深入理解计算机系统

第五章 优化程序性能

5.1 优化编译器的能力和局限性

• 编译器必须假设不同的指针可能指向同一位置

  5.2 循环展开，每次多迭代几个元素

• 可以降低过程调用

  5.4 消除循环的低效率

  代码移动: 移除多次执行但结果不会改变的计算

  同样是降低过程调用

  5.5 减少过程调用

  5.6 消除不必要的内存引用

• 也是降低过程调用

• 引入临时变量

• 编译器不能自己引入，因为内存别名的问题，即指针可能即是结果，也是过程; 读/写是相关的

  5.7 指令级并行

• 实际处理器中，是同时对多指令求值的

• 代码中的数据相关会限制指令级并行

  5.8 循环展开

• 优化级别高的 gcc 编译器可以帮助做到

  5.9 提高并行性

  5.9.1 多个累计变量

• 不再必须等前一次循环的结果

  数据很奇怪时，比如偶数都很大，奇数都很小时，可能会导致溢出

  5.9.2 重新结合变换

• 编译器不会对浮点数自动进行

5.11 条件

• 使用条件传送，而不是 if

• 以避免分支预测错误，即用 'a>b?a:b'

• 条件数据传送，而非条件控制转移

5.14 性能

• 使用性能剖析程序

• 瓶颈消除以后，新的瓶颈就会出现

• 哈希函数的好坏差别很大; 质数分布

第 七 章 链接

• GNU READELF 查看目标文件的程序

  静态库: 链接器只会复制用到的模块

• .a( archive )

• 使用 ar 编译生成

• 链接器解析顺序:

  集合E: 目标文件的集合

  集合U: 使用但未定义

  集合D: 已定义

  遇到库文件 f, 扫描 U, 修改 D, 随后丢弃该库文件; 所以，以后再用到该库文件时可能会报错

• 所以，静态编译是需要排好库的顺序, 库可重复出现在不同位置

  动态库

• .so( shared object )

• gcc -shared -fpic

• fpic 表示生成位置无关代码( Position-Independent Code )

• 也可以运行时通过 'dlopen()' 函数加载

  7.13 库打桩机制

• Library Interpositioning

• 编译时、链接时、运行时 均可打桩

  编译时打桩

• gcc 的 -I 选项, 优先搜索当前文件夹的头文件, 再搜索系统目录

  链接时打桩

  --wrap f 表示把 f 解析为wrap_f 而把real_f 解析为 f gcc -wl, --wrap, malloc *.o

• -wl 参数表示把参数传递给连接器

  运行时打桩

• 编译时需要源代码

• 链接时需要目标文件

• linux 下运行时指定 LD_PRELOAD="./mylib.so" *.exe表示动态链接先搜索这些库

• 多个库文件用逗号或空格分割

• 可以对包括系统程序在内的任何程序打桩!!

  一些工具

• AR: 静态库, 插入、删除、列出和提取

• STRINGS: 列出一个目标文件所有可打印字符串

• STRIP: 从目标文件删除符号表信息

• NM: 列出一个目标文件符号表中定义的符号

• SIZE: 列出一个目标文件中节的名字和大小

• READELF: 显示一个目标文件的完整结构, 包括 ELF 头中编码的所有信息, 包括 NM 和 SIZE 的功能

• OBJDUMP: 所有二进制工具之母, 能显示一个目标文件中所有信息。最大作用是反汇编 .text 节中的二进制指令

• LINUX 系统还有 LDD: 列出运行时所有需要的共享库

第 九 章 虚拟内存

• Virtual Memory

• 方式: 按需页面调度

• 多个虚拟页面可以映射到同一个物理内存地址上

• VM 简化了链接和加载、代码和数据共享, 以及应用程序的内存分配

• 简化内存分配: 用户申请的 n 个连续虚拟内存页可以随机分散映射到物理内存

• MMU 内存管理单元, 硬件

• 虚拟页面的三种状态

  已缓存

  未缓存

  未分配

• 写时复制( Copy on Write ), fork() 函数就使用写时复制

• Linux 内存映射到文件

  1. 到普通文件, 按需进行调度

  2. 到匿名文件, 请求二进制0, 不发生磁盘与内存的数据负值, 使用时把物理内存置0即可

     分配器

• C++显式分配, Java 隐式分配

• 要求

  处理任意的申请和释放顺序 立刻响应请求，不允许重新排列请求 只使用堆 对齐块 不修改已分配块

• 吞吐量 和 内存利用率 互相牵制

• 利用率低是因为碎片

• 合理性能: 分配请求的最糟时间与空间块的数量线性相关

• 内存释放后的合并策略:

  1. 立即合并. 简单明了，但会发生抖动，即反复分割和合并

  2. 推迟合并，分配失败时，扫描整个堆，合并相邻。快速分配器的选择

• 对齐方式的 trick: size = DSize * ( (DSize+size+Dsize- 1)/DSize )

• 未初始化的全局变量总是被加载器初始化为0

  虚拟地址与物理地址翻译

• TLB( Translation Lookaside Buffer ) 翻译后备缓存

• 页表: 保存所有虚拟地址与物理地址的映射表

• 物理地址的三层: (缓存可以分好几层)

  高速缓存

  内存

  磁盘

第 十 章 系统级IO

• 不要使用 scanf 来读取二进制文件

• 对网络套接字的 I/O 使用 RIO(书中定义的一系列函数), 以确保线程安全

  限制

• 跟在输出之后的输入，中间应插入 fflsh、fseek、fsetpos、rewind 的调用

• 跟在输入后的输出，中间应插入 fseek、fsetpos、rewind 的调用

• 否则就会出现缓存区的问题

• 网络编程无法使用 lseek, 所以可以打开两个操作流，一个读，一个写，但关闭两次会出现问题

• 所以使用 RIO 函数，在书中定义

  文件读写的三个层次

• 每一个进程都有一个描述符表

• 操作系统用引用计数维护文件表，记录当前位置

• v-node 表，为文件信息

第 十一 章 网络编程

客户端发送请求 服务器处理 服务器发送响应 客户端收到并处理

• 互联网可以由完全不同和不兼容的各种局域网和广域网组成

• web 服务器 80 端口

• 邮件服务器 25 端口

• /etc/services 文件包含机器提供的名字和端口的映射

• 客户端

  getaddrinfo; socket; connect; riw_writen; rio_read; close

• 服务器

  getaddrinfo; socket,bind,listen; accept; rio_read; rio_write; EOF; close

• 访问服务器网页时，服务器可执行文件的 url 后可以跟程序参数，"?"分隔文件和参数，每个参数都用'&'隔开

第 十二 章 并发编程

1. I/O 多路复用，select() 函数

2. pthread_create()

3. 进程

   信号量

4. 两个原子操作

   P(s): 把 s-1, 且 s 不能小于 0, 否则阻塞

   V(s): 把 s+1, 之后重启任意一个阻塞的 P(s) 操作

5. int sem_init(sem_t * s, 0, uint value) 初始化

6. int sem_wait(sem_t * s) 测试

7. int sem_post(sem_t * s) 增加

8. 并行程序相当棘手，对代码看上去很小的改动可能会对性能有极大的影响

9. 可重入函数: 不引用任何共享数据

10. 线程安全函数: 字面意思

11. 多个限号量或线程锁时要规定加锁顺序，避免死锁

    局部性

12. 有良好局部性的程序通常会更快

13. 且更容易理解和优化