引言
深入理解計算機系統(tǒng)首懈，對我來說是部大塊頭勋功。說實話，我沒有從頭到尾完完整整的全部看完，而是選擇性的看了一些我自認為重要的或感興趣的章節(jié)欲芹，也從中獲益良多枯冈，看清楚了計算機系統(tǒng)的一些本質(zhì)東西或原理性的內(nèi)容华坦，這對每個想要深入學(xué)習(xí)編程的程序員來說都是至關(guān)重要的撮躁。只有很好的理解了系統(tǒng)到底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)量捺氢、高效率的代碼來藻丢。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)到的幾點知識摄乒。
重點筆記
- 編寫高效的程序需要下面幾類活動：
- 選擇一組合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)郁岩。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)某些算法缺狠，這也要求編程人員能夠熟知各種常用的數(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)換成高效可執(zhí)行的源代碼萍摊。因此挤茄，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一點小小的變動冰木，都會引起編譯器優(yōu)化方式很大的變化穷劈。有些編程語言比其他語言容易優(yōu)化得多笼恰。C語言的某些特性，例如執(zhí)行指針運算和強制類型轉(zhuǎn)換的能力歇终，使得編譯器很難對其進行優(yōu)化社证。
- 并行技術(shù)，針對處理運算量特別大的計算评凝，將一個任務(wù)分成多個部分追葡，這些部分可以在多核和多處理器的某種組合上并行地計算。
讓編譯器展開循環(huán)
說到程序優(yōu)化奕短，很多人都會提到循環(huán)展開技術(shù)∫巳猓現(xiàn)在編譯器可以很容易地執(zhí)行循環(huán)展開，只要優(yōu)化級別設(shè)置的足夠高翎碑，許多編譯器都能例行公事的做到這一點谬返。用命令行選項“-funroll-loops”調(diào)用gcc，會執(zhí)行循環(huán)展開日杈。性能提高技術(shù)：
- 高級設(shè)計遣铝，為手邊的問題選擇適當(dāng)?shù)乃惴ê蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，要特別警覺莉擒，避免使用會漸進地產(chǎn)生糟糕性能的算法或編碼技術(shù)酿炸。
- 基本編碼原則。避免限制優(yōu)化的因素啰劲，這樣編譯器就能產(chǎn)生高效代碼梁沧。
- 消除連續(xù)的函數(shù)調(diào)用。在可能時將計算移到循環(huán)外蝇裤，考慮有選擇的妥協(xié)程序的模塊性以獲得更大效率廷支。
- 消除不必要的存儲器引用。引入臨時變量來保存中間結(jié)果栓辜，只有在最后的值計算出來時恋拍，才能將結(jié)果放到數(shù)組或全局變量中。
- 低級優(yōu)化藕甩。
- 嘗試各種與數(shù)組代碼相對的指針形式施敢。
- 通過開展通過展開循環(huán)降低循環(huán)開銷。
- 通過諸如迭代分割之類的技術(shù)狭莱，找到使用流水線化的功能單元的方法僵娃。
說到性能提高，可能有人會有一些說法：
（1）不要過早優(yōu)化腋妙，優(yōu)化是萬惡之源默怨；
（2）花費很多時間所作的優(yōu)化可能效果不明顯，不值得骤素；
（3）現(xiàn)在內(nèi)存匙睹、CPU價格都這么低了愚屁，性能的優(yōu)化已經(jīng)不是那么重要了。
……
其實我的看法是：我們也許不必特地把以前寫過的程序拿出來優(yōu)化下痕檬，花費N多時間只為提升那么幾秒或幾分鐘的時間霎槐。但是，我們在重構(gòu)別人的代碼或自己最初開始構(gòu)思代碼時梦谜，就需要知道這些性能提高技術(shù)丘跌，一開始就遵守這些基本原則來寫代碼，寫出的代碼也就不需要讓別人來重構(gòu)以提高性能了改淑。另外碍岔，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)外朵夏，對于整個性能的提高真的是較明顯的蔼啦。
- 如何使用代碼剖析程序（code profiler，即性能分析工具）來調(diào)優(yōu)代碼仰猖？
程序剖析（profiling）其實就是在運行程序的一個版本中插入了工具代碼捏肢，以確定程序的各個部分需要多少時間。
Unix系統(tǒng)提供了一個profiling叫GPROF饥侵，這個程序產(chǎn)生兩類信息：
首先鸵赫，它確定程序中每個函數(shù)花費了多少CPU時間。
其次躏升，它計算每個函數(shù)被調(diào)用的次數(shù)辩棒，以執(zhí)行調(diào)用的函數(shù)來分類。還有每個函數(shù)被哪些函數(shù)調(diào)用膨疏，自身又調(diào)用了哪些函數(shù)一睁。
使用GPROF進行剖析需要3個步驟，比如源程序為prog.c佃却。
1）編譯： gcc -O1 -pg prog.c -o prog（只要加上-pg參數(shù)即可）
2）運行：./prog
會生成一個gmon.out文件供 gprof分析程序時候使用（運行比平時慢些）者吁。
3）剖析：gprof prog
分析gmon.out中的數(shù)據(jù)，并顯示出來饲帅。
剖析報告的第一部分列出了執(zhí)行各個函數(shù)花費的時間复凳，按照降序排列。
剖析報告的第二部分是函數(shù)的調(diào)用歷史灶泵。具體例子可參考網(wǎng)上資料育八。
GPROF有些屬性值得注意：
- 計時不是很準確。它的計時基于一個簡單的間隔計數(shù)機制赦邻，編譯過的程序為每個函數(shù)維護一個計數(shù)器髓棋，記錄花費在執(zhí)行該函數(shù)上的時間。對于運行時間較長的程序深纲，相對準確仲锄。
- 調(diào)用信息相當(dāng)可靠。
- 默認情況下湃鹊，不顯示庫函數(shù)的調(diào)用儒喊。相反地，庫函數(shù)的時間會被計算到調(diào)用它們的函數(shù)的時間中币呵。
靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接一個很重要的區(qū)別是：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)真正的被拷貝到可執(zhí)行文件中怀愧，反之，鏈接器只需拷貝一些重定位和符號表信息余赢，即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)的引用芯义。
存儲器映射
指的是將磁盤上的空間映射為虛擬存儲器區(qū)域。Unix進程可以使用mmap函數(shù)來創(chuàng)建新的虛擬存儲器區(qū)域妻柒，并將對象映射到這些區(qū)域中扛拨，這屬于低級的分配方式。
一般C程序會使用malloc和free來動態(tài)分配存儲器區(qū)域举塔，這是利用堆的方式绑警。造成堆利用率很低的主要原因是碎片，當(dāng)雖然有未使用的存儲器但不能用來滿足分配請求時央渣，就會發(fā)生這種現(xiàn)象计盒。
有兩種形式的碎片：內(nèi)部碎片和外部碎片。兩者的區(qū)別如下：
- 內(nèi)部碎片是在一個已分配的塊比有效載荷大時發(fā)生的芽丹。例如北启，有些分配器為了滿足對其約束添加額外的1字的存儲空間，這個1字的空間就是內(nèi)部碎片拔第。它就是已分配塊大小和它們的有效載荷大小之差的和咕村。
- 外部碎片是當(dāng)空閑存儲器合計起來足夠滿足一個分配請求，但是沒有一個單獨的空閑塊足夠大可以來處理這個請求時發(fā)生的楼肪。
- 現(xiàn)代OS提供了三種方法實現(xiàn)并發(fā)編程：
- 進程培廓。用這種方法，每個邏輯控制流都是一個進程春叫，由內(nèi)核來調(diào)度和維護肩钠。因為進程有獨立的虛擬地址空間，想要和其他流通信暂殖，控制流必須使用進程間通信（IPC）价匠。
- I/O多路復(fù)用。這種形式的并發(fā)呛每，應(yīng)用程序在一個進程的上下文中顯示地調(diào)度它們自己的邏輯流踩窖。邏輯流被模擬為“狀態(tài)機”，數(shù)據(jù)到達文件描述符后晨横，主程序顯示地從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)洋腮。因為程序是一個單獨的進程箫柳，所以所有的流都共享一個地址空間。
- 線程啥供。線程是運行在一個單一進程上下文中的邏輯流悯恍，由內(nèi)核進行調(diào)度。線程可以看做是進程和I/O多路復(fù)用的合體伙狐，像進程一樣由內(nèi)核調(diào)度涮毫，像I/O多路復(fù)用一樣共享一個虛擬地址空間。
（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贷屎，像fork函數(shù)罢防。例如，一個并發(fā)服務(wù)器唉侄，在父進程中接受客戶端連接請求咒吐，然后創(chuàng)建一個新的子進程來為每個新客戶端提供服務(wù)。為了了解這是如何工作的美旧，假設(shè)我們有兩個客戶端和一個服務(wù)器渤滞，服務(wù)器正在監(jiān)聽一個監(jiān)聽描述符（比如描述符3）上的連接請求。下面顯示了服務(wù)器是如何接受這兩個客戶端的請求的榴嗅。
關(guān)于進程的優(yōu)劣妄呕，對于在父、子進程間共享狀態(tài)信息嗽测，進程有一個非常清晰的模型：共享文件表绪励，但是不共享用戶地址空間。進程有獨立的地址控件愛你既是優(yōu)點又是缺點唠粥。由于獨立的地址空間疏魏，所以進程不會覆蓋另一個進程的虛擬存儲器。但是另一方面進程間通信就比較麻煩晤愧，至少開銷很高大莫。
（2）基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)編程
比如一個服務(wù)器，它有兩個I/O事件：1）網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)起連接請求官份，2）用戶在鍵盤上鍵入命令行只厘。我們先等待那個事件呢？沒有那個選擇是理想的舅巷。如果accept中等待連接羔味，那么無法響應(yīng)輸入命令。如果在read中等待一個輸入命令钠右，我們就不能響應(yīng)任何連接請求（這個前提是一個進程）赋元。
針對這種困境的一個解決辦法就是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)核掛起進程搁凸，只有在一個或者多個I/O事件發(fā)生后媚值，才將控制返給應(yīng)用程序。
I/O多路復(fù)用的優(yōu)劣：由于I/O多路復(fù)用是在單一進程的上下文中的护糖，因此每個邏輯流程都能訪問該進程的全部地址空間杂腰，所以開銷比多進程低得多；缺點是編程復(fù)雜度高椅文。
（3）基于線程的并發(fā)編程
每個線程都有自己的線程上下文，包括一個線程ID惜颇、棧皆刺、棧指針、程序計數(shù)器凌摄、通用目的寄存器和條件碼羡蛾。所有的運行在一個進程里的線程共享該進程的整個虛擬地址空間。由于線程運行在單一進程中锨亏，因此共享這個進程虛擬地址空間的整個內(nèi)容痴怨，包括它的代碼、數(shù)據(jù)器予、堆浪藻、共享庫和打開的文件。所以我認為不存在線程間通信乾翔，線程間只有鎖的概念爱葵。
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線程執(zhí)行的模型。線程和進程的執(zhí)行模型有些相似反浓。每個進程的生明周期都是一個線程萌丈，我們稱之為主線程。但是大家要有意識：線程是對等的雷则，主線程跟其他線程的區(qū)別就是它先執(zhí)行辆雾。
一般來說，線程的代碼和本地數(shù)據(jù)被封裝在一個線程例程中（就是一個函數(shù)）月劈。該函數(shù)通常只有一個指針參數(shù)和一個指針返回值度迂。
在Unix中線程可以是joinable（可結(jié)合）或者detached（分離）的。joinable可以被其他線程殺死艺栈，detached線程不能被殺死英岭，它的存儲器資源有系統(tǒng)自動釋放。- 線程存儲器模型湿右，每個線程都有它自己的獨立的線程上下文诅妹，包括線程ID、棧、棧指針吭狡、程序計數(shù)器尖殃、條件碼和通用目的寄存器。每個線程和其他線程共享剩下的部分划煮，包括整個用戶虛擬地址空間送丰，它是由代碼段、數(shù)據(jù)段弛秋、堆以及所有的共享庫代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域組成器躏。不同線程的棧是對其他線程不設(shè)防的，也就是說：如果一個線程以某種方式得到一個指向其他線程的指針蟹略，那么它可以讀取這個線程棧的任何部分登失。
- 什么樣的變量多線程可以共享，什么樣的不可以共享挖炬？
有三種變量：全局變量揽浙、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個線程的本地棧中都存有一份意敛，不共享馅巷。而全局變量和靜態(tài)變量可以共享。
