計算機系統導覽練習題 (Practice - Computer Systems Tour)

靠檢視它們的情境 (context)——這是全書第一個基本觀念「Information is bits + context」。
資料物件本身沒有內建型別;同一串 bytes 在不同情境下可以是整數、浮點數、字串或機器指令。
延伸:機器中的數值只是數學整數/實數的有限近似 (finite approximations),可能出現出乎意料的行為。

1. Preprocessing (cpp):hello.c → hello.i(依 # directive 修改原始碼,如插入 stdio.h 內容)
2. Compilation (cc1):hello.i → hello.s(組合語言程式)
3. Assembly (as):hello.s → hello.o(relocatable object program)
4. Linking (ld):hello.o + printf.o → hello(executable object file)
   注意:gcc 本身是驅動全部四階段的 compiler driver,不是狹義的 compiler。

hello.c、hello.i、hello.s 是 text file;hello.o 與 hello 是 binary file。
text file 定義:內容全部由 ASCII 字元構成的檔案;其他一律是 binary file。
text/binary 的分界在 assembler (as):它把文字形式的組合語言翻譯成二進位機器指令。

四大組件:buses、I/O devices、main memory (DRAM)、processor (CPU,含 PC、register file、ALU)。
bus 以固定大小的 word(字組) 為傳輸單位;word size 是基本系統參數,現今多為 4 bytes (32-bit) 或 8 bytes (64-bit)。
補充:main memory 邏輯上是從 0 起算的線性位元組陣列。

PC 是 CPU 內的 word-size 暫存器,任一時刻都存放主記憶體中下一條要執行的機器指令的位址。
CPU 從開機到斷電不斷重複:執行 PC 所指的指令 → 更新 PC 指向下一條指令。
注意:下一條指令不一定與剛執行的指令在記憶體中相鄰(例如 jump 之後)。

• files → I/O devices
• virtual memory → main memory + disk
• processes → processor + main memory + I/O devices
  記法:process 涵蓋範圍最大(全包),virtual memory 次之,file 最小(只抽象 I/O 裝置)。

(a) Context = PC 目前值 + register file + main memory 內容。
(b) 三步驟:save 舊 process 的 context → restore 新 process 的 context → 把控制權交給新 process(新 process 從上次停下處精確繼續)。
(c) 不是。kernel 是常駐記憶體、用來管理所有 process 的 code 與 data structures 集合;應用程式透過 system call 進入 kernel。

• Concurrency:一般性概念,指系統中存在多個同時進行的活動。
• Parallelism:利用 concurrency 讓系統跑更快。
  三層次(高→低):thread-level concurrency(multi-core、hyperthreading)→ instruction-level parallelism(pipelining、superscalar)→ SIMD parallelism(一條指令做多個運算)。

(a) S = 1/[(1−0.6) + 0.6/3] = 1/[0.4 + 0.2] = 1.67×
(b) S∞ = 1/(1−α) = 1/0.4 = 2.5×
洞見:即使把佔 60% 的部分加速到「幾乎不花時間」,整體也只有 2.5 倍——未改善的 (1−α) 部分是不可逾越的瓶頸。

由 S = 1/[(1−α) + α/k]:4 = 1/(0.1 + 0.9/k)
→ 0.1 + 0.9/k = 0.25 → 0.9/k = 0.15 → k = 6
檢驗:1/[0.1 + 0.9/6] = 1/0.25 = 4 ✓(即書中 Problem 1.2 的模式:兩邊同乘 4k 得 0.4k + 3.6 = k)

(a) 由 Preprocessing 階段的 cpp 處理:#include <stdio.h> 把系統標頭檔 stdio.h 的內容直接插入程式文字,#define 做文字替換,輸出 prog.i(仍是 text file)。
(b) printf 的實作位於 standard C library 的預編譯目的檔 printf.o;此錯誤表示 linker (ld) 未能把它與 prog.o 合併。

量測合理:S = 1/[(1−0.5) + 0.5/10] = 1/0.55 ≈ 1.82×,與實測相符。
繼續優化此模組不可行:即使 k → ∞,上限 S∞ = 1/(1−0.5) = 2× < 3×——剩下 50% 未改善部分是天花板。
結論:想大幅加速整個系統,必須改善佔整體很大比例的部分;此時應把資源轉向另外 50% 的程式。
附註:表達改進時用比值 T_old/T_new 加「×」最清楚,百分比定義有歧義。

應選擇單一 process 內多 thread。依據:

1. 資料共享:同一 process 的 threads 共享同一份 code 與 global data,共享快取資料結構天然容易;多個 process 各有獨立的 virtual address space(獨占假象),跨 process 共享資料較困難。
2. 效率:threads 通常比 processes 更有效率(建立/切換成本較低)。
   這正是書中「thread 日益重要」的三個原因之二(第三個:網路伺服器本身就需要 concurrency)。