Re: [問卦] 精通作業系統對Coding有什麼幫助? - Gossiping板

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在大學教了幾年嵌入式系統後,我深深體會到這個事實:與其說學生對嵌入式系統掌握度不足,不如說為數眾多的人根本只是學C 程式語言的語法,而從未想過 ... 顯示廣告 隱藏✕ DispBBS guest註冊登入(i)線上人數:1007 首頁(home) 上頁(↑) 下頁(↓) 末頁(end) ※本文為MindOcean 轉寄自ptt.cc更新時間:2020-04-2418:00:48看板 Gossiping作者 jserv(松鼠)標題 Re:[問卦]精通作業系統對Coding有什麼幫助?時間 FriApr2403:02:492020 ※引述《bencert(根本ㄏㄏ)》之銘言: :我資管的 :作業系統這門科目的內容有 :io運作、Process、Thread、Deadlock、Processcommunication、記憶體管理、磁碟管理、檔案系統等內容 :想問精通這些內容跟Coding有什麼關係? :有沒有八卦? 我文組(工作任務之一是撰寫論文和各式報告,沒辦法提槍上戰場,文組無誤)的,論文 繳交的截止日受到COVID-19衝擊而延後,上來跟大家抬槓。

Linux核心的開創者LinusTorvalds在紀錄片《RevolutionOS》[1]提到:  「作業系統就是你永遠不會看到的東西,因為沒有人直接使用作業系統,人們使用的是   (應用)程式。

在他們的電腦上,作業系統唯一的使命就是,幫助其它程式執行,   所以作業系統從未獨立運行,而僅是默默等待程式,來向它要求現有資源、某個存在   硬碟上的檔案或要求其它程式將這個程式連接到外面去,然後作業系統再一步步地,   試著讓人們寫程式容易一些」 通俗來說,作業系統讓絕大多數的人免於需要理解硬體及各式電腦原理,得以使用各式 電腦程式,從而讓軟體自起初電腦硬體的附屬品(說「附贈」也不為過),迅速在上世紀 建立完整的生態系統及奠定今日資訊科技工業。

原提問者的訴求是 :「精通作業系統跟程式設計有何關係?」 實在是很好的問題,待我娓娓道來。

美國威斯康辛大學教授RemziH.Arpaci-Dusseau賢伉儷撰寫的開放存取式教科書 《OperatingSystems:ThreeEasyPieces》[2],在〈TheAbstraction:TheProcess〉 一章提到: :HOWTOPROVIDETHEILLUSIONOFMANYCPUS? :AlthoughthereareonlyafewphysicalCPUsavailable,howcantheOS :providetheillusionofanearly-endlesssupplyofsaidCPUs? 作業系統藉由虛擬化(virtualize)CPU資源,達到在單一處理器實作出(概念上)猶如 同時多個程式執行於各自的處理器之上的假象--其中關鍵的手法就是分時多工 (time-sharing),而Unix的第一篇論文《TheUNIXTimeSharingSystem》[3],由 KenThompson和DennisRitchie在1973年10月ACMSymposiumonOperating SystemsPrinciples(SOSP)中提出,該論文在1974年7月的Communicationsof theACM發表,正是採用分時多工作為主題。

當然,今日的作業系統不限於上述分時多工,充分發揮現代硬體的特性,彷彿應用程式的 開發者只要會運用現有API及各式應用程式開發框架(applicationframework)即可, 不用去理會作業系統的內部原理? 我會說,對!多數情況下,應用程式開發者真的不用理會太多作業系統的內部運作機制, 一如不懂資料庫管理系統的運作,也可運用SQL語法存取資料庫,甚至連不學習SQL 語法也可。

但倘若遇到效能、擴充性,或者各式來自底層系統問題時,應用程式開發者 往往不得不正視作業系統的設計及實作。

以新酷音輸入法[4]來說,在2004年我嘗試導入TaBE[5]和相容於自由軟體授權的 詞彙用語後,將單字詞列入,字詞總量就達數十萬之譜,但中文輸入法往往是視窗系統 (windowsystem)及桌面環境(desktopenvironment)啟動不久就會載入的工具程式, 於是使用者很快就面臨一個嚴酷的問題:新酷音輸入法載入的時間越來越長,當然使用者 體驗就差,但華文經典和各式新潮用語又不能隨意捨棄,該怎麼辦? 順帶一提,上個世紀末,我發展中文輸入法最初的動機是,讓前女友在GNU/Linux環境 中得以順暢地處理中英文輸入,儘管我不是語文專家,但無形中投入中文資訊系統發展, 用程式碼寫日記(改寫自經典廣告台詞:「有人用筆寫日記,有人用歲月寫日記,而我, 用柯尼卡寫日記。

」)。

不算很認真開發,但有空就順手改進。

針對上述輸入法啟動時間太長的疑慮,我和熱血的開發者同儕在2005年用泛UNIX家族  (即UNIX-like作業系統)的mmap系統呼叫[6]和MicrosoftWindowsAPI的 CreateFileA或CreateFileForMappingA(針對WinCE,冷知識:新酷音輸入法曾經移植 到WindowsMobile,不過由於程式碼參雜著和自由軟體授權不相容的工具函式庫,所以 我無法公開釋出。

隨著離職程序中,繳回前公司配給的WindowsMobile裝置後,我就 不再開發過Windows平台軟體了,有點可惜[7]),使得新酷音輸入法的啟動時間大幅 縮短,因為原本是透過C標準函式庫的fopen,fread,fwrite,fclose等操作進行 streamI/O再逐步建立輸入法所需要的樹狀結構,現在透過mmap一類的系統呼叫,讓 作業系統建立檔案和虛擬記憶體的映射關係,只要預先將樹狀結構予以適度的保存(即 serialization),即可快速地進行資料操作。

(在過去,現在我不清楚)在Microsoft Windows平台,新酷音輸入法啟動的時間比自然輸入法來得迅速,有部分是上述機制[8] 的運用。

再舉一個我參與開發過的案例。

2019年Linux核心正式收錄發展超過十年的PREEMPT_RT[9],成為Linux5.3版的 特徵之一,這意味著Linux核心已具備hardrealtime(硬即時)和softrealtime (軟即時,也寫作soft-RT)能力的作業系統基礎。

soft-RT應用情境絕對不限於工業 自動化一類,而是跟你我生活息息相關,怎麼說呢? Android的音效處理很複雜,首先要處理混音(mixer),也就是,不管前景應用程式是 什麼,一旦有多個音訊要合成,系統就該在夠低的延遲達成(注意:音訊可能有不同的 取樣頻率),這點就仰賴Linux核心的CONFIG_PREEMPT組態[10]。

另外,你一定有遇 過在Android手機上全螢幕播放YouTube影片,享受聲音和影像流暢展現時,突然 LINE跳出新的訊息,這時YouTube的音量會隨之降低,不過LINE的提示聲音卻一如 平常,這樣的訊號合成相當自然,但作為系統規劃,卻格外困難,試想以下問題:  「Android環境下的YouTube應用程式事先知道LINE的存在嗎?」  「LINE要觸發新訊息的新視窗和聲響,會知道前景應用程式是YouTube嗎?」 這背後的運作機制透過名為AudioFlinger的Android系統元件,後者仰賴著Linux 核心的soft-RT能力。

這過程中還涉及到即時系統的經典議題--Priorityinversion [11],並在Android手機中,還需要正視SMP和futex實作,有意思吧!請參閱 Android官方文件的精彩討論:   https://source.android.com/devices/audio/avoiding_pi AvoidingPriorityInversion | AndroidOpenSourceProject   寫程式要不要懂作業系統核心呢?取決於你對程式行為的要求、人們對你的期許,還有 是否有機會持續精進下去。

(咦?你不小心讀到這裡了嗎?進入廣告時間) 歡迎關注全台灣唯一探討Linux最新技術的正式大學課程「Linux核心設計」,大部分 的教材和講講錄影都可線上免費存取,請見:   http://wiki.csie.ncku.edu.tw/linux/schedule Wiki-Linux核心設計(LinuxKernelInternals)   我們從電腦原理(像是二進位數值系統)開始探討起,逐步帶領學員「誠實面對自己」, 掌握相關背景知識後,嘗試跟原始程式碼近於兩千八百萬行的Linux核心去互動。

姐妹 課程包含「你所不知道的C語言」:   https://hackmd.io/@sysprog/c-prog/ 「你所不知道的C語言」系列講座-HackMD 回歸第一手資料,透過反思C語言程式設計的細節,重新學習電腦原理...   在大學教了幾年嵌入式系統後,我深深體會到這個事實:與其說學生對嵌入式系統掌握度 不足,不如說為數眾多的人根本只是學C程式語言的語法,而從未想過背後的原理、 語言設計者的思維和理念,以及在真實環境中的關聯。

古希臘Delphi神殿前,有一則神諭寫道"KnowThyself",也就是「誠實面對自己」, 我們程式設計師就該從技術、團隊合作、理性思考,以及培養堅忍不拔精神等方面,找 到自我,從而建立自信。

於是,從2015年秋季開始,我做了一系列的調整,重新探討C 語言程式設計,安排了「你所不知道的C語言」系列講座,透過實體和線上直播課程, 整理這二十年來程式設計經驗,帶著學員參考第一手的資料(例如ISO/IEC9899C語言 規格),並善用系統開發工具(如GNUDebugger),屏棄過往臆測為主的學習方式,探究 實際C程式的行為並反思箇中原理,讓人得以正視自己的盲點,從而打下穩固的基礎。

[1]關於紀錄片《RevolutionOS》的導讀點評和資訊補充,可參見共筆:   https://hackmd.io/@sysprog/revolution-os-note 從_RevolutionOS_看作業系統生態變化-HackMD 這部紀錄片《==_RevolutionOS_==》在21世紀的第一年發布,是刻畫自由軟體和開發原始碼的經典,為了教學需求,我們透過共筆,選錄部份內容作資訊更新和補充...   [2]線上存取:http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/   該書有簡體中文、日本語,及韓語的翻譯:   https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-translations GitHub-remzi-arpacidusseau/ostep-translations:VarioustranslationsofOSTEPcanbefoundhere.Helpthecauseandcontribute! VarioustranslationsofOSTEPcanbefoundhere.Helpthecauseandcontribute!-remzi-arpacidusseau/ostep-translations...     至於《OperatingSystems:ThreeEasyPieces》(可簡稱為OSTEP) 的   "ThreeEasyPiece"也有典故,是向已故物理學家費曼致敬,後者著有   《SixEasyPieces:EssentialsOfPhysicsExplainedByItsMostBrilliant    Teacher》。

用OSTEP作者的話說,作業系統只有物理學一半難度,那就折半為   《ThreeEasyPieces》,該書的三大主軸:   -虛擬化(Virtualization);   -並行(Concurrency);   -持續保存(Persistence):主要探討檔案系統; [3]《TheUNIXTimeSharingSystem》   http://www.cs.berkeley.edu/~brewer/cs262/unix.pdf [4]新酷音輸入法:http://chewing.im/ Home—新酷音輸入法   [5]TaBE計畫和相關CLE(ChineseLinuxExtension)時代的自由軟體:   https://www.debian.org/international/Chinese/software.zh-tw.html Debian--Debian中文自由軟體(DebianChineseFreeSoftware)     libTaBE是X11輸入法xcin所用的詞庫函式庫.這個函式庫採用BerkelayDB   作為資料庫,以Big5編碼為主,但該函式庫所用的斷詞演算法跟基本字詞的資料   結構框架仍是自由軟體世界的開創性作品。

[6]mmap,munmap-maporunmapfilesordevicesintomemory   http://man7.org/linux/man-pages/man2/mmap.2.html mmap(2)-Linuxmanualpage   [7]以前我跟公司女同事或客戶公司女性職員搭訕,會說「你現在用的中文輸入法是我   投入開發的」,後來就改說Android系統了。

這招實在老套,不過竟然結識現在的   老婆,開發自由軟體可引導人走向幸福喔(*笑*) [8]相關程式碼:   https://github.com/chewing/libchewing/tree/master/src/porting_layer libchewing/src/porting_layeratmaster· chewing/libchewing· GitHub libchewing-Theintelligentphoneticinputmethodlibrary-chewing/libchewing...   [9]PREEMPT_RT:https://rt.wiki.kernel.org/ RTwiki   [10]該核心組態決定kernelpreemption(核心搶佔)的能力,對於作業系統內部有   可觀的變動:   https://en.wikipedia.org/wiki/Kernel_preemption Kernelpreemption-Wikipedia   [11]Priorityinversion   https://en.wikipedia.org/wiki/Priority_inversion Priorityinversion-Wikipedia     可搭配拙作〈PriorityInversiononMars〉閱讀:   http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/priority-inversion-on-Mars.pdf -- -- ※發信站:批踢踢實業坊(ptt.cc),來自:140.116.246.163(臺灣) ※文章代碼(AID):#1UeUPa2P(Gossiping) ※文章網址:https://www.ptt.cc/bbs/Gossiping/M.1587668580.A.099.html 推longman:拜1F04/2403:03 推wuyiulin:宅瑟夫2F04/2403:04 推xxoooxx34567:推3F04/2403:04 推frouscy:拜4F04/2403:04 推Ponimp:文組寫那麼長好啦我認輸5F04/2403:05 推jerry10127:神6F04/2403:05 推johnhmj:快來推,不然別人會以為我看不懂。

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