# 系統程式
## 前言
科技日新月異，沒想到AI也會寫書了，這本由我本人主導方向、潤飾，
由ChatGPT撰寫的書，在2023/03/15，一個下午便橫空出世了。:D
內容是ChatGPT寫的，正確性有待商榷，有意見請洽OpenAI。
## 目錄
### 第一章：系統程式簡介
介紹系統程式的基本概念、定義及其在電腦系統中的角色和功能。
### 第二章：組合語言
介紹組合語言的基本概念和語法，並講解如何使用組合語言來進行系統程式的開發。
### 第三章：編譯器
介紹編譯器的原理和功能，以及常用的編譯器工具，包括GCC、LLVM等。
### 第四章：連結器
介紹連結器的原理和功能，以及連結器的各種參數和使用方式。
### 第五章：除錯工具
介紹系統程式開發中常用的除錯工具，包括GDB、Valgrind等，並講解它們的使用方法和技巧。
### 第六章：系統呼叫
介紹系統呼叫的概念和作用，並講解如何使用系統呼叫來訪問操作系統提供的服務和資源。
### 第七章：虛擬記憶體
介紹虛擬記憶體的原理和應用，並講解如何使用虛擬記憶體來進行系統程式的優化。
### 第八章：多緒程式設計
介紹多緒程式設計的基本概念和技巧，並講解如何使用多緒程式來實現系統程式的併發執行。
### 第九章：作業系統
介紹作業系統的基本概念和架構，並講解作業系統在系統程式開發中的作用和影響。
### 第十章：系統程式安全
介紹系統程式安全的基本概念和技巧，包括緩衝區溢出攻擊、格式化字符串攻擊等，並講解如何使用安全編碼和安全測試來提高系統程式的安全性。
#### 備註：本書旨在介紹系統程式的基本概念和開發技巧，並不涉及具體的程式語言和平台。讀者可以根據自己的需求選擇相應的開發工具和平台進行實踐。
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## 第一章
系統程式是一種特殊類型的電腦程式，其目的是***協調和管理***計算機系統的各種資源和活動。系統程式通常運行在操作系統內核中，是實現計算機系統基礎設施的關鍵部分。
系統程式可以分為多種類型，包括***操作系統、驅動程序、編譯器、連接器和載入器等***。這些程式負責管理和控制硬件、執行應用程序、調度進程、處理記憶體、存儲數據、管理文件系統等。
系統程式的定義通常是指那些***直接與計算機硬件和操作系統相關的軟件程式***。這些程式需要***高度的效能和穩定性***，因為它們直接影響計算機系統的***性能和安全性***。
系統程式的另一個重要角色是提供各種服務和功能給應用程序使用。這些功能可能包括設備***驅動程序、網絡通信、文件系統、安全性等***。應用程序可以通過系統程式提供的接口使用這些功能，而無需自己實現這些複雜的操作。
系統程式還可以幫助***優化計算機系統的效能和資源使用***。例如，系統程式可以通過優化記憶體使用、處理網絡通信、改進文件系統等方面來提高系統的效能。這對於那些需要大量計算資源和速度的應用程序非常重要，例如科學計算、機器學習等。
最後，系統程式也負責***維護系統的安全性***。它們可以通過實現防火墻、安全性協議、加密和解密等操作來保護系統免受外部攻擊和威脅。
總之，系統程式是計算機系統中至關重要的組成部分，它們協調和管理各種資源和活動，提供各種功能和服務，並保護系統免受外部攻擊和威脅。
***總之，系統程式是計算機系統中至關重要的組成部分，它們協調和管理各種資源和活動，，提供各種功能和服務，並保護系統免受外部攻擊和威脅。***
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## 第二章
組合語言（Assembly Language）是一種***低階***程式語言，用來***將人類易於理解的指令轉譯成計算機可執行的機器碼***。組合語言的基本單位是***指令（Instruction）***，每一條指令對應著計算機上的一個機器碼指令，可以執行某個特定的操作，例如加法、減法、載入、儲存等。
組合語言的語法與機器指令非常相似，因此很難閱讀和維護。通常會使用***符號或名稱來代表不同的機器指令***，讓程式更容易理解和維護。另外，組合語言也會使用***記憶體地址***來操作資料，因此需要對電腦硬體的記憶體結構有相當的了解。
#### 要使用組合語言來進行系統程式的開發，需要掌握以下幾個基本步驟：
1. 編寫組合語言程式：使用組合語言編寫程式碼，透過指令控制CPU執行特定的操作。
2. 編譯組合語言程式：使用組合語言編譯器（Assembler）將組合語言程式碼轉換成機器碼或目標碼。這些機器碼或目標碼可以直接執行於電腦上，但是通常需要進一步進行連結（Linking）或載入（Loading）等操作。
3. 連結程式庫：組合語言程式中可能需要使用一些底層函式庫（如操作系統API），因此需要連結相關的程式庫，以便在執行時能夠正確地呼叫這些函式庫。
4. 載入程式：將編譯後的程式載入到電腦的記憶體中，讓CPU能夠執行。
5. 測試和調試：測試和調試是程式開發中非常重要的步驟，可以透過各種工具來進行。組合語言程式中常會使用一些除錯器（debugger）或模擬器（simulator）等工具來幫助開發者進行調試。這些工具可以用來監視程式的執行狀態、查看記憶體中的數值、設定斷點等等。
在開發系統程式時，組合語言通常用來撰寫***底層的系統***操作程式，例如驅動程式、作業系統核心等等。這些程式需要直接操作硬體，因此使用組合語言能夠更好地控制和優化執行效率。然而，組合語言也具有很高的複雜度和易錯性，需要開發者有相當程度的技術水平和經驗才能夠開發出高品質的程式。
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#### 組合語言的基礎語法相對於高階語言比較簡單，以下是一些常見的組合語言基礎語法：
1. 標籤（Label）：用來標示指令或數據的位置，通常是以冒號（:）結尾的符號。
```
mylabel:
```
2. 操作碼（Opcode）：指令的操作部分，描述該指令要執行的操作。
```
mov eax, 1 ; 將數字1存入eax寄存器中
```
3. 運算元（Operand）：指令所要操作的數據或地址。
```
mov ecx, [ebx] ; 將ebx指向的內容存入ecx寄存器中
```
4. 寄存器（Register）：用來存儲數據的硬體元件，組合語言中常用的寄存器包括通用寄存器、段寄存器、標誌寄存器等。
```
mov eax, ebx ; 將ebx的值存入eax寄存器中
```
5. 操作數（Immediate）：指令中直接指定的數值，用來對寄存器進行初始化、計算等操作。
```
mov eax, 0x1234 ; 將0x1234存入eax寄存器中
```
6. 記憶體地址（Memory Address）：指向記憶體中特定位置的指標，可以進行讀取或寫入操作。
```
mov eax, [0x12345678] ; 將0x12345678地址處的內容存入eax寄存器中
```
7. 註解（Comment）：用來在代碼中添加說明或解釋的語句。
```
; This is a comment
mov eax, 1 ; This is also a comment
```
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#### 下面是一個簡單的組合語言代碼示例：
```
section .data
msg db 'Hello, world!',0
section .text
global _start
_start:
; write message to stdout
mov eax, 4 ; system call number for write
mov ebx, 1 ; file descriptor for stdout
mov ecx, msg ; message to write
mov edx, 13 ; message length
int 0x80 ; invoke system call
; exit program
mov eax, 1 ; system call number for exit
xor ebx, ebx ; return value (0)
int 0x80 ; invoke system call
```
上述代碼定義了一個名為msg的字符串變數，然後使用系統調用（system call）的方式向標準輸出（stdout）寫入該字符串，最後退出程序。下面是這段代碼的說明：
第一行定義了一個數據段（.data），並在其中定義了一個名為msg的字串變數。db代表定義byte數據，0表示字串結尾。
第四行定義了一個代表程序起點的標籤（_start），表示程序的執行從這裡開始。
接下來的幾行是系統調用的代碼。mov指令用來將值載入到寄存器中，int 0x80用來觸發系統調用（system call）。在這裡，第一個系統調用用來向標準輸出寫入msg變數中的字符串，第二個系統調用用來退出程序。
這只是一個簡單的例子，實際的組合語言代碼往往更加複雜。開發者需要熟悉各種指令和系統調用，了解計算機硬體的結構和運作原理，以及如何進行記憶體管理和錯誤處理等方面的知識，才能開發出高效、穩定的系統程式。
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## 第三章
編譯器是一種軟體工具，用於將一種高階語言（例如C、C++、Java等）的代碼轉換為低階語言（例如機器碼）的程序。編譯器的主要目的是將開發人員編寫的高階語言代碼轉換為計算機硬件可以理解和執行的機器碼。編譯器的工作原理包括以下幾個步驟：
* 分析：編譯器首先對原始代碼進行語法分析，並構建出代表原始代碼的抽象語法樹。
* 優化：編譯器接下來對代碼進行優化，以提高生成的機器碼的運行效率。
* 生成：編譯器最後生成目標代碼，通常是機器碼或可執行文件。
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#### 常用的編譯器工具包括：
* GCC：GNU Compiler Collection是一個開源的編譯器集合，可以用於編譯多種語言，包括C、C++、Fortran、Ada等。GCC編譯器是許多開源軟件的主要編譯器之一，也是許多Linux發行版的預設編譯器。
* LLVM：Low-Level Virtual Machine是一個開源的編譯器架構，它可以用於編譯多種語言，包括C、C++、Swift、Rust等。相較於GCC，LLVM具有更好的靜態和動態代碼優化能力，以及更好的跨平台支持。
* Clang：Clang是基於LLVM的C、C++和Objective-C編譯器。它的目標是成為GCC的替代品，並提供更好的性能和可維護性。
* Visual Studio：Visual Studio是一個由Microsoft開發的統合開發環境（IDE），它包含了用於編譯C、C++、C#等語言的編譯器。
* Xcode：Xcode是由Apple開發的集成開發環境（IDE），主要用於開發macOS和iOS應用程序，它包含了用於編譯C、C++、Objective-C和Swift等語言的編譯器。
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#### 要創建一個編譯器，您需要遵循以下基本步驟：
1. 設計語言：首先，您需要設計您的語言。這包括確定語法和語義規則，以及定義操作符和數據類型。
2. 詞法分析：接下來，您需要編寫一個詞法分析器（也稱為詞法掃描器），該分析器將文本分解為標記（例如，關鍵字、運算符、標識符、常量等）。
3. 語法分析：使用您的語法規則，您需要編寫一個語法分析器，該分析器將標記序列轉換為抽象語法樹（AST）。
4. 語義分析：在 AST 上進行語義分析，確保代碼符合語言規則和約束。
5. 代碼生成：然後，您需要編寫一個代碼生成器，該生成器將 AST 轉換為目標代碼（例如，匯編語言、二進制代碼等）。
6. 優化：在代碼生成階段進行優化，使生成的代碼更高效。
7. 測試和調試：最後，您需要進行測試和調試，以確保編譯器能夠正確地編譯源代碼，並生成正確的目標代碼。
* 請注意，編寫編譯器是一項覆雜的任務，需要深入的計算機科學知識和編程技能。如果您沒有相關的經驗或知識，建議您學習相關課程或書籍，並嘗試了解現有的編譯器是如何工作的。
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## 第四章
連結器（Linker）是一種軟體工具，用於將多個***目標檔案（object files）和函數庫（libraries）連接在一起***，形成一個可執行文件（executable file）或共享庫（shared library）。連結器的主要功能是解析符號引用（symbol references）並生成符號定義（symbol definitions），將它們結合起來***形成最終的可執行代碼***。
#### 連結器通常有以下幾種參數：
* 入口點（entry point）：指定程序的啟動點，也就是第一個被執行的函數或代碼。
* 目標文件列表（object file list）：指定需要連接在一起的目標檔案列表。
* 函數庫列表（library list）：指定需要連接在一起的函數庫列表。
* 運行時庫搜索路徑（runtime library search path）：指定運行時需要搜索的庫的路徑。
* 圖像庫版本（image version）：指定連接的共享庫的版本號。
* 連接類型（link type）：指定連接生成的可執行文件或共享庫的類型，例如靜態連接（static linking）或動態連接（dynamic linking）。
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#### 使用連結器的主要步驟包括：
1. 譯源代碼為目標文件。
2. 使用連結器將多個目標文件和函數庫連接在一起。
3. 生成可執行文件或共享庫。
* 如果是共享庫，還需要將庫文件安裝到系統庫目錄中，以便運行時能夠找到並加載。
總之，連結器是一個非常重要的編譯工具，它可以將多個目標文件和函數庫連接在一起，生成最終的可執行代碼或共享庫。通過設置不同的參數，可以對連結過程進行更加細粒度的控制。
## 第五章
在系統程式開發中，除錯是非常重要的一個環節，開發人員需要快速有效地找出錯誤並解決它們。除錯工具可以幫助開發人員更快速地定位錯誤，本篇文章介紹幾個常用的除錯工具，包括GDB、Valgrind等。
#### GDB是一個強大的除錯工具，它可以幫助開發人員在程式執行過程中查看和修改變數、控制程式運行、設置斷點等。以下是GDB的一些基本使用方法和技巧：
1. 啟動程式
```
gdb [executable-file]
```
2. 設置斷點
```
break [function-name]
```
3. 執行程式
```
run
```
4. 繼續執行程式
```
continue
```
5. 查看變數的值
```
print [variable-name]
```
6. 查看堆疊
```
backtrace
```
7. 退出GDB
```
quit
```
#### Valgrind是一個強大的記憶體除錯工具，它可以幫助開發人員找出記憶體泄漏和使用錯誤等問題。以下是Valgrind的一些基本使用方法和技巧：
1. 啟動程式
```
valgrind [executable-file]
``
2. 執行程式
```
run
```
3. 查看記憶體問題
```
memcheck
```
4. 查看記憶體使用情況
```
massif
```
5. 查看程式的系統呼叫
```
callgrind
```
6. 退出Valgrind
```
quit
```
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#### 其他工具
##### 除了GDB和Valgrind，還有其他一些常用的除錯工具，例如：
* strace：可以用來跟蹤程式的系統呼叫和訊息。
* ltrace：可以用來跟蹤程式的動態函數庫呼叫和訊息。
* gdbgui：可以在GUI界面中使用GDB進行除錯。
以上是幾個常用的除錯工具，開發人員可以根據自己的需要選擇使用。
除錯工具可以大大簡化開發人員的工作，幫助他們快速有效地找出問題並解決它們。
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## 第六章
系統呼叫是一種用於與**操作系統進行互動的機制**，它允許應用程式訪問操作系統提供的服務和資源，例如檔案系統、網路、進程管理、記憶體管理等。
在大多數的作業系統中，應用程式不能直接訪問操作系統的資源，必須通過系統呼叫進行操作。系統呼叫通常是由應用程式通過一些函數進行調用的，這些函數通常由操作系統的API（應用程式介面）提供。
#### 以下是一些常見的系統呼叫，以Linux系統為例：
* 開啟檔案：open()
```
int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
```
* 讀取檔案：read()
```
char buf[1024];
int n = read(fd, buf, sizeof(buf));
```
* 寫入檔案：write()
```
char buf[1024] = "Hello, world!";
int n = write(fd, buf, strlen(buf));
```
關閉檔案
## 第七章
虛擬記憶體是一種計算機存儲器管理技術，它使得應用程序能夠處理比實際可用的物理內存更大的資料集。虛擬記憶體使用硬盤作為虛擬內存，當應用程序需要使用更多的內存時，它將將某些內存區域移動到硬盤上，以便其他應用程序可以使用實際內存。當應用程序需要存取移動到硬盤上的內存時，虛擬記憶體會將該內存區域移回實際內存。
虛擬記憶體的主要好處是，它使得應用程序能夠處理比可用內存更大的資料集。例如，如果一個應用程序需要處理一個非常大的資料集，但實際可用的內存不足，虛擬記憶體可以將部分內存區域移動到硬盤上，以便應用程序能夠繼續運行。
另一個虛擬記憶體的優點是，它使多個應用程序能夠同時運行。當多個應用程序都需要使用內存時，虛擬記憶體可以在它們之間分配可用的內存，從而確保它們都能正常運行。
使用虛擬記憶體來進行系統程式的優化的一個常見方法是通過調整虛擬記憶體的大小來改善系統性能。如果系統的虛擬記憶體太小，則系統可能會不斷將內存區域移動到硬盤上，這會導致應用程序運行緩慢。另一方面，如果虛擬記憶體太大，則系統可能會使用過多的硬盤空間，這可能會導致性能問題。
因此，要優化系統性能，需要通過調整虛擬記憶體的大小來平衡可用內存和硬盤空間的使用。可以使用操作系統提供的虛擬記憶體管理工具，如Windows的「虛擬記憶體」或Linux的「交換分區」來調整虛擬記憶體的大小。通常，增加虛擬記憶體的大小可以改善系統的性能，但需要注意的是，增加虛擬記憶體的大小也會增加硬盤的使用量，因此需要在兩者之間進行平衡。
除了調整虛擬記憶體的大小之外，另一種優化系統性能的方法是通過使用頁面文件來管理虛擬記憶體。頁面文件是一個文件，用於存儲被移動到硬盤上的內存頁面。使用頁面文件可以加快虛擬記憶體的存取速度，因為它可以避免在硬盤上搜索被移動到的內存頁面。
總之，虛擬記憶體是一種強大的計算機存儲器管理技術，它使得應用程序能夠處理比實際可用的內存更大的資料集。通過調整虛擬記憶體的大小和使用頁面文件來管理虛擬記憶體，可以優化系統的性能並確保多個應用程序能夠同時運行。
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## 第八章
多緒程式設計是指一種程式設計方式，可以讓多個線程在同一個程序中並行運行，從而提高程式運行效率和响应性。在多緒程式設計中，每個線程都可以獨立執行，並且可以同時與其他線程共享資源，如記憶體、文件等。
多緒程式設計的基本概念包括：
線程（Thread）：指一個可獨立執行的單位，每個線程擁有自己的堆疊、暫存器、程序計數器等，可以獨立執行並與其他線程共享資源。
併發（Concurrency）：指多個線程可以同時執行，從而提高程序效率和响应性。
互斥（Mutual exclusion）：指多個線程同時訪問一個共享資源時，需要確保同一時間只有一個線程可以訪問，從而避免競爭條件（Race condition）的發生。
同步（Synchronization）：指多個線程之間需要協調執行，以達到特定的執行順序和結果。
在使用多緒程式設計實現系統程式的併發執行時，可以使用以下技巧：
分離出需要並行執行的程式段：將需要並行執行的程式段分離出來，將其實現為一個獨立的線程。
避免競爭條件：確保多個線程同時訪問共享資源時，能夠適當地協調執行，以避免競爭條件的發生。可以使用互斥鎖（Mutex）等同步機制來實現資源的互斥訪問。
避免死鎖（Deadlock）：死鎖是指多個線程在等待對方釋放資源時，都無法繼續執行的一種情況。要避免死鎖的發生，可以使用適當的同步機制和設計良好的資源分配策略。
避免競態條件（Race condition）：競態條件是指多個線程在競爭同一個資源時，導致程序執行結果不可預測的一種情況。要避免競態條件的發生，可以使用同步機制和適當的資源管理策略。
考慮效能：多緒程式設計可以提高程序的效率和響應性，但同時也會增加程序的複雜度和開發難度。要根據實際情況，考慮使用多緒程式設計的成本和效益，並適當優化程序的實現方式。
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## 第九章
## 第十章
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