2019q3 第 2 週測驗題

目的:

檢驗學員對 bitwise operator 的認知;
檢驗學員對 memory layout/alignment 的認知;
檢驗學員對計算機編碼, 數值系統的認知;
檢驗學員對 C 語言指標的認知;

注意須知:

可翻閱書籍、也可使用網頁搜尋引擎，但在測驗期間，禁止任何形式的討論;
禁止使用編譯器或任何程式開發環境;
以合法 C 語言 (C99 以上的規格) 撰寫程式碼，需列出完整程式碼;
中途可暫時離開，務必避免和同學討論本試題;
每題 10 分，合計 13 題;

測驗 `1`

考慮下方檔案 4thought.c 是 ACM-ICPC 題目 4 thought 的一個解法，假設程式的輸入符合 4 thought 的描述，請補完程式碼:

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>

enum {
    opType1 = 0x1 << 0, opType2 = 0x1 << 1,
    opType3 = 0x1 << 4, opType4 = 0x1 << 5,
};

static int operate(int op, int a, int b) {
    switch (op) {
    case opType1: return a + b;
    case opType2: return a - b;
    case opType3: return a * b;
    case opType4: return (int) a / b;
    }
    return 0;
}

static char op_to_char(int op) {
    return "+-*/?"[op - 1];
}
static int op_to_prio(int op) {
    return ((int[]){opType1, opType2, opType3, opType4, -1})[op - 1];
}

static int calc(int op1, int op2, int op3) {
    op1 = op_to_prio(op1);
    op2 = op_to_prio(op2);
    op3 = op_to_prio(op3);

    bool p1 = (op1 & 0x0F) == 0;  // = 1 for * or /
    bool p2 = (op2 & 0x0F) == 0;  // else = 0
    bool p3 = (op3 & 0x0F) == 0;

    // (4 + 4 + 4 + 4) or (4 / 4 / 4 / 4)
    if ((p1 == p2) && (p2 == p3))
        return operate(op3, operate(op2, operate(op1, 4, 4), 4), 4);
    /* Write your code here */

    return 0;
}

int main(void) {
    int n;
    scanf("%d", &n);
    int sol[n];

    for (int i = 0; i < n; i++)
        scanf("%d", &sol[i]);

    bool validSolution = false;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int op1 = 4; op1 > 0; op1--) {
            for (int op2 = 4; op2 > 0; op2--) {
                for (int op3 = 4; op3 > 0; op3--) {
                    int sol_checked = calc(op1, op2, op3);
                    if (sol_checked == sol[i]) {
                        validSolution = true;

                        char op1char = op_to_char(op1);
                        char op2char = op_to_char(op2);
                        char op3char = op_to_char(op3);

                        printf("4 %c 4 %c 4 %c 4 = %d\n", op1char, op2char,
                               op3char, sol[i]);
                        op1 = -1; op2 = -1; op3 = -1;
                        break;
                    }
                }
            }
        }
        if (!validSolution)
            printf("no solution\n");
        validSolution = false;
    }
    return 0;
}

注意: 你應該要實作 calc 函式中標註 /* Write your code here */ 之後的程式碼。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。

延伸問題:

解釋程式運作的原理和推敲背後的思路;
探討 4 thought 組合出來的數值分佈，並且透過數論解釋;
提出得以改善上述程式碼執行效率的方案，著手分析和實作;

測驗 `2`

考慮以下程式碼 (fitbits.c) 可檢驗輸入的整數 x 是否可用 n 個位元來表示，例如 (x = 4, n = 9) 要回傳 true, 當 (x = 4, n = 2) 回傳 false。

#include <stdbool.h>
bool fit_bits(int x, int n) {
    /* Write your code here */
    return (bool) x;
}

實作的程式碼不能有任何邏輯條件判斷 (如 if, else, ?) 或迴圈 (如 for, while, goto, switch, case, break, continue)，可用的運算子是 >>, <<, -, +, !, ~, &, |

請補完程式碼，作答時需要包含函式宣告及定義。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。

延伸問題: 在重視資訊安全的專案中，找出類似用法的程式碼，予以解說並進行相關 information leaks 的實驗

是不是覺得有點挫折呢？原因很簡單：你沒有如期寫作業 review，趕快動手！

測驗 `3`

考慮以下程式碼 (is-less-equal.c) 可檢驗輸入的整數 x 和 y，是否存在 $x <= y$ 的關係。例如 (x = 4, n = 4) 要回傳 true, 當 (x = 14, n = 9) 回傳 false。

#include <stdbool.h>
bool is_leq(int x, int y) {
    int s;
    /* Write your code here */
    return (bool) s;
}

實作的程式碼不能有任何邏輯條件判斷 (如 if, else, ?) 或迴圈 (如 for, while, goto, switch, case, break, continue)，當然也不能用 >=, >, <, <=, - 等運算子。可用的運算子是 >>, <<, +, ~

請補完程式碼，作答時需要包含函式宣告及定義。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。

延伸問題: 在重視資訊安全的專案中，找出類似用法的程式碼，予以解說並進行相關 information leaks 的實驗

測驗 `4`

考慮一種針對短字串的最佳化操作，假設字串總是小於等於 8 bytes，標的硬體是像 x86_64 這樣的 64-bit 架構而且是 little endian，於是我們可實作類似以下的程式碼 (ministr.c):

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

typedef union {
    uint64_t integer;
    char array[8];
} mini_str;

static unsigned BitScanReverse(uint64_t x) {
    return 63 - __builtin_clzll(x);
}

/**
 * Find the length of the given mini_str.
 * @param str string to find length of
 * @return length of the given string
 */
unsigned mini_strlen(mini_str str) {
    // Special case for empty string.
    if (str.integer == 0) return 0;

    // Otherwise find first non-zero bit (which will be in the first non-zero
    // byte), and find which byte it is in.
    // FIXME: Assumes little-endian.
    unsigned msb = BitScanReverse(str.integer);
    return msb / 8 + 1;
}

/**
 * Create a new mini_str with length 0.
 * @return newly created mini_str
 */
mini_str mini_str_new(void) {
    // Create string of all null bytes.
    mini_str str = {.integer = 0};
    return str;
}

/**
 * Append str2 to the end of str1 and return the reult.
 * @param str1 first string
 * @param str2 second string
 * @return combined string
 */
mini_str mini_strcat(mini_str str1, mini_str str2) {
    // Shift str2 along by str1Len characters to move it into position.
    unsigned str1Len = mini_strlen(str1);
    str2.integer <<= str1Len * 8;  // FIXME: Assumes little-endian.

    /* Write your code here */
    return str1;
}

#define mini_str_to_c(mini_str) ((const char *) (mini_str).array)
#define mini_str_to_cNoConst(mini_str) ((char *) (mini_str).array)

/**
 * Create a mini_str from a standard C character array.
 * @param cstr Null-terminated C-string to use as input
 * @return newly created mini_str
 */
mini_str mini_str_from_c(const char *cstr) {
    // Create empty string.
    mini_str mini_str = mini_str_new();

    // Copy string.
    strncpy(mini_str_to_cNoConst(mini_str), cstr, 7);

    return mini_str;
}

int main(int argc, char **argv) {
    mini_str all = mini_str_from_c("All ");
    mini_str red = mini_str_from_c("red");

    mini_str cat = mini_strcat(all, red);
    printf("%s\n", mini_str_to_c(cat));

    return 0;
}

這裡的 __builtin_clzll 是 GCC builtin function，作用是 bit scan，程式預期輸出為:

All red

你應該要實作 calc 函式中標註 /* Write your code here */ 之後的程式碼。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。
注意: 實作的程式碼不能有任何邏輯條件判斷 (如 if, else, ?) 或迴圈 (如 for, while, goto, switch, case, break, continue)，也不能用 >=, >, <, <=, - 等運算子。

延伸問題:

指出這樣針對短字串的最佳化效益，並嘗試量化;
什麼樣的情境會出現大量的短字串？請舉例並分析;
程式碼該如何修改，才能適用 big/little-endian 呢？
考慮到現代的處理器架構支援 SIMD，得以一次處理 128-bit, 256-bit, 甚至是 512-bit，請評估這樣最佳化策略的可用性，應當有對應的實驗;

測驗 `5`

population count 簡稱 popcount 或叫 sideways sum，是計算數值的二進位表示中，有多少位元是 1，在一些場合下很有用，例如計算 0-1 稀疏矩陣 (sparse matrix)或 bit array 中非 0 元素個數、計算兩個字串的 Hamming distance。Intel 在 2008 年 11 月 Nehalem 架構的處理器 Core i7 引入 SSE4.2 指令集，其中就有 CRC32 和 POPCNT 指令，POPCNT 可處理 16-bit, 32-bit, 64-bit 整數。

GCC 提供對應的 builtin function:
$__b u i l t i n_p o p c o u n t (x)$ : x 總共有幾個 1。使用示範:

int x = 5328; // 00000000000000000001010011010000
printf("%d\n",  __builtin_popcount(x)); // 5

以下是個存在實作缺陷的版本:

int popcnt_naive(int n) {
    int count = 0;
    while (n) {
        if (n & 1)
            ++count;
        n = n >> 1;
    }
    return count;
}

呼叫 popcnt_naive(-1) 時，會造成無窮迴圈，請指出錯誤所在，並且重寫為正確的版本。

測驗 `6`

延伸測驗 5，實作 branchless 的 popcnt 並附上對應的程式原理解說。

延伸問題:

指出 popcnt 的應用場景;
在 Linux 核心程式碼找出具體用法並解析;

挫折到此就不是只有一點了吧？原因很簡單：你沒有如期寫作業 review，趕快動手！

測驗 `7`

考慮到以下程式 (alloc.c) 是 aligned_alloc 的一種簡易實作:

#include <stdlib.h>

// Number of bytes used for storing the aligned pointer offset.
// up to 64KB alignment, a size which is already unlikely to be
// used for alignment.
typedef uint16_t offset_t;
#define PTR_OFFSET_SIZE sizeof(offset_t)

#define align_up(num, align) \
    (((num) + ((align) - 1)) & ~((align) - 1))

void *aligned_malloc(size_t align, size_t size) {
    void *ptr = NULL;

    // size must be a power of two.
    if (!((align & (align - 1)) == 0))
        return ptr;

    if (align && size) {
        // allocate extra bytes to meet the alignment
        uint32_t header_size = PTR_OFFSET_SIZE + (align - 1);
        void *p = malloc(size + header_size);
        /* Write your code here */	
    }

    return ptr;
}

其作用是配置針對 align 個 bytes 對齊的記憶體空間，可對照閱讀 Introduction & Allocators 以掌握原理。你應該要實作 aligned_malloc 函式中標註 /* Write your code here */ 之後的程式碼。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。
注意: 輸入的 align 應該要是 2^N (power of 2)，否則就回傳 NULL。

延伸問題:

解釋程式運作的原理和推敲背後的思路;
在開放原始碼的專案中，找尋類似的程式碼，解說並量化具體效益;

測驗 `8`

延伸測驗 7，實作 aligned_free，其原型宣告如下:

void aligned_free(void *ptr);

除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。

測驗 `9`

考慮以下 64-bit GCD (greatest common divisor, 最大公因數) 求值函式:

#include <stdint.h>
uint64_t gcd64(uint64_t u, uint64_t v) {
    if (!u || !v) return u | v;
    while (v) {                               
        uint64_t t = v;
        v = u % v;
        u = t;
    }
    return u;
}

改寫為以下等價實作:

#include <stdint.h>
uint64_t gcd64(uint64_t u, uint64_t v) {
    if (!u || !v) return u | v;
    int shift;
    for (shift = 0; !((u | v) & 1); shift++) {
        u /= 2, v /= 2;
    }
    while (!(u & 1))
        u /= 2;
    do {
        while (!(v & 1))
            v /= 2;
        if (u < v) {
            v -= u;
        } else {
            uint64_t t = u - v;
            u = v;
            v = t;
        }
    } while (/* Write your code here */);
    return /* Write your code here */;
}

補完以上程式碼，即標注 /* Write your code here */ 的部分，需要抄寫 while 和 return 所在的程式碼。

測驗 `10`

承測驗 9, 透過 gcc 內建的 __builtin_ctz (Returns the number of trailing 0-bits in x, starting at the least significant bit position) 改寫程式碼如下:

#include <stdint.h>
uint64_t gcd64(uint64_t u, uint64_t v) {   
    if (!u || !v) return u | v;
    int shift = __builtin_ctzll(/* Write your code here */);
    u >>= __builtin_ctzll(u);
    while (v) {
        v >>= __builtin_ctzll(v);
        if (u < v) {
            /* Write your code here */
        } else {
            uint64_t t = u - v;
            u = v, v = t;
        }
    }
    return /* Write your code here */;         
}

請補完程式碼，作答時需要一併包含原本函式內容。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。

延伸問題: 解釋上述程式程式運作原理，以及在 x86_64 上透過 __builtin_ctz 改寫 GCD 對效能的提升

嚇到吃手手了嗎？原因很簡單：你沒有如期寫作業 review，趕快動手！

測驗 `11`

考慮到 memcmp 一種實作如下: (行為和 ISO C90 有出入)

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
int memcmp(const uint8_t *m1, const uint8_t *m1, size_t n) {
    for (size_t i = 0; i < n; ++i ) {
        int diff = m1[i] - m2[i];
        if (diff != 0) return (diff < 0) ? -1 : +1;
    }
    return 0;
}

我們可能因此承受 information leakage 的風險，於是著手避免使用 conditional branching 一類的指令，從而避免 side-channel attack。

為了避免 conditional branch 指令的出現，我們可將 (res > 0) - (res < 0) 替換為 ((res - 1) >> 8) + (res >> 8) + 1。隨後我們實作下方功能等價但避免 branch 的 cst_memcmp:

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
int cst_memcmp(const void *m1, const void *m2, size_t n) {
    const uint8_t *pm1 = (const uint8_t *) m1 + n;
    const uint8_t *pm2 = (const uint8_t *) m2 + n;
    int res = 0;
    if (n) {
        do {
            int diff = *--pm1 - *--pm2;
            /* Write your code here */
        } while (pm1 != m1);
    }
    return ((res - 1) >> 8) + (res >> 8) + 1;
}

注意: 在 Linux 核心內部的實作方式可見:

請補完程式碼，作答時需要一併包含原本函式內容。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。
注意: 在 /* Write your code here */ 所在的程式碼作用區域 (scope) 中，不得存任何邏輯條件判斷 (如 if, else, ?) 或迴圈 (如 for, while, goto, switch, case, break, continue)

延伸問題:

解釋上述程式的原理，需要從機率統計的觀點分析;
- 為何不能用事先計算好的表格呢？ (提示: cache 的影響)
- 如何驗證程式正確以及 constant-time 呢？
在 Linux 核心找到這類 constant-time 的操作程式碼，予以解說和設計實驗;

測驗 `12`

給定一個 circular linked list 實作如下: (檔案 list.h)

typedef struct __list_t {
    struct __list_t *prev, *next;
} list_t;

/*
 * Initialize a list to empty. Because these are circular lists, an "empty"
 * list is an entry where both links point to itself. This makes insertion
 * and removal simpler because they do not need any branches.
 */
static inline void list_init(list_t *list) {
    list->prev = list;
    list->next = list;
}

/*
 * Append the provided entry to the end of the list. This assumes the entry
 * is not in a list already because it overwrites the linked list pointers.
 */
static inline void list_push(list_t *list, list_t *entry) {
    list_t *prev = list->prev;
    entry->prev = prev;
    entry->next = list;
    prev->next = entry;
    list->prev = entry;
}

/*
 * Remove the provided entry from whichever list it is currently in. This
 * assumes that the entry is in a list. You do not need to provide the list
 * because the lists are circular, so the list's pointers will automatically
 * be updated if the first or last entries are removed.
 */
static inline void list_remove(list_t *entry) {
    list_t *prev = entry->prev;
    list_t *next = entry->next;
    prev->next = next;
    next->prev = prev;
}

/*
 * Remove and return the first entry in the list or NULL if the list is empty.
 */
static inline list_t *list_pop(list_t *list) {
    /* Write your code here */
}

請依循程式註解的描述，參照 list_push, 實作可正確運作的 list_pop。作答時需要一併包含原本函式內容。除了撰寫程式，你應該提供對應的程式碼註解。
注意: 應善用 list_remove 和已實作的函式。

延伸問題:

解釋上述程式的原理和技巧;
在 Linux 核心找到這類的操作程式碼;

測驗 `13`

考慮一個 bit array 的實作 (bit-array.c) 如下:

#include <errno.h>
#include <inttypes.h>
#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAX(a, b) (((a) >= (b)) ? (a) : (b))
#define trailing_zeros(x) \
    ((x) ? (__typeof(x)) __builtin_ctzll(x) : (__typeof(x)) sizeof(x) * 8)
#define leading_zeros(x) \
    ((x) ? (__typeof(x)) __builtin_clzll(x) : (__typeof(x)) sizeof(x) * 8)

// 64 bit words
typedef uint64_t word_t, word_addr_t, bit_index_t;

typedef struct {
    word_t *words;
    bit_index_t num_of_bits;
    // Number of words used -- this is just round_up(num_of_bits / 64)
    // if num_of_bits == 0, this is 0
    word_addr_t num_of_words;
    // For more efficient allocation we use realloc only to double size --
    // not for adding every word.  Initial size is INIT_CAPACITY_WORDS.
    word_addr_t capacity_in_words;
} BIT_ARRAY;

#define roundup_bits2words64(bits) (((bits) + 63) / 64)
// Round a number up to the nearest number that is a power of two
#define roundup2pow(x) (1UL << (64 - leading_zeros(x)))

// Bit array (bitset)

#define _TYPESHIFT(arr, word, shift) \
    ((__typeof(*(arr)))((__typeof(*(arr)))(word) << (shift)))

#define bitsetX_wrd(wrdbits, pos) ((pos) / (wrdbits))
#define bitsetX_idx(wrdbits, pos) ((pos) % (wrdbits))

#define bitset_wrd(arr, pos) bitsetX_wrd(sizeof(*(arr)) * 8, pos)
#define bitset_idx(arr, pos) bitsetX_idx(sizeof(*(arr)) * 8, pos)

#define bitset64_wrd(pos) ((pos) >> 6)
#define bitset64_idx(pos) ((pos) &63)

#define bitmask(nbits, type) \
    ((nbits) ? ~(type) 0 >> (sizeof(type) * 8 - (nbits)) : (type) 0)
#define bitmask32(nbits) bitmask(nbits, uint32_t)
#define bitmask64(nbits) bitmask(nbits, uint64_t)

#define bitset2_get(arr, wrd, idx) (((arr)[wrd] >> (idx)) & 0x1)
#define bitset2_set(arr, wrd, idx) ((arr)[wrd] |= _TYPESHIFT(arr, 1, idx))

#define bitset_op(func, arr, pos) \
    func(arr, bitset_wrd(arr, pos), bitset_idx(arr, pos))
#define bitset_op2(func, arr, pos, bit) \
    func(arr, bitset_wrd(arr, pos), bitset_idx(arr, pos), bit)

#define bitset_get(arr, pos) bitset_op(bitset2_get, arr, pos)
#define bitset_set(arr, pos) bitset_op(bitset2_set, arr, pos)

#define bit_array_get(arr, i) bitset_get((arr)->words, i)
#define bit_array_set(arr, i) bitset_set((arr)->words, i)

#define POPCOUNT(x) (unsigned) __builtin_popcountll(x)

// word of all 1s
#define WORD_MAX (~(word_t) 0)

// If cannot allocate memory, set errno to ENOMEM, return NULL
BIT_ARRAY *bit_array_alloc(BIT_ARRAY *bitarr, bit_index_t nbits) {
    bitarr->num_of_bits = nbits;
    bitarr->num_of_words = roundup_bits2words64(nbits);
    bitarr->capacity_in_words = MAX(8, roundup2pow(bitarr->num_of_words));
    bitarr->words =
        (word_t *) calloc(bitarr->capacity_in_words, sizeof(word_t));
    if (bitarr->words == NULL) {
        errno = ENOMEM;
        return NULL;
    }
    return bitarr;
}

// If cannot allocate memory, set errno to ENOMEM, return NULL
BIT_ARRAY *bit_array_create(bit_index_t nbits) {
    BIT_ARRAY *bitarr = (BIT_ARRAY *) malloc(sizeof(BIT_ARRAY));
    if (bitarr == NULL || bit_array_alloc(bitarr, nbits) == NULL) {
        if (bitarr != NULL)
            free(bitarr);
        errno = ENOMEM;
        return NULL;
    }

    return bitarr;
}

// Print this array to a file stream.  Prints '0's and '1'.  Doesn't print
// newline.
void bit_array_print(const BIT_ARRAY *bitarr, FILE *fout) {
    for (bit_index_t i = 0; i < bitarr->num_of_bits; i++)
        fprintf(fout, "%c", bit_array_get(bitarr, i) ? '1' : '0');
}

// set a bit (to 1) at position b
void bit_array_set_bit(BIT_ARRAY *bitarr, bit_index_t b) {
    bit_array_set(bitarr, b);
}

// Set multiple bits at once.
// e.g. set bits 1, 20 & 31: bit_array_set_bits(bitarr, 3, 1,20,31);
void bit_array_set_bits(BIT_ARRAY *bitarr, size_t n, ...) {
    va_list argptr;
    va_start(argptr, n);

    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        unsigned int bit_index = va_arg(argptr, unsigned int);
        bit_array_set_bit(bitarr, bit_index);
    }

    va_end(argptr);
}

static word_t _next_permutation(word_t v) {
    // http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#NextBitPermutation
    word_t t = v | (v - 1);  // t gets v's least significant 0 bits set to 1
    // Next set to 1 the most significant bit to change,
    // set to 0 the least significant ones, and add the necessary 1 bits.
    return (t + 1) | (((~t & (t + 1)) - 1) >> (trailing_zeros(v) + 1));
}

// Get the next permutation of an array with a fixed size and given number of
// bits set.  Also known as next lexicographic permutation.
// Given a bit array find the next lexicographic orginisation of the bits
// Number of possible combinations given by (size choose bits_set) i.e. nCk
// 00011 -> 00101 -> 00110 -> 01001 -> 01010 ->
// 01100 -> 10001 -> 10010 -> 10100 -> 11000 -> 00011 (back to start)
void bit_array_next_permutation(BIT_ARRAY *bitarr) {
    /* Write your code here */	
}

int main(void) {
    BIT_ARRAY *bitarr = bit_array_create(10);
    bit_array_print(bitarr, stdout);
    fputc('\n', stdout);

    bit_array_set_bits(bitarr, 3, 1, 2, 5);
    bit_array_print(bitarr, stdout);
    fputc('\n', stdout);

    return 0;
}

其中函式 bit_array_next_permutation 可將指定的 bit array 所有排列組合予以列舉 ( $^{n} C_{k}$ )，請依據程式碼註解，提供對應的實作，並且標注必要的註解。

延伸問題:

解釋 bit array 的應用場景;
在 Linux 核心找到這類的操作程式碼，並予以解釋及分析;
提供改善 bit array 效率的機制並評估;

你能看到這裡，算你厲害，恭喜你，本週有新作業了！

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