深入理解计算机系统 第 7 课 Machine Data

上一讲我们了解了过程调用是如何用机器代码实现的，这一讲我们来看看基本的数据是如何存储在计算机中的。

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Arrays

数组其实就是连续分配的地址空间，比如说 T A[L]，意思就是类型 T 且长度为 L 的数组，需要分配 L*sizeof(T) 个字节的空间。

既然是连续的地址空间，就有很多不同的访问方式，举个例子：

那么对应的一些访问方式为：

再举个例子：

#define ZLEN 5
typedef int zip_dig[ZLEN];

zip_dig cmu = { 1, 5, 2, 1, 3};

假设我们要取数组中的某一位：

int get_digit(zip_dig z, int digit){
	return z[digit];
}

对应的汇编代码是：

这里寄存器 %rdi 中存着数组的起始地址，寄存器 %rsi 存着序号，我们要访问的地址等价于 %rdi + 4*%rsi，用内存引用的方式就是 (%rdi, %rsi, 4)。

再看一个数组循环的例子：

void zincr(zip_dig z){
	size_t i;
	for (i = 0; i < ZLEN; i++)
		z[i]++;
}

对应的汇编是，注意红字的部分，相当于等价实现了 ++ 操作

对于多维的数组，基本形式是 T A[R][C]，R 是行，C 是列，如果类型 T 占 K 个字节的话，那么数组所需要的内存是 R*C*K 字节。具体在内存里的排列方式如下：

多维数组的第一维可以看作是每行起始的地址：

因为如此，所以访问可以是这样的：

这里 pgh[index][dig] 是 int 类型。地址 pgh + 20*index + 4*dig = pgh + 4*(5*index + dig)。

还有另外一种组合数组的方式，不是连续分配，而是存储每个数组的起始地址，例如：

获取具体某个元素的地址其实就是计算时的起始地址有变换，对应的代码为：

int get_univ_digit(size_t index, size_t digit){
	return univ[index][digit];
}

汇编为：

这里等同于进行两次内存访问 Mem[Mem[univ+8*index]+4*digit]，

对比一下

在 C 语言中看起来差不多，但是实际上差别很大：

Mem[pgh+20*index+4*digit] vs Mem[Mem[univ+8*index]+4*digit]

Structures

结构体是如何表示的呢，大概是这样：

这里我们发现刚好都是 4 的倍数，如果换一种方式来组合，会是怎么样的呢？会像下图这样吗？

答案是，并不会，会在内存中进行对齐：

具体对齐的原则是，如果 primitive data type 需要 K 个字节，那么地址都必须是 K 的倍数。为什么要这样呢，因为内存访问通常来说是 4 或者 8 个字节位单位的，不对齐的话访问起来效率不高。具体来看的话，是这样：

• 1 字节：char, ...
  • 没有地址的限制
• 2 字节：short, ...
  • 地址最低的 1 比特必须是 $0_2$
• 4 字节：int, float, ...
  • 地址最低的 2 比特必须是 $00_2$
• 8 字节：double, long, char *, ...
  • 地址最低的 3 比特必须是 $000_2$
• 16 字节：long double (GCC on Linux)
  • 地址最低的 4 比特必须是 $0000_2$

对于一个结构体来说，所占据的内存空间必须是最大的类型所需字节的倍数，比如：

struct S2 {
	double v;
	int i[2];
	char c;
} *p;

如果是结构体数组的话，那就是像这样：

具体到访问结构体中的例子，如下：

struct S3 {
	short i;
	float v;
	short j;
} a[10];

那么根据这种特点，就有一些技巧了。例如，要把大的数据类型放到前面，看这个例子：

struct S4 {
	char c;
	int i;
	char d;
} *p;

struct S5 {
	int i;
	char c;
	char d;
} *p;

那么这两种的对应排列就是：

可以看到，下面那种省了 4 个字节。

Floating Point

浮点数的部分在课上介绍的不是很多，这里简要介绍一下。

最开始是 x87 FP（比较丑陋），之后是 SSE FP（利用了向量指令），然后是 AVX FP（类似与 SSE）。

SSE3 对于 XMM 寄存器一共有 16 个，每个 16 字节：

下面是对标量和 SIMD 操作的描述：

具体的机制也是类似的，传入的参数存储在 %xmm0, %xmm1，返回参数在 %xmm0，所有的 XMM 寄存器都会被保存在调用者的栈帧中：

这一讲到此结束，之后会进入更深入的话题（因为作业大概两到三周一次，所以可能先把重点放在概念的理解上）