7. 形成堆利用率很低的主要缘由是碎片，当虽然有未使用的存储器但不能用来知足分配请求时，就会发生这种现象。
   有两种形式的碎片：内部碎片和外部碎片。二者的区别以下：

   • 内部碎片是在一个已分配的块比有效载荷大时发生的。例如，有些分配器为了知足对其约束添加额外的1字的存储空间，这个1字的空间就是内部碎片。它就是已分配块大小和它们的有效载荷大小之差的和。
   • 外部碎片是当空闲存储器合计起来足够知足一个分配请求，可是没有一个单独的空闲块足够大能够来处理这个请求时发生的。
     
     

8. 现代OS提供了三种方法实现并发编程：

   • 进程。用这种方法，每一个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护。由于进程有独立的虚拟地址空间，想要和其余流通讯，控制流必须使用进程间通讯（IPC）。
   • I/O多路复用。这种形式的并发，应用程序在一个进程的上下文中显示地调度它们本身的逻辑流。逻辑流被模拟为“状态机”，数据到达文件描述符后，主程序显示地从一个状态转换到另外一个状态。由于程序是一个单独的进程，因此全部的流都共享一个地址空间。
   • 线程。线程是运行在一个单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度。线程能够看作是进程和I/O多路复用的合体，像进程同样由内核调度，像I/O多路复用同样共享一个虚拟地址空间。

   （1）基于进程的并发服务器
   构造并发最简单的就是使用进程，像fork函数。例如，一个并发服务器，在父进程中接受客户端链接请求，而后建立一个新的子进程来为每一个新客户端提供服务。为了了解这是如何工做的，假设咱们有两个客户端和一个服务器，服务器正在监听一个监听描述符（好比描述符3）上的链接请求。下面显示了服务器是如何接受这两个客户端的请求的。
   

   关于进程的优劣，对于在父、子进程间共享状态信息，进程有一个很是清晰的模型：共享文件表，可是不共享用户地址空间。进程有独立的地址控件爱你既是优势又是缺点。因为独立的地址空间，因此进程不会覆盖另外一个进程的虚拟存储器。可是另外一方面进程间通讯就比较麻烦，至少开销很高。

   （2）基于I/O多路复用的并发编程
   好比一个服务器，它有两个I/O事件：1）网络客户端发起链接请求，2）用户在键盘上键入命令行。咱们先等待那个事件呢？没有那个选择是理想的。若是accept中等待链接，那么没法响应输入命令。若是在read中等待一个输入命令，咱们就不能响应任何链接请求（这个前提是一个进程）。
   针对这种困境的一个解决办法就是I/O多路复用技术。基本思想是：使用select函数，要求内核挂起进程，只有在一个或者多个I/O事件发生后，才将控制返给应用程序。
   I/O多路复用的优劣：因为I/O多路复用是在单一进程的上下文中的，所以每一个逻辑流程都能访问该进程的所有地址空间，因此开销比多进程低得多；缺点是编程复杂度高。

   （3）基于线程的并发编程
   每一个线程都有本身的线程上下文，包括一个线程ID、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。全部的运行在一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间。因为线程运行在单一进程中，所以共享这个进程虚拟地址空间的整个内容，包括它的代码、数据、堆、共享库和打开的文件。因此我认为不存在线程间通讯，线程间只有锁的概念。

   • 线程执行的模型。线程和进程的执行模型有些类似。每一个进程的生明周期都是一个线程，咱们称之为主线程。可是你们要有意识：线程是对等的，主线程跟其余线程的区别就是它先执行。
     通常来讲，线程的代码和本地数据被封装在一个线程例程中（就是一个函数）。该函数一般只有一个指针参数和一个指针返回值。
     在Unix中线程能够是joinable（可结合）或者detached（分离）的。joinable能够被其余线程杀死，detached线程不能被杀死，它的存储器资源有系统自动释放。

   • 线程存储器模型，每一个线程都有它本身的独立的线程上下文，包括线程ID、栈、栈指针、程序计数器、条件码和通用目的寄存器。每一个线程和其余线程共享剩下的部分，包括整个用户虚拟地址空间，它是由代码段、数据段、堆以及全部的共享库代码和数据区域组成。不一样线程的栈是对其余线程不设防的，也就是说：若是一个线程以某种方式获得一个指向其余线程的指针，那么它能够读取这个线程栈的任何部分。
     
     

9. 什么样的变量多线程能够共享，什么样的不能够共享？
   有三种变量：全局变量、本地自动变量（局部变量）和本地静态变量，其中本地自动变量每一个线程的本地栈中都存有一份，不共享。而全局变量和静态变量能够共享。