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Computer Systems:A Programmer’s Perspective计算机系统详解——从程序员的视角Lecture 1Intro Outline Course Theme Five great realities of computer systems Administrative Matters Lecture topics and assignments 课程出发点 Abstract v.s. Reality 抽象是必须的，但也应该考虑具体实现! 其他计算机课程通常强调“抽象”： 抽象数据类型 渐进分析法 抽象往往是受限的： 特别是当计算机系统中存在一些小的缺陷 有必要去深入了解计算机系统中一些底层实现细节 通过了解具体的实现有助于： 成为更有效率的程序员 能够更有效的找出并且消除bug 能够更好的进行程序性能调优 为以后的 计算机类“系统”级课程做好准备 编译, 操作系统, 网络, 计算机体系结构, 嵌入式系统等等 Great Reality #1 Int’s 不是整数, Float’s不是实数 举例 x2 ≥ 0? Float’s: 是! Int’s: 40000 * 40000 -- 1600000000 50000 * 50000 -- ?? (x + y) + z = x + (y + z)? Unsigned Signed Int’s: 是! Float’s: (1e20 + -1e20) + 3.14 -- 3.14 1e20 + (-1e20 + 3.14) -- ?? 计算机运算规则 不会产生随机值 每种运算操作都有基本的数学含义和性质 但不能假设具有某些“通常”性质 由于表示精度的限制 整数运算操作满足“环”性质 交换性,结合性, 分配性 浮点运算操作满足“有序性”性质 单调性, 正负符号不变性 可见： 需要结合上下文环境来理解某些“抽象” 对于编译器设计者或者关键应用的程序员，尤其关键 Great Reality #2 编程人员应该了解一些汇编语言 幸运的是，可能永远也不会需要用汇编语言来写程序 编译器比程序员做的更好并且更有耐心 但理解汇编语言是认识机器级执行模型的关键 存在bug时的程序行为 此时高级语言执行模型失效 程序性能调优 找到程序低效的根源 实现系统级软件 编译器以机器码为最终目标代码 操作系统必须管理进程状态 汇编代码例子 时间戳计数器（Time Stamp Counter） Intel兼容机中的特殊64位寄存器 每个时钟周期自动加1 通过 rdtsc 指令来读取 应用 测量程序的运行时间 以时钟周期为时间单位 读计数器代码 利用GCC的“asm”特性在C源代码中编写小段汇编代码 最终GCC将汇编代码插入到编译产生的机器码中 读计数器代码 测量运行时间 性能测量比看上去要更难于处理 存在很多影响因素 例子 从1到n的整数求和 n Cycles Cycles/n 100 961 9.61 1,000 8,407 8.41 1,000 8,426 8.43 10,000 82,861 8.29 10,000 82,876 8.29 1,000,000 8,419,907 8.42 1,000,000 8,425,181 8.43 1,000,000,000 8,371,2305,591 8.37 系统性能测量 int count(int n) { int i; int sum = 0; for (i=0; in; i++) { sum += i; } return sum; } main(int argc, char** argv) { ... for (i=0; it; i++) { start_counter(); count(n); times[i] = get_counter(); } ... } 系统性能 int count(int n) { ... } main(int argc, char** argv) { ... } Great Reality #3 存储相关：随机访问存储器（RAM）是一个非物理的抽象 存储器并非是无限的 必须对它进行分配和管理 许多应用都是存储受限的（memory dominated） 存储器的性能并非是一致的（uniform） Cache 和虚拟内存的效果会极大的影响程序性能 使程序适应存储系统的结构特性可以极大的提高其性能 访存bug是极其致命的 最终问题出现的时间和位置与对应的访存bug之间可能有很大的距离，导致难以察觉 存储器性能举例