深入理解计算机系统 第 1 课 总览

这门课是 CMU 的镇校神课，其课程编号 15213 也正是 CMU 的邮编，故有：不上 15213，等于没来过 CMU。课本 CSAPP 也是非常经典的计算机教材。虽然我之前大概看过一次，不过这次跟着 CSAPP 的作者一起，再学习一次。

第一节课主要是介绍课程的总体内容，给大家一个整体的认识。

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小技巧

• Mac 下利用 lldb 来进行基本概念的试验，如： $ print 50000 * 50000
• 利用 gdb 来阻止发送 bomblab 的结果到 server 中，这样就不会被扣分

大部分计算机学科的课程强调抽象，比如说抽象数据类型还有渐进分析。抽象很强大，但是也有其局限性，尤其是在出 bug 的时候。这时，我们就需要去理解这些抽象的底层实现。

上这门课可以让你成为一个更有效率的程序员——高效寻找和消除 bug，理解和调整程序的性能表现，更重要的是，这门课几乎是所有其他重要学科的先导课程：编译器，操作系统，网络，计算机架构，嵌入式系统，存储系统等等。

接下来会介绍五个必须知道的事实，不然很可能会因为理解不到位而无法找出问题所在。

Great Reality #1 Ints are not Integers, Floats are not Reals

Ints 不是整数，Floats 不是实数。这句话的意思是，因为计算机表现能力的限制，使得整型和浮点型和真实数学的表现有一些差异。

参考下图，举两个简单的例子：

• $x^2 \ge 0$ 一定成立吗？
  • 对于浮点数来说，一定成立
  • 对于整型来说，不一定，可能会有溢出的情况
  • 可以通过 lldb 前两次的输出发现问题所在
• $(x+y)+z = x + (y+z)$ 一定成立吗？
  • 对于无符号/有符号整型来说，一定成立
  • 对于浮点数来说，不一定，可能会因为精度问题被舍入
  • 可以通过 lldb 后两次输出发现问题所在

计算机运算虽然结果可能很奇怪，但绝不是随机数，所有的算术操作都有重要的数学性质。但是这种性质和我们日常生活中使用的数学性质有一些差异。造成这个现象主要的原因是精度表达的限制(32位，64位)。

对于 Integer 的操作，满足 rings 性质：Commutativity, Associativity, Distributivity。

对于 Float 的操作，满足 ordering 性质：Monotonicity, Signs

Great Reality #2 You've Got to Know Assembly

虽然我们不需要用汇编语言写程序，但是需要在机器执行那一级去理解汇编，例如：

• 高级语言模型崩溃，出现 bug 时，理解程序的行为
• 了解编译器所做的优化以及代码中比较低效的部分
• 编译器输出机器代码
• 操作系统必须管理进程状态
• 创造/对抗恶意软件时，x86 汇编是必须的

Great Reality #3 Memory Matters

Random Access Memory Is an Unphysical Abstraction

随机访问内存是一个非物理的抽象，实际上

• 内存不是没有边界的，需要进行分配和管理
• 内存引用 bug 很麻烦，因为可能导致在一段时间或者代码的不同位置出现问题
• 内存的性能不是平均的，缓存和虚拟内存可以极大影响性能，利用好内存系统的特性可以极大提高性能

C/C++ 没有提供任何内存保护机制，可能出现：

• 数组越界引用
• 非法的指针
• 滥用 malloc/free

这就容易导致非常恶心的 bug，因为我们没办法判断是程序本身的 bug，还是系统和编译器的 bug。一旦出现问题，其实根源很早就埋下，不容易发现。这时候可以怎么办呢？

• 用带保护机制的语言来写：Java, Ruby, Python, ML, ...
• 理解可能出现的问题
• 利用查找引用错误的工具(例如 Valgrind)

Great Reality #4 There's more to performance than asymptotic complexity

不要被所谓的大 O 计算忽悠了，复杂度比这个要复杂得多。即使是 O(1) 的部分，可能也是很重要的因素，哪怕可以数出来运算的数量，也无法预测性能表现。需要在多个层次进行优化：算法，数据表示，程序流程以及循环。

要做这些优化，就需要理解系统本身：程序是如何编译执行的，如何去衡量程序性能表现并且找出瓶颈，如何在不破坏代码模块性和通用性的前提下提高性能

Great Reality #5 Computers do more than execute programs

计算机不只是执行程序而已，还需要进行数据的传输，因此 IO 系统对于程序的稳定和性能都非常关键。在这个网络时代，有了更高的连接要求，根据不同的系统层次，有：

• 匿名进程的并行操作
• 从不可靠的介质复制(比方说 U 盘)
• 跨平台兼容性
• 复杂的性能问题

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这门课是几乎所有计算机学科的基础课，整个学期有 7 个 lab 加上期中与期末考试。可以通过访问『shark machines』来进行试验，用 andrew id 登录

linux> ssh shark.ics.cs.cmu.edu

下面大致介绍下主要知识点和不同的 lab 的重点

Programs and Data

• 主题
  • 位操作，数学计算，汇编程序
  • C 控制流程的表示以及数据结构
  • 体系架构和编译器
• 作业
  • L1(datalab)：操作 bits
  • L2(bomblab)：拆除一个二进制炸弹
  • L3(attacklab)：基本的代码注入攻击

The Memory Hierarchy

• 主题
  • 内存技术，内存层级，缓存，磁盘，locality
  • 体系架构和操作系统
• 作业
  • L4(cachelab)：做一个缓存模拟器并且进行优化，与此同时学习如何在程序中利用 locality

Exceptional Control Flow

• 主题
  • 硬件异常，进程，进程控制，Unix 信号，非本地跳转(nonlocal jumps)
  • 编译器，操作系统和提及架构
• 作业
  • L5(tshlab)：写一个自己的 Unix shell

Virtual Memory

• 主题
  • 虚拟内存，地址翻译，动态存储分配
  • 体系架构和操作系统
• 作业
  • L6(malloclab)：自己实现 malloc 功能，借此了解系统层次编程

Networking and Concurrency

• 主题
  • 高层和底层 IO，网络编程
  • Internet 服务，Web 服务器
  • IO Multiplexing with select
  • 网络，操作系统和体系架构
• 作业
  • L7(proxylab)：写一个 web proxy，借此学习网络编程和并行/同步

第一个课的内容大概是这么多，之后会跟着自己学习/课程进度来完成这个系列的文章。