[sw정글-북] 📚CSAPP 1장-Tour of Computer Systems

Date: 2022.01.01 Updated: 2022.01.01

카테고리: swjungle CSAPP

태그: Computer System swjungle

📚CSAPP 1장-Tour of Computer Systems

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front

1.2 Programs Are Translated by Other Programs into Different Forms
컴파일러가 assembly language가 포함된 파일들로 바꾸어준다. 그럼 Assembler는 relocatable object를 뱉아내 주는데, 이는 재배치가 가능한, 즉 메모리의 address가 아직 정해지지 않았다는 뜻이다.

Untitled

Linker에서
- printf 라는 C 함수는 printf.o라는 오브젝트 파일에 따로 resides in 되어있다.
1.3 It Pays to Understand How Compilation Systems Work
- we do not need to know the inner workings of the compiler in order to write efficient code. However,in order to make good coding decisions in our C programs,
- 프로그램 성능 개선
  - for문이 빠를까 while문이 빠를까? if-else랑 switch는?
  - 챕터3, X86-64알려줌, 어떻게 컴파일러가 C를 instruction set으로 변환하는지 알려줌
  - 챕터5, 컴파일러가 더 일을 잘할 수 있게 만들어주는 간단한 C코드
  - 챕터6, 메모리시스템 구조 알 수 있음
- Link-time error 이해
  - 가장 당황스러운 프로그래밍 에러중 하나는 link-time error(some-of the most perflexing error라고 표현)
  - 더 무서운건 ㅋㅋ 런타임에 나타나지 않는 에러이다. ㄷ ㄷ
- 보안 취약점 해결
  - CWE-119 오류
    - https://cwe.mitre.org/data/definitions/119.html
    - 메모리 버퍼의 한계 내에서 이뤄지는 운영에 제대로 된 제한을 걸지 못해서 생기는 문제이다. buffer overflow vulbnerabilities
    - https://ko.wikipedia.org/wiki/버퍼_오버플로
  - 메모리의 데이터 컨트롤 과정을 고려하는 프로그래머들이 극극소수이다
1.4 Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory
- executable object file인 hello는 disk에 저장되어있다. 이걸 Unix에서 실행시키려면, shell이라는 응용프로그램에서 타이핑을 통해 실행 가능
- 첫 단어가 shell command가 아니라면? ⇒ 실행시킬 수 있는 파일로 인식
- loads and run hello program을 하고, 끝날때 까지 기다린다.
- 1.4.1 Hardware Oraganization of a System
  - 일반적인 하드웨어 구조
  - Buses, I/O Devices, Main Memory, Processor
    - Buses
      - 시스템을 통해 실행시키는 것은 Buses라는 electrical conduit들을 통해, 필요한 정보들을 carry on 해나가는 과정이다.
      - 버스는 고정된 bytes 단위로 설계되어있다. 이는 word size이며, 요즘은 대부분 8bytes(64bits)이다.
      - 앞으로 word라고 설명하면 ⇒ bytes 단위를 말하는 것임
    - I/O Devices
      - 모니터, 키보드, 마우스… 뭐 다 아는 입출력장치
    - Main Memory
      - Physically, DRAM(Dynamic Random Access Memory)칩들의 집합
      - Logically, 개별 고유주소가 있는 linear array of bytes
      - short 타입은 2bytes, int는 4bytes 등 자료구조마다 차지하는 메모리 양이 다름
    - Processor
      - = CPU
      - 프로세서의 중심에는, word-size-storage device혹은 register라고 부르는PC(Program Counter)가 있다.
        
        PC는 메인메모리의 instruction 들의 주소를 가르키고 있다.
        
        PC는 명령어를 해석하고 작업 수행, 수행완료시 다음음 지시어를 가르키도록 업에이트
        
        명령어는 몇가지 없음
        
        Load, Store, Operate, Jump
        
        Load
        
        메인메모리에서 레지스터로 복사
        
        Store
        
        레지스터에서 메인메모리로 복사
        
        Operate
        
        레지스터 값을 ALU로 복사, 그리고 이 때 (수학적)연산을 함
        
        Jump
        
        instruction set을 PC로 복사
        
        프로세서? 간단하다고 말했지만, 요즘은 엄청 복잡함
        
        그래서… 4장에서는 프로세서의 실 implementation에 대해, 5장에서는 프로그램 성능 최적화 할 수 있는 최신 프로세서 작동방식 설명 예정(두둥!!)
- 1.4.2 Running the hello Program
  - ./hello 프로그램을 쉘에서 실행시키면?
  - 위의 사진처럼, 메인메모리에서 CPU내부의 레지스터파일로 ‘Load’ 시킴
  - DMA(Direct memory Acces)라는 기술을 통해, 프로세스를 거치지 않고 메모리에 엑세스 할 수 있다. (아래그림 참조)
  - 이렇게, 코드랑 hello 오브젝트 파일내의 데이터들이 메모리에 load되고나면, 프로세서는 hello프로그램의 코드들을 실행시키기 시작함. 이 경우, “hello, world\n”를메모리에서 레지스터로, 레지스터에서 디스플레이로 옮기는 일들을 하게 된다. (아래 그림 참조)
1.5 Caches Matter
- 프로그래머가 느끼기에 “real work”를 해야하는데, 이처럼 정보들을 옮기는 과정에서 시간이 많이걸린다고 느낄 수 있다.
- 대용량 장치는 느리고, 저용량장치는 빠를 수 밖에 없다. 그리고 빠른 장치는 만들때 비싸다.
- 디스크 드라이브의 어떤 장치가 1000배 더 크다면, 아마 프로세서보다 10,000,000배 느릴 것이다.
- 프로세서-디스크 속도차이가 이렇게 너무 많이나니까, 캐쉬를 디자인하게 되었다.
- L1캐쉬는 10000 bytes holding가능하고, 레지스터만큼 빠르다
- L2캐쉬는 100000 bytes holding 가능하고, 5배 더 느리다
- L1, L2캐쉬는 SRAM(Static Random Access Memory)에 박혀있다.
- 이렇게 캐쉬들이 있어주기에, 프로그램 실행시 locality를 가져갈 수 있으므로 빠르게 작동한다.
1.6 Storage Devices Form a Hierarchy
- 메모리는 아래 그림과 같은 Hierarchy를 가지고 있다.
- 프로그래머는 캐쉬에 대한 지식을 활용해서 performance를 올릴 수 있어야 한다. 챕터6장에서 이에 대해 배운다.
1.7 The Operating System Manages the Hardware
- 우리가 hello program 돌릴 때, 키보드, 디스플레이, 디스크, 메인메모리.. 등등으로 직접적인 접근을 하는것이 아니다.
- OS를 통해 접근하는 것이다
- OS는 두가지 목적을 가지고 있다.
  - 어플리케이션 돌릴 때, 잘못된 사용으로 하드웨어를 망가뜨리지 않기 위해
  - low-level에서 아주 복잡하게 돌아가는, 작동 방식들은 단순화 시키기 위함이다.
- 1.7.1 Processes
  - process는 OS가 프로그램을 돌리기 위해 추상회 해주는 것
  - 멀티 프로세스는 동시에 여러 프로그램 돌려줌
  - 유니프로세스는 코드를 싱글프로세스에서 돌림(1개만 작동)
  - OS가 새로운 프로세스를 동작시키려고 할 때, context switch를 수행한다.
  - processA, 쉘: 새로운 입력을 기다린다.
  - system call을 통해 processA의 context가 전달이 되고, processB(hello program)이 실행된다.
  - 커널
    - 프로세스에서 다른 프로세스로 갈 때 커널을 통해 관리된다.
    - 커널은 OS의 일부이며 항상 메모리안에 있다.
    - 파일을 읽고, 쓰는 등 어플리케이션이 OS로부터 뭔가 필요한 기능들이 있는데, system call을 통해 수행되고, 이는 커널을 통해 전달됨
    - 커널은 분리된 process가 아님!!
    - 커널은, 시스템이 프로세스들을 관리하기 위한 코드들의 모음으로 보면 된다.
- 1.7.2 Threads
  - 프로세스가 single control flow라고 생각할 것
  - a process는, 쓰레드라는 multiple execution유닛으로 구성 가능
  - multiple process보다 multiple threads가 더 낫다
    - threads가 processes보다 낫기 때문
  - multi-threading은 프로그램 더 빠르게 돌릴 수 있도록 해준다
- 1.7.3 Virtual Memory
  - 가상화이다. 메인메모리를 쓰고있다는 착각을 줄 수 있는
- 프로세스는, virtual address space라는 방법으로 메모리를 본다(위의 사진)
- 위쪽에는 OS의 코드와 데이터를, 아래쪽에는 유저가 정의한 프로세스의 코드와 데이터를 가지고 있음
  - Program code and data
    - code와 data 영역은, executable한 object file로부터 바로 만들어진다
  - Heap
    - 프로그램이 돌아가기 시작하면 바로 고정이 된는 code와 data영역과는 다르게, heap은 동적으로 바뀜
    - malloc이나 free와 같은 C standard library들을 call 하면서 동적으로 바뀜
  - Shared libraries
    - virtual address space의 가운데부분에서, C-standard library, math library 등이 있음
  - Stack
    - 최상단에, user stack존재, 컴파일러가 function call을 사용하기 위해 존재하는 부분. 우리가 function call 할때마다 여기를 쓴다
  - Kernel virtual memory
    - 프로그램들이 여기를 직접적으로 쓰진 못함
    - 커너
- 1.7.4 Files
  - 파일은 바이트의 연속, 그 이상도 그 이하도 아님
  - 그냥 프로그래머들은 파일, 별생각없이 스윽~ 쓰면 됨
1.8 Systems Communicate with Other Systems Using Networks
- 이 책에서는 하드웨어와 소프트웨어의 분리된 집단으로 고려함
- 하지만, 실제로는, 네트워크로 하드웨어↔ 소프트웨어가 연결되어있다.
- 정보를 복사해 오는것이 중요하다
  - CPU가 로컬 디스크에서 정보를 복사 해 오듯
  - 외부 네트워크에서 정보를 가져오는것(copy)이 중요하다
  - WWW, FTP(File Transfer Protocol), telnet 등이 바로 네트워크를 통해 정보를 긁어오는 기능(copy)을 가능하게 해 주는 것이다.
  - 위 그림처럼 하는 통신 방식이 일반적인 웹 통신방식
1.9 Important Themes
- 1.9.1 Amdahl’s Law
  - 암달의 법칙: 암달의 저주로도 불림
  - 컴퓨터 시스템 일부를 개선할 때, 전체적으로 얼마만큼의 최대성능 향상이 있는지 계산하는데 사용된다. 진 암달의 이름에서 따왔따리
  - 전체의 P%중 S배의 성능이 향상되었으면,
  - 어떤 작업의 40%에 해당하는 부분속도를 2배 늘리면
- 1.9.2 Concurrency and Parallelism
  - Concurrency
    - 프로세서한테 여러개의 일을 동시에 시키는 뜻으로 general 하게 쓰인다
  - Parellelism
    - concurrency가 시스템을 더 빠르게 동작하게 한다는 뜻으로 쓰임
    - 컴퓨터 시스템에서의 multiple-levels of abstraction을 하는데 사용됨
  - Multiple-levels of abstracion
    - Thread-Level Concurrency
      - 저글링하면서 공 여러개 던지는것과 같은 원리
      - 웹페이지를 많은 사용자에게 쏴주는 일, 여러명에게 music streaming쏴주는 일들 등
      - 원래의 uniprocessor system에서는 다른일 하려면, 이거하다가 저거하다가 해야했음
      - multiprocessor system에서 multi-core, hyperthreading 등 아래와 같은 형태
      - chip이 4개의 cpu코어를 가지고 있을 때,
        
        L1과 L2 캐쉬를 각각 가지고 있는다
        
        그리고 L1은 다시 두 부분으로 쪼개진다 한놈은 instruction을, 한놈은 데이터를 들고있는다
        
        L3 등 high level cache에 대해서는 다른 코어들과 공유한다
        
        그리고 이 공유되는 캐쉬들은 메인메모리와 interfacing 가능
      - Hyperthreading
        
        simultaneous multi-threading이라고도 함
        
        원래 threads 바꾸려면 20,000싸이클 필요
        
        Hyperthread에서는 cycle단위로 어디서 실행될지 결정해버림
        
        intel-i7경우, 4개의 코어가 각각 2개의 쓰레드를 실행시킬 수 있음, 즉 8개의 threads가 parallel하게 작동 가능
      - multiprocessing이 시스템 퍼포먼스를 올리는 두가지 방법
        
        multi-task시, concurrency를 자주 건들일 필요가 없다
        
        멀티쓰레드로 표현되어있는 프로그램은 parallel하게 실행시켜서 빠르게 돌릴 수 있다
    - Instruction-Level Parallelism
      - 명령어 여러개를 한번에 돌릴 수 있음
    - Single-Instruction, Multiple-Data (SIMD) Parallelism
      - 가장 낮은 레벨, float8개를 한방에 집어넣을 수 있음
      - C프로그램 돌릴 때, 어떤 컴파일러들은 SIMD를 지 마음대로 추출할 때가 있음
      - 가장 안정적인 방법은, vector 데이터타입과 호환가능한 GCC같은 컴파일러 사용
- 1.9.3 The Importance of Abstractions in Computer Systems
  - API가 abstraction의 가장 좋은 예시
  - 파일도 좋은 추상화, 프로세서에서의 추상화도 있고, OS레벨의 추상화도 있음(위의 그림 참조)
1.10 Summary
- 하드웨어와 소프트웨어로 구성된 시스템이 우리의 응용프로그램을 잘 돌릴 수 있도록 도와준다
- ASCII text로 시작해, 컴파일러와 링커가 binary-executable로 만들어 주는 과정 까지 보았다
- 메모리 hierachy가 있었으며, OS의 커널, 파일과 같은 추상화 등을 살펴보았음
- 마지막으로, 네트워크를 통해 다른곳과 소통, 시스템관점으로 보았을 때 이는 그저 다른 I/O디바이스와 소통하는것과 같음