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# 系統程式上課筆記
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筆記內容為看上課重播，外部圖片及解釋框架在運用地方下方有放來源連結
指導老師:陳鍾誠
:::
### gcc
- 用gcc將程式碼編譯成執行檔
`gcc sum.c`
預設輸出檔案名稱為 a.exe 或 a.out

- 也可用 -o 參數來指定輸出檔名
gcc a.c -o hsien
此時輸出檔案則是 hsien.exe 或 hsien.out
>問題:使用gcc失敗
>要注意環境變數

- 將多個檔案編譯並連結產生執行檔
`gcc 1.c 2.c -o run`

- 將檔案編譯產生組合語言，再進行連結產生執行檔
gcc -S 1.c -o 1.s
gcc -S 2.c -o 2.s
gcc 1.s 2.s -o run

- 將檔案組譯產生目的檔，再進行連結產生執行檔
gcc -c 1.c -o 1.o
gcc -c 2.c -o 2.o
gcc 2.o 1.o -o run

- 將檔案編譯產生組合語言
gcc -S 1.c -o 1.s

- 將組合語言組譯產生目的檔
gcc -c 1.s -o 1.o

- 將目的檔與函式庫連結後產生執行檔
gcc 1.o -o 1
- 可將 gcc 改成 g++
### gcc編譯流程
高階語言(系統程式)
↓
編譯器(系統軟體)
↓
組合語言(系統程式)
↓
組譯器(系統軟體)
↓
目的檔
↓
連結器(系統軟體)
↓
執行檔
↓
載入器(系統軟體)
↓
記憶體
>[框架出處](https://www.slideshare.net/ccckmit/1-73472884)
### make
- makeExe
用 makefile 將檔案進行編譯

    CC := gcc             
    CFLAGS = -std=c99 -O0      #CFLAGS 語法設定
    TARGET = run

    all: $(TARGET)

    $(TARGET): sum.c main.c
	    $(CC) $(CFLAGS) $^ -o $@

    clean:
	    rm -f *.o *.exe $(TARGET)  #rm:清除指定 f:尋找

>由於 rm 只能在bash終端機執行，所以要更改終端機的種類
- makeLib
用 makefile 先將檔案組譯，並創建資料庫後，再進行連結

  CC := gcc
    AR := ar
    CFLAGS = -std=c99 -O0
    TARGET = run
    LIB = libstat.a

    all: $(TARGET)

    $(TARGET): $(LIB) main.o
	    $(CC) $(CFLAGS) $^ -L ./ -lstat -o $@

    $(LIB): sum.o
	    $(AR) -r $@ $^

    %.o: %.c
	    $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

    clean:
	    rm -f *.o *.a *.exe $(TARGET)

$@ : 該規則的目標文件 (Target file)
$* : 代表 targets 所指定的檔案，但不包含副檔名
$< : 依賴文件列表中的第一個依賴文件 (Dependencies file)
$^ : 依賴文件列表中的所有依賴文件
$? : 依賴文件列表中新於目標文件的文件列表

?= 語法 : 若變數未定義，則替它指定新的值。
:= 語法 : make 會將整個 Makefile 展開後，再決定變數的值。

### C語言
Compiler(編譯器) -> Assembler(組譯器) -> Machine Language(機器語言) -> CPU

### Compiler
編譯器六大階段:詞彙掃描 ->語法剖析 -> 語意分析 -> 中間碼產生 -> 最佳化 -> 組合語言產生

### genExp

#include "rlib.h"

void E();
void T();
void F();

// === EBNF Grammar =====
// E=T ([+-] T)*
// T=F ([*/] F)?
// F=[0-9] | (E)

int main(int argc, char * argv[]) {
    timeSeed();
    // E();
    int i;
    for (i=0; i<10; i++) {
        E();
        printf("\n");
    }
}

// E=T ([+-] T)*
void E() {
    T();
    while (randInt(10) < 3) {
       printf("%c", randChar("+-"));
       T();
    }
}

// T=F ([*/] F)?
void T() {
    F();
    if (randInt(10) < 7) {
        printf("%c", randChar("*/"));
        F();
    }
}

// F=[0-9] | (E)
void F() {
    if (randInt(10) < 8) {
        printf("%c", randChar("0123456789"));
    } else {
        printf("(");
        E();
        printf(")");
    }
}

### genEnglish

#include "rlib.h"

// === EBNF Grammar =====
// S = NP VP
// NP = DET N
// VP = V NP
// N = dog | cat
// V = chase | eat
// DET = a | the

char* n[] = {"dog", "cat"};
char* v[] = {"chase", "eat"};
char* det[] = {"a", "the"};

void N() {
  printf("%s", randSelect(n, 2));
}

void V() {
  printf("%s", randSelect(v, 2));
}

void DET() {
  printf("%s", randSelect(det, 2));
}

void NP() {
  DET();
  printf(" ");
  N();
}

void VP() {
  V();
  printf(" ");
  NP();
}

void S() {
  NP();
  printf(" ");
  VP();
  printf("\n");
}

int main() {
  timeSeed();
  S();
}

### esp0

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>

int tokenIdx = 0;
char *tokens;

int E();
int F();

void error(char *msg) {
  printf("%s", msg);
  assert(0);
}

// 取得目前字元
char ch() {
  char c = tokens[tokenIdx];
  return c;
}

// 取得目前字元，同時進到下一格
char next() {
  char c = ch();
  tokenIdx++;
  return c;
}

// ex: isNext("+-") 用來判斷下一個字元是不是 + 或 -
int isNext(char *set) {
  char c = ch();
  return (c!='\0' && strchr(set, c)!=NULL);
}

// 產生下一個臨時變數的代號， ex: 3 代表 t3。
int nextTemp() {
  static int tempIdx = 0;
  return tempIdx++;
}

// F =  Number | '(' E ')'
int F() {
  int f;
  char c = ch();
  if (isdigit(c)) {
    next(); // skip c
    f = nextTemp();
    printf("t%d=%c\n", f, c);
  } else if (c=='(') { // '(' E ')'
    next();
    f = E();
    assert(ch()==')');
    next();
  } else {
    error("F = (E) | Number fail!");
  }
  return f; 
}

// E = F ([+-] F)*
int E() {
  int i1 = F();
  while (isNext("+-")) {
    char op=next();
    int i2 = F();
    int i = nextTemp();
    printf("t%d=t%d%ct%d\n", i, i1, op, i2);
    i1 = i;
  }
  return i1;
}

void parse(char *str) {
  tokens = str;
  E();
}

int main(int argc, char * argv[]) {
  printf("argv[0]=%s argv[1]=%s\n", argv[0], argv[1]);
  printf("=== EBNF Grammar =====\n");
  printf("E=F ([+-] F)*\n");
  printf("F=Number | '(' E ')'\n");
  printf("==== parse:%s ========\n", argv[1]);
  parse(argv[1]);
}

### exp0hack
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>

int tokenIdx = 0;
char *tokens;

int E();
int F();

void error(char *msg) {
printf("%s", msg);
assert(0);
}

char ch() {
char c = tokens[tokenIdx];
return c;
}

char next() {
char c = ch();
tokenIdx++;
return c;
}

int isNext(char *set) {
char c = ch();
return (c!='\0' && strchr(set, c)!=NULL);
}

int nextTemp() {
static int tempIdx = 0;
return tempIdx++;
}

// ex : t1=3
void genOp1(int i, char c) {
printf("# t%d=%c\n", i, c);
// t1=3 轉成 @3; D=A; @t1; M=D
printf("@%c\n", c);
printf("D=A\n");
printf("@t%d\n", i);
printf("M=D\n");
}

// ex : t2 = t0+t1
void genOp2(int i, int i1, char op, int i2) {
printf("# t%d=t%d%ct%d\n", i, i1, op, i2);
// t0=t1+t2 轉成 @t1; D=M; @t2; D=D+M; @t0; M=D;
printf("@t%d\n", i1);
printf("D=M\n");
printf("@t%d\n", i2);
printf("D=D%cM\n", op);
printf("@t%d\n", i);
printf("M=D\n");
}

// F = Number | '(' E ')'
int F() {
int f;
char c = ch();
if (isdigit(c)) {
next(); // skip c
f = nextTemp();
genOp1(f, c);
} else if (c=='(') { // '(' E ')'
next();
f = E();
assert(ch()==')');
next();
} else {
error("F = (E) | Number fail!");
}
return f;
}

// E = F ([+-] F)*
int E() {
int i1 = F();
while (isNext("+-")) {
char op=next();
int i2 = F();
int i = nextTemp();
genOp2(i, i1, op, i2);
i1 = i;
}
return i1;
}

void parse(char *str) {
tokens = str;
E();
}

int main(int argc, char * argv[]) {
printf("=== EBNF Grammar =====\n");
printf("E=F ([+-] F)*\n");
printf("F=Number | '(' E ')'\n");
printf("==== parse:%s ========\n", argv[1]);
parse(argv[1]);
}

### fopen

int readText(char *fileName, char *text, int size) {
  FILE *file = fopen(fileName, "r");  //讀檔
  int len = fread(text, 1, size, file);
  text[len] = '\0';
  fclose(file);
  return len;
}

>參數:
>r:讀-打開文件進行輸入操作。該文件必須存在。
>w:寫-創建一個空文件用於輸出操作。如果已經存在同名文件，則其內容將被丟棄，並且該文件將被視為新的空文件。
>a:加附-打開文件以在文件末尾輸出。輸出操作始終將數據寫入文件的末尾，然後對其進行擴展。重新定位操作（fseek，fsetpos，rewind）將被忽略。如果文件不存在，則創建該文件。
>r+:讀/更新-打開文件進行更新（用於輸入和輸出）。該文件必須存在。
>w+:寫/更新-創建一個空文件並打開以進行更新（用於輸入和輸出）。如果已經存在同名文件，則將其內容丟棄，並將該文件視為新的空文件。
>a+:加附/更新-打開文件進行更新（用於輸入和輸出），所有輸出操作均在文件末尾寫入數據。重新定位操作（fseek，fsetpos，rewind）會影響下一個輸入操作，但是輸出操作會將位置移回文件末尾。如果文件不存在，則創建該文件。
### C語言指標
- pointer1.c

# include <stdio.h>

int main(){
    char x='a';
    char *p=&x;
    *p='b';
    printf("*p=%c x=%c\n",*p,x);
}

result

$ ./pointer1
*p=b x=b

- pointer1bug.c(野指標)

# include <stdio.h>

int main(){
    char x='a';
    char *p;  // =&x;
    *p='b';
    printf("*p=%c x=%c\n",*p,x);
}

result

$ ./pointer1bug
Segmentation fault  //分段錯誤

>因為p指標沒有值，所以他會亂指，導致發生錯誤。
### 虛擬機
- 虛擬機v.s模擬器
虛擬機:有模擬整套CPU的指令集
模擬器:模擬電腦外部的行為

三種虛擬機:
1. 記憶體機(Memory Machine): 可直接對記憶體變數進行運算
2. 暫存器機(Register Machine): 必須將變數載入暫存器中，才能進行運算
3. 堆疊機(Stack Machine): 會取出堆疊上層元素進行運算，並將結果存回堆疊中
### C4 編譯器
- C4 編譯完成後，會產生一種《堆疊機機器碼》放在記憶體內，虛擬機會立刻執行該機器碼
### 堆疊段
- power2.c

#include <stdio.h>
int power2(int n){
    if(n==0) return 1;
    return power2(n-1)*2;
}
int main(){
    int p = power2(3);
    printf("p=%d\n", p);
}

>[圖片出處](https://www.slideshare.net/ccckmit/1-73472884)
### vim
i:進入編輯模式
Esc:離開編輯模式
o:插入一行
yy:複製一行
dd:刪除一行
cc:剪下一行
p:貼上

在非編輯模式下輸入 :wq 再 Enter，就會存檔和離開程式。
### 程式的位置
text:這個區段通常位於 heap 或 stack 之後，避免因 heap 或 stack 溢位而覆寫 CPU 指令。

data:儲存的是一些已經初始化的靜態變數。變數又可分為唯讀區域（read-only area）以及可讀寫區域（read-write area），可讀寫區域用於存放一般變數，其資料會隨著程式的執行而改變，而唯讀區域則是存放固定的常數。

bss:儲存尚未被初始化的靜態變數，而這些變數在程式執行之前會被系統初始化為 0 或是 null。

stack:一般的狀況會從高記憶體位址往低記憶體位址成長，儲存函數的區域變數，以及各種函數呼叫時需要儲存的資訊，每次函式呼叫會儲存該次呼叫的所有變數與狀態，不會互相干擾。

heap:儲存動態配置的變數，例如 C 語言的 malloc 以及 C++ 的 new 所建立的變數都是儲存於此。

system:儲存一些命令列參數與環境變數，這部分會跟系統有關。
### 作業系統的五大功能
- 行程管理 打造一個環境讓任何程式能不受干擾的執行
- 記憶體管理 打造一個記憶體配置環境，當程式向系統請求記憶體時，就能獲得所需空間，且不需考慮其他程式
- 輸出入系統 能將輸出入裝置包裝成系統函數，讓輸出入作業變容易使用
- 檔案系統 能讓程式師及使用者輕鬆存取永久儲存裝置中的檔案
- 使用者介面 讓程式師及使用者能輕鬆操作的環境

### X86架構的通用暫存器（GPR）
1.累加器暫存器（AX）。用在算術運算。
2.基址暫存器（BX）。作為一個指向資料的指標（在分段模式下，位於段暫存器DS）。
3.計數器暫存器（CX）。用於移位/迴圈指令和迴圈。
4.資料暫存器（DX）。用在算術運算和I/O操作。
5.堆疊指標暫存器（SP）。用於指向堆疊的頂部。
6.棧基址指標暫存器（BP）。用於指向堆疊的底部。
7.源變址暫存器（SI）。在流操作中用作源的一個指標。
8.目標索引暫存器（DI）。用作在流操作中指向目標的指標。
>[資料出處](https://zh.m.wikibooks.org/zh-tw/X86%E7%B5%84%E5%90%88%E8%AA%9E%E8%A8%80/X86%E6%9E%B6%E6%9E%84%E5%8F%8A%E5%AF%84%E5%AD%98%E5%99%A8%E8%A7%A3%E9%87%8A)
### MMU硬體
- 重定位暫存器
- 基底界限暫存器
- 分段機制
- 分頁機制

>[圖片出處](https://www.slideshare.net/ccckmit/10-73472927)

### blocking & nonblocking

$ gcc blocking1.c -o blocking1
$ ./blocking1
abc
buf is abc

test
123
buf is 123

test
^C

$ gcc nonblocking1.c -o nonblocking1
$ ./nonblocking1
read /dev/tty: Resource temporarily unavailable
no input,buf is null
read /dev/tty: Resource temporarily unavailable
no input,buf is null
adsjkf;lasf
ret = 12, buf is adsjkf;lasf

read /dev/tty: Resource temporarily unavailable
no input,buf is null
adfkread /dev/tty: Resource temporarily unavailable
no input,buf is null
a;
adlsfkret = 7, buf is adfka;

read /dev/tty: Resource temporarily unavailable
no input,buf is null
^C

$ gcc nonblocking2.c -o nonblocking2
$ ./nonblocking2
read /dev/tty: Resource temporarily unavailable
no input,buf is null

aldjf
ret = 6, buf is aldjf

### telnet1

$ make
gcc -Wall -std=gnu99 server.c ../net.c -o server
gcc -Wall -std=gnu99 client.c ../net.c -o client
$ ./server&
[1] 24441
$ ./client
connect to server 127.0.0.1 success!
127.0.0.1 $ ls
cmd=ls
client
client.c
Makefile
README.md
server
server.c

127.0.0.1 $ exit

### 管線
是一系列將標準輸入輸出連結起來的行程，其中每一個行程的輸出被直接作為下一個行程的輸入。 每一個連結都由匿名管道(pipe)實現。管道中的組成元素也被稱作過濾程式。
>[參考資料](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AE%A1%E9%81%93_(Unix))
### fifo(命名管道)
可以通過呼叫mkfifo或od(8進位)來構建，當被呼叫時表現為輸入或輸出的檔案。這樣可以允許建立多個管道，並且將其同標準錯誤重新導向或tee結合起來使用更為有效。
- install screen

sudo apt-get install screen

- 指令
screen : 執行他
exit : 離開
ctrl + a + c : 新增視窗
ctrl + a + n : 變換視窗
>fifo1先寫再讀,fifo2先讀再寫,如果沒按照順序執行會錯誤
### multithread & poll & epoll 差異
能支撐的客戶端及效能 epoll > poll > mutithread

mutithread/server.c: 每多一個客戶要多一個thread

poll/server.c: 整個server只用一個thread(主程式+一個thread),事件要一個一個測

epoll/server.c: 整個server只用一個thread(主程式+一個thread),只要測有事件發生的串流,而不需要全測