2023q1 Homework1 (lab0)

--- tags: 2023 linux kernel --- # 2023q1 Homework1 (lab0) contributed by < [`Risheng1128`](https://github.com/Risheng1128) > > [作業說明](https://hackmd.io/@sysprog/linux2023-lab0) ## 實驗環境 ```shell $ lscpu Architecture: x86_64 CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit Address sizes: 39 bits physical, 48 bits virtual Byte Order: Little Endian CPU(s): 12 On-line CPU(s) list: 0-11 Vendor ID: GenuineIntel Model name: 11th Gen Intel(R) Core(TM) i5-11400H @ 2.70GHz CPU family: 6 Model: 141 Thread(s) per core: 2 Core(s) per socket: 6 Socket(s): 1 Stepping: 1 CPU max MHz: 4500.0000 CPU min MHz: 800.0000 BogoMIPS: 5376.00 Virtualization features: Virtualization: VT-x Caches (sum of all): L1d: 288 KiB (6 instances) L1i: 192 KiB (6 instances) L2: 7.5 MiB (6 instances) L3: 12 MiB (1 instance) NUMA: NUMA node(s): 1 NUMA node0 CPU(s): 0-11 $ gcc --version gcc (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0 Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc. This is free software; see the source for copying conditions. There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. ``` ## 佇列實作 ### 使用的結構實作之前，先分析目前 lab0-c 對管理佇列的設計雙向鏈結串列 ```ㄏ struct list_head { struct list_head *prev; struct list_head *next; }; ``` 佇列元素 ```c typedef struct { char *value; struct list_head list; } element_t; ``` 由上述兩種的結構，可以知道佇列的元素本身就是鏈結串列的節點，會產生如下的示意圖 ```graphviz digraph { rankdir=LR; splines=false; node [shape="record"] head [label="<list>head"] element1 [label="<s>val|<list>list"] element2 [label="<s>val|<list>list"] element3 [label="<s>val|<list>list"] dots [shape=none, label="..."] head:list -> element1:list element1:list -> head:list element1:list -> element2:list element2:list -> element1:list element2:list -> dots dots -> element2:list dots -> element3:list element3:list ->dots element3:list -> head:list head:list -> element3:list } ``` 接著是和去年不同的部份，現在可以管理多個佇列，主要是由於以下的結構實作 ```c typedef struct { struct list_head *q; struct list_head chain; int size; int id; } queue_contex_t; ``` 上述的結構為每個佇列的節點，成員說明如下: - `q`: 指向佇列的第一個節點 - `chain`: 負責管理佇列的鏈結串列的節點 - `size`: 佇列節點的數量 - `id`: 鏈結串列編號接著以下的結構為管理佇列的鏈結串列的第一個節點 ```c typedef struct { struct list_head head; int size; } queue_chain_t; static queue_chain_t chain = {.size = 0}; ``` 由上述的結構，可以得知目前管理佇列的鏈結串列示意圖如下: ```graphviz digraph { rankdir=LR; splines=false; node [shape="record"] chain [label="<c>chain"] queue1 [label="q|<c>chain|size|id"] queue2 [label="q|<c>chain|size|id"] queue3 [label="q|<c>chain|size|id"] dots [shape=none, label="..."] chain:c -> queue1:c queue1:c -> chain:c queue1:c -> queue2:c queue2:c -> queue1:c queue2:c -> dots dots -> queue2:c dots -> queue3:c queue3:c ->dots queue3:c -> chain:c chain:c -> queue3:c } ``` 其中 `q` 則是對應到上述佇列的結構 ### q_new 函式功能: 建立新的「空」佇列 :::info 函式流程 1. 使用 malloc 分配記憶體空間，並由指標 new 指向 2. 如果空間分配失敗 malloc 會回傳 NULL ，此時回傳 NULL 3. 使用函式 `INIT_LIST_HEAD` 初始化 ::: 實際程式碼: ```c struct list_head *q_new() { struct list_head *new = malloc(sizeof(*new)); if (!new) return NULL; // initialize the head INIT_LIST_HEAD(new); return new; } ``` ### q_free 函式功能: 釋放佇列所佔用的記憶體 :::info 函式流程 1. 如果傳入的 head 為 NULL ，直接結束函式 2. 走訪整個鏈結串列，每經過一個節點，就對其使用函式 `list_del` 移除該節點並釋放其空間 3. 釋放 head 的記憶體空間 ::: 實際程式碼: ```c void q_free(struct list_head *l) { if (!l) return; element_t *entry, *safe; list_for_each_entry_safe (entry, safe, l, list) { list_del(&entry->list); q_release_element(entry); } // free list head free(l); } ``` ### q_insert_head 函式功能: 在佇列開頭 (head) 插入 (insert) 給定的新節點 :::info 函式流程 1. 使用函式 `malloc` 分配 `element_t` 大小的記憶體空間，若失敗則回傳 `false` 2. 使用函式 `strdup` 建立複製字串資料 3. 使用函式 `list_add` 將節點加在 `head` 的下一個位置 ::: 實際程式碼: ```c bool q_insert_head(struct list_head *head, char *s) { if (!head) return false; element_t *element = malloc(sizeof(*element)); if (!element) return false; // copy string element->value = strdup(s); if (!element->value) { free(element); return false; } // add node into doubly-linked list at head list_add(&element->list, head); return true; } ``` 其中函式 `strdup` 的實作如下 ```c /* Use undef to avoid strdup redefined error */ #undef strdup #define strdup test_strdup char *test_strdup(const char *s) { size_t len = strlen(s) + 1; void *new = test_malloc(len); if (!new) return NULL; return memcpy(new, s, len); } ``` ### q_insert_tail 函式功能: 在佇列尾端 (tail) 插入 (insert) 給定的新節點 :::info 函式流程 1. 使用函式 `malloc` 分配 `element_t` 大小的記憶體空間，若失敗則回傳 `false` 2. 使用函式 `strdup` 建立複製字串資料 3. 使用函式 `list_add_tail` 將節點加在 `head` 的前一個位置 ::: 實際程式碼: ```c bool q_insert_tail(struct list_head *head, char *s) { if (!head) return false; element_t *element = malloc(sizeof(*element)); if (!element) return false; // copy string element->value = strdup(s); if (!element->value) { free(element); return false; } // add node into doubly-linked list at tail list_add_tail(&element->list, head); return true; } ``` ### q_remove_head 函式功能: 在佇列開頭 (head) 移去 (remove) 給定的節點 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 `NULL` 或是空佇列，則回傳 `NULL` 2. 移除佇列的第一個元素 (`head->next`) 並且取得其資料 3. 將資料複製到 buffer 中 ::: 實際程式碼: ```c element_t *q_remove_head(struct list_head *head, char *sp, size_t bufsize) { if (!head || list_empty(head)) return NULL; struct list_head *node = head->next; element_t *element = list_entry(node, element_t, list); list_del(node); if (sp) { strncpy(sp, element->value, bufsize - 1); // add null terminator sp[bufsize - 1] = 0; } return element; } ``` ### q_remove_tail 函式功能: 在佇列尾端 (tail) 移去 (remove) 給定的節點 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 `NULL` 或是空佇列，則回傳 `NULL` 2. 移除佇列的最後一個元素 (`head->prev`) 並且取得其資料 3. 將資料複製到 buffer 中 ::: 實際程式碼: ```c element_t *q_remove_tail(struct list_head *head, char *sp, size_t bufsize) { if (!head || list_empty(head)) return NULL; struct list_head *node = head->prev; element_t *element = list_entry(node, element_t, list); list_del(node); if (sp) { strncpy(sp, element->value, bufsize - 1); // add null terminator sp[bufsize - 1] = 0; } return element; } ``` ### q_size 函式功能: 計算目前佇列的節點總量 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 `NULL` 則回傳 `0` 2. 走訪鏈結串列並計算走過的數量 ::: 實際程式碼: ```c int q_size(struct list_head *head) { if (!head) return 0; int count = 0; struct list_head *node; list_for_each (node, head) count++; return count; } ``` ### q_delete_mid 函式功能: 移走佇列中間的節點 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 `NULL` 或是空佇列則回傳 `false` 2. 使用指標分別往前 (`forward`) 及往後 (`afterward`) 走，並找到中間的節點 (最後為 `forward` ) 3. 移除中間的節點並釋放其記憶體空間 ::: 實際程式碼: ```c bool q_delete_mid(struct list_head *head) { // https://leetcode.com/problems/delete-the-middle-node-of-a-linked-list/ if (!head || list_empty(head)) return false; struct list_head *afterward = head->next, *forward = head->prev; // move point to find the middle node for (; afterward != forward && afterward->next != forward; afterward = afterward->next, forward = forward->prev) ; // remove the middle node in queue list_del(forward); // delete the node q_release_element(list_entry(forward, element_t, list)); return true; } ``` ### q_delete_dup 函式功能: 在**已經排序**的狀況，移走佇列中具備重複內容的節點 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 `NULL` 則回傳 `false` 2. 走訪整個鏈結串列並取得 `curr` 和 `next` 的元素地址 ```c list_for_each_entry_safe (curr_entry, next_entry, head, list) ``` 3. 當資料相同時，會對 `next` 指向的節點進行移除並釋放空間，同時 `flag` 被設置為 `true` ，字串比較則使用 [strcmp](https://man7.org/linux/man-pages/man3/strcmp.3.html) 函式，當資料相同時回傳 `0` ```c while (&next_entry->list != head && !strcmp(curr_entry->value, next_entry->value)) { list_del(&next_entry->list); q_release_element(next_entry); // update next pointer next_entry = list_entry(curr_entry->list.next, element_t, list); flag = true; } ``` 4. 當 `flag` 為 `true` 時，表示發生過資料相同的情況，但 `curr` 指到的節點尚未釋放，因此要記得釋放該空間 ```c // need remove current node if (flag) { list_del(&curr_entry->list); q_release_element(curr_entry); flag = false; } ``` ::: 實際程式碼: ```c bool q_delete_dup(struct list_head *head) { // https://leetcode.com/problems/remove-duplicates-from-sorted-list-ii/ if (!head) return false; bool flag = false; element_t *curr_entry, *next_entry; list_for_each_entry_safe (curr_entry, next_entry, head, list) { while (&next_entry->list != head && !strcmp(curr_entry->value, next_entry->value)) { list_del(&next_entry->list); q_release_element(next_entry); // update next pointer next_entry = list_entry(curr_entry->list.next, element_t, list); flag = true; } // need remove current node if (flag) { list_del(&curr_entry->list); q_release_element(curr_entry); flag = false; } } return true; } ``` :::warning TODO: 用更精簡的方式撰寫程式碼。 :notes: jserv ::: 後來參考 [alanjian85](https://hackmd.io/@alanjian85/lab0-2023#2023q1-Homework1-lab0) 同學的作業，發現了更好的解法，兩者相同的部份都是使用指標 `prev` 及 `curr` 來判斷資料是否相同，而不同之處在於我原本的實作是移除 `curr` 指向的節點，後者則是移除 `prev` 的節點，如此一來可以節省 `curr` 的迴圈修改後的程式碼如下所示，修改紀錄為 [commit](https://github.com/Risheng1128/lab0-c/commit/863444d138c17dd9698476af3a0e62376b2a67b3): ```c bool q_delete_dup(struct list_head *head) { // https://leetcode.com/problems/remove-duplicates-from-sorted-list-ii/ if (!head) return false; bool flag = false; element_t *curr_entry, *next_entry; list_for_each_entry_safe (curr_entry, next_entry, head, list) { bool equal = &next_entry->list != head && !strcmp(curr_entry->value, next_entry->value); if (flag || equal) { list_del(&curr_entry->list); q_release_element(curr_entry); flag = equal; } } // need remove current node if (flag) { list_del(&curr_entry->list); q_release_element(curr_entry); } return true; } ``` ### q_swap 函式功能: 交換佇列中鄰近的節點 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 `NULL` 則直接離開函式 2. 走訪鏈結串列，每次都將 `first` 指到的節點取出並加到 `second` 指到的節點後，如此一來就達到交換的功能 ::: 實際程式碼: ```c void q_swap(struct list_head *head) { // https://leetcode.com/problems/swap-nodes-in-pairs/ if (!head) return; struct list_head *first = head->next; for (struct list_head *second = first->next; first != head && second != head; first = first->next, second = first->next) { // can swap list_del(first); list_add(first, second); } } ``` ### q_reverse 函式功能: 以反向順序重新排列鏈結串列，該函式不該配置或釋放任何鏈結串列節點，換言之，它只能重排已經存在的節點 :::info 函式流程 1. 建立三個指標 prev, curr 及 next ，並依照 prev → curr → next 的順序指向不同節點 ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; head [label="<list>head"] element1 [label="<list>bear"] element2 [label="<list>dolphin"] element3 [label="<list>meerkat"] dots [shape=none, label="..."] prev [shape=none, label="prev"] curr [shape=none, label="curr"] next [shape=none, label="next"] head:list -> element1:list element1:list -> head:list element1:list -> element2:list element2:list -> element1:list element2:list -> dots dots -> element2:list dots -> element3:list element3:list -> dots element3:list -> head:list head:list -> element3:list prev -> element3:list [color=red] curr -> head:list [color=red] } ``` 2. `next` 指到目前節點的下一個 ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; head [label="<list>head"] element1 [label="<list>bear"] element2 [label="<list>dolphin"] element3 [label="<list>meerkat"] dots [shape=none, label="..."] prev [shape=none, label="prev"] curr [shape=none, label="curr"] next [shape=none, label="next"] head:list -> element1:list element1:list -> head:list element1:list -> element2:list element2:list -> element1:list element2:list -> dots dots -> element2:list dots -> element3:list element3:list -> dots element3:list -> head:list head:list -> element3:list prev -> element3:list curr -> head:list next -> element1:list [color=red] } ``` 3. 交換目前節點的下一個及上一個節點 ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; head [label="<list>head"] element1 [label="<list>bear"] element2 [label="<list>dolphin"] element3 [label="<list>meerkat"] dots [shape=none, label="..."] prev [shape=none, label="prev"] curr [shape=none, label="curr"] next [shape=none, label="next"] head:list -> element1:list [label="prev" , color=red] element1:list -> head:list element1:list -> element2:list element2:list -> element1:list element2:list -> dots dots -> element2:list dots -> element3:list element3:list -> dots element3:list -> head:list head:list -> element3:list [label="next" , color=red] prev -> element3:list curr -> head:list next -> element1:list } ``` 4. 更新 `prev` 及 `curr` ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; head [label="<list>head"] element1 [label="<list>bear"] element2 [label="<list>dolphin"] element3 [label="<list>meerkat"] dots [shape=none, label="..."] prev [shape=none, label="prev"] curr [shape=none, label="curr"] next [shape=none, label="next"] head:list -> element1:list element1:list -> head:list element1:list -> element2:list element2:list -> element1:list element2:list -> dots dots -> element2:list dots -> element3:list element3:list -> dots element3:list -> head:list head:list -> element3:list prev -> head:list [color=red] curr -> element1:list [color=red] next -> element2:list [color=red] } ``` 5. 完整走訪整個鏈結串列，即可完成反轉 ::: 實際程式碼: ```c void q_reverse(struct list_head *head) { if (!head) return; struct list_head *prev = head->prev, *curr = head, *next = NULL; while (next != head) { next = curr->next; curr->next = prev; curr->prev = next; prev = curr; curr = next; } } ``` ### q_reverseK 函式功能: 類似 `q_reverse` ，但指定每 k 個節點為一組，進行反向順序排列以下的函式流程以 `trace-06-ops.cmd` 的測資為例 > l = [e, e, d, c, b, a, a, a], k = 3 :::info 函式流程 1. 如果佇列為 NULL 或是空佇列則直接離開函式 2. 切開鏈結串列裡最後一個節點回到 head 的連線 ```c head->prev->next = NULL; ``` ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; h [label="head"] e1 [label="e"] e2 [label="e"] e3 [label="d"] e4 [label="c"] e5 [label="b"] e6 [label="a"] e7 [label="a"] e8 [label="a"] NULL [shape=none, label="NULL"] h -> e1 e1 -> h e1 -> e2 e2 -> e1 e2 -> e3 e3 -> e2 e3 -> e4 e4 -> e3 e4 -> e5 e5 -> e4 e5 -> e6 e6 -> e5 e6 -> e7 e7 -> e6 e7 -> e8 [color=red] e8 -> e7 e8 -> NULL h -> e8 } ``` 3. 當 `count` 第一次和 `k` 相同且在執行函式 `q_reverse` 之前，此時從佇列頭開始，可以看到形成了一個單向環狀鏈結串列 [e, e, d] ，這麼做的目的是要滿足函式 `q_reverse` 輸入，也就是函式 `q_reverse`是**以輸入節點的下一個節點 (head->next) 開始反轉** ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; h [label="head"] e1 [label="e"] e2 [label="e"] e3 [label="d"] e4 [label="c"] e5 [label="b"] e6 [label="a"] e7 [label="a"] e8 [label="a"] sub_head [shape=none, label="sub_head"] sub_tail [shape=none, label="sub_tail"] old_tail [shape=none, label="old_tail"] next_head [shape=none, label="next_head"] NULL [shape=none, label="NULL"] h -> e1 e1 -> h e1 -> e2 e2 -> e1 e2 -> e3 e3 -> e2 e3 -> h [color=red] e4 -> e3 e4 -> e5 e5 -> e4 e5 -> e6 e6 -> e5 e6 -> e7 e7 -> e6 e7 -> e8 e8 -> e7 e8 -> NULL h -> e8 old_tail -> h [color=red] sub_head -> e1 [color=red] sub_tail -> e3 [color=red] next_head -> e4 [color=red] } ``` 4. 接著開始反轉，需注意的是原本的 `sub_head` 及 `sub_tail` 指向節點的相對位置會相反 ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; h [label="head"] e1 [label="e"] e2 [label="e"] e3 [label="d"] e4 [label="c"] e5 [label="b"] e6 [label="a"] e7 [label="a"] e8 [label="a"] sub_head [shape=none, label="sub_head"] sub_tail [shape=none, label="sub_tail"] old_tail [shape=none, label="old_tail"] next_head [shape=none, label="next_head"] NULL [shape=none, label="NULL"] h -> e3 e3 -> h e3 -> e2 e2 -> e3 e2 -> e1 e1 -> e2 e1 -> h h -> e1 e4 -> e3 e4 -> e5 e5 -> e4 e5 -> e6 e6 -> e5 e6 -> e7 e7 -> e6 e7 -> e8 e8 -> e7 e8 -> NULL old_tail -> h sub_head -> e1 [color=red] sub_tail -> e3 [color=red] next_head -> e4 } ``` 5. 將 `old_tail->next` 指向 `sub_tail` 指到的節點且 `sub_head->next` 指向 `next->head` 指到的節點，前者在這部份不會有任何改變，但在鏈結串列之間反轉後，需要上次反轉後的 tail 接上，就會有所功能 ```graphviz digraph { rankdir=LR; node[shape=record]; h [label="head"] e1 [label="e"] e2 [label="e"] e3 [label="d"] e4 [label="c"] e5 [label="b"] e6 [label="a"] e7 [label="a"] e8 [label="a"] sub_head [shape=none, label="sub_head"] sub_tail [shape=none, label="sub_tail"] old_tail [shape=none, label="old_tail"] next_head [shape=none, label="next_head"] NULL [shape=none, label="NULL"] h -> e3 [color=red] e3 -> h e3 -> e2 e2 -> e3 e2 -> e1 e1 -> e2 e1 -> e4 [color=red] h -> e1 e4 -> e3 e4 -> e5 e5 -> e4 e5 -> e6 e6 -> e5 e6 -> e7 e7 -> e6 e7 -> e8 e8 -> e7 e8 -> NULL old_tail -> h sub_head -> e1 sub_tail -> e3 next_head -> e4 } ``` 6. 更新所有指標並重複上述的步驟 7. 最後利用函式 `restructure_list` 將鏈結串列接好 ::: 實際程式碼: ```c void q_reverseK(struct list_head *head, int k) { // https://leetcode.com/problems/reverse-nodes-in-k-group/ if (!head || list_empty(head)) return; int count = 0; struct list_head *sub_head = head->next, *next_head = NULL, *old_tail = head; // cut the linked list to be singly-linked list head->prev->next = NULL; for (struct list_head *sub_tail = head->next; sub_tail; sub_tail = sub_tail->next) { if (++count == k) { next_head = sub_tail->next; sub_tail->next = old_tail; q_reverse(old_tail); // old node connects to the head of new list old_tail->next = sub_tail; // the new list connect to the next node sub_head->next = next_head; old_tail = sub_tail = sub_head; sub_head = next_head; count = 0; } } /* restructure the doubly-linked list */ restructure_list(head); } ``` 其中函式 `restructure_list` 的實作如下，功能為將雙向鏈結串列的 `prev` 指標接好 ```c void restructure_list(struct list_head *head) { struct list_head *curr = head, *next = curr->next; while (next) { next->prev = curr; curr = next; next = next->next; } curr->next = head; head->prev = curr; } ``` ### q_sort 函式功能: 以**遞增順序**來排序鏈結串列的節點 :::info 函式流程函式 `q_sort` 的實作被主要拆為三個函式 `q_sort`, `mergesort` 及 `mergelist` `q_sort`: 1. 首先將指向 `head` 的指標改成 `NULL`，目的在於把雙向鏈結串列的終點從 `head` 改為 `NULL`，變成單向鏈結串列 ```c head->prev->next = NULL; ``` 2. 接著呼叫函式 `mergesort` 開始進行 merge sort ```c head->next = mergesort(head->next); ``` 3. 排序完後每個節點的 `prev` 會亂掉，因此需要走訪各個節點並且把所有 `prev` 接回來 ```c restructure_list(head); ``` `mergesort`: 參考[你所不知道的 C 語言: linked list 和非連續記憶體](https://hackmd.io/@sysprog/c-linked-list)裡， merge sort 的實作方式並做修改 1. 使用「快慢指標」[Floyd’s Cycle detection](https://en.wikipedia.org/wiki/Cycle_detection) 演算法找出鏈結串列正中間的節點，並將鏈結串列切成 `left` 及 `right` 兩組鏈結串列 ```c struct list_head *fast = head, *slow = head; while (fast && fast->next) { fast = fast->next->next; slow = slow->next; } struct list_head *mid = slow; slow->prev->next = NULL; struct list_head *left = mergesort(head); struct list_head *right = mergesort(mid); ``` 2. 呼叫函式 `mergelist` 合併 `left` 及 `right` ```c return mergelist(left, right); ``` `mergelist`: 參考 [21. Merge Two Sorted Lists](https://leetcode.com/problems/merge-two-sorted-lists/) ，並實作合併兩個鏈結串列 1. 利用指標的指標 `indirect` 指向指標 `res` ，並藉由修改指標完成鏈結串列合併的動作 ```c struct list_head *res = NULL; struct list_head **indirect = &res; ``` 2. 使用函式 `strcmp` 判斷資料的大小 ```c node = strcmp(list1_entry->value, list2_entry->value) < 0 ? &list1 ``` ::: 實際程式碼: ```c /* Merge the two lists in a one sorted list. */ static struct list_head *mergelist(struct list_head *list1, struct list_head *list2) { struct list_head *res = NULL; struct list_head **indirect = &res; for (struct list_head **node = NULL; list1 && list2; *node = (*node)->next) { element_t *list1_entry = list_entry(list1, element_t, list); element_t *list2_entry = list_entry(list2, element_t, list); node = strcmp(list1_entry->value, list2_entry->value) < 0 ? &list1 : &list2; *indirect = *node; indirect = &(*indirect)->next; } *indirect = (struct list_head *) ((size_t) list1 | (size_t) list2); return res; } /* * Divide the list into several nodes and merge to sorted list. * No effect if q is NULL or empty. */ static struct list_head *mergesort(struct list_head *head) { if (!head || !head->next) return head; struct list_head *fast = head, *slow = head; while (fast && fast->next) { fast = fast->next->next; slow = slow->next; } struct list_head *mid = slow; slow->prev->next = NULL; struct list_head *left = mergesort(head); struct list_head *right = mergesort(mid); return mergelist(left, right); } /* Sort elements of queue in ascending order */ void q_sort(struct list_head *head) { if (!head || list_empty(head)) return; // cut the linked list to be singly-linked list head->prev->next = NULL; head->next = mergesort(head->next); /* restructure the doubly-linked list */ restructure_list(head); } ``` ### q_descend 函式功能: 對所有節點而言，移除所有在其之前且資料較小的節點思考邏輯: 目標是把對每個節點之前，所有資料比其小的節點移除，換言之，其實可以利用雙向鏈結串列的特性，反向走訪所有的節點，並產生遞增的鏈結串列實際程式碼: ```c int q_descend(struct list_head *head) { // https://leetcode.com/problems/remove-nodes-from-linked-list/ if (!head || list_empty(head) || list_is_singular(head)) return 0; for (struct list_head *curr = head->prev, *next = curr->prev; next != head; next = curr->prev) { element_t *curr_entry = list_entry(curr, element_t, list); element_t *next_entry = list_entry(next, element_t, list); // if current node is greater than next node if (strcmp(curr_entry->value, next_entry->value) > 0) { list_del(next); q_release_element(next_entry); } else curr = next; } return q_size(head); } ``` ### q_merge 函式功能: 合併所有**已排序**的佇列，並合而為一個新的已排序佇列 :::info 函式流程 1. 利用指標 `merge` 暫時儲存已經合併的佇列 2. 走訪所有的佇列並一個一個和 `merge` 合併 (利用函式 `mergelist`) ，由於函式 `mergelist` 的輸入皆為單向鏈結串列，因此這裡需要先將原本的佇列變成單向鏈結串列，再進行合併 ```c head_entry->q->prev->next = NULL; merge = mergelist(merge, head_entry->q->next); ``` 3. 將合併完的佇列復原 ```c head_entry->q->next = head_entry->q; ``` 4. 最後將合併的佇列接在 `chain` 的第一個元素上，並使用函式 `restructure_list` 將 `prev` 完整連接 ```c head_entry = list_entry(head->next, queue_contex_t, chain); head_entry->q->next = merge; /* restructure the doubly-linked list */ restructure_list(head_entry->q); ``` ::: 實際程式碼: ```c int q_merge(struct list_head *head) { // https://leetcode.com/problems/merge-k-sorted-lists/ if (!head || list_empty(head)) return 0; struct list_head *merge = NULL; queue_contex_t *head_entry = NULL; list_for_each_entry (head_entry, head, chain) { // cut the linked list to be singly-linked list head_entry->q->prev->next = NULL; merge = mergelist(merge, head_entry->q->next); head_entry->q->next = head_entry->q; } head_entry = list_entry(head->next, queue_contex_t, chain); head_entry->q->next = merge; /* restructure the doubly-linked list */ restructure_list(head_entry->q); return q_size(head_entry->q); } ``` ## 研讀 Linux 核心原始碼 [list_sort.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/lib/list_sort.c) 原始碼的運作分析放在額外的筆記 [研讀 Linux 核心原始程式碼 `list_sort.c`](https://hackmd.io/@Risheng/list_sort) ### 引入 Linux 核心原始碼 [list_sort.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/lib/list_sort.c) 到 lab0-c 完整的實作紀錄可參考 [commit](https://github.com/Risheng1128/lab0-c/commit/0368c53c4d81dbaac9c582db2e9f45b938c49dfd) ，以下為實作的流程首先，將 Linux 核心原始檔案 [list_sort.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/lib/list_sort.c) 及 [list_sort.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/list_sort.h) 的相關程式碼加進 lab0-c 並作修改，其中包含 list_sort 完整的程式碼及其函式定義，接著將以下 lab0-c 沒有的巨集函式加進 `list_sort.h` - `likely()` (位於 [`include/linux/compiler.h`](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/compiler.h)) - `unlikely()` (位於 [`include/linux/compiler.h`](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/compiler.h)) 完成的 `list_sort.h` 實際程式碼如下所示: ```c #pragma once #ifndef likely #define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1) #endif #ifndef unlikely #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0) #endif struct list_head; __attribute__((nonnull(2, 3))) typedef int (*list_cmp_func_t)( void *, const struct list_head *, const struct list_head *); __attribute__((nonnull(2, 3))) void list_sort(void *priv, struct list_head *head, list_cmp_func_t cmp); __attribute__((nonnull(2, 3))) int list_cmp(void *priv, const struct list_head *list1, const struct list_head *list2); ``` 接著在 `Makefile` 新增要編譯出的目標檔案，這裡可由變數 `ENABLE_LINUX_SORT` 讓使用者決定是否要使用 `list_sort` ``` ENABLE_LINUX_SORT ?= 1 ifeq ($(ENABLE_LINUX_SORT), 1) CFLAGS += -D FEATURE_LINUX_SORT=1 OBJS += list_sort.o endif ``` 在 `list_sort.c` 新增函式 `list_cmp` ，用來比較節點的資料 ```c /* List compare funciton */ __attribute__((nonnull(2, 3))) int list_cmp(void *priv, const struct list_head *list1, const struct list_head *list2) { // cppcheck-suppress nullPointer element_t *list1_entry = list_entry(list1, element_t, list); // cppcheck-suppress nullPointer element_t *list2_entry = list_entry(list2, element_t, list); return strcmp(list1_entry->value, list2_entry->value) <= 0 ? 0 : 1; } ``` 最後則是修改檔案 `qtest.c` 裡的函式 `do_sort` ，並搭配剛剛在 `Makefile` 裡設定的參數來決定要使用原本的 `q_sort` 或是新引入的 list_sort ```c bool do_sort(int argc, char *argv[]) { ... if (current && exception_setup(true)) #if FEATURE_LINUX_SORT list_sort(NULL, current->q, list_cmp); #else q_sort(current->q); #endif ... } ``` ### 比較自己實作的 merge sort 和 Linux 核心程式碼首先建立一個用來量測排序時間的測試檔 `trace-time-measure.cmd` ，內容如下所示，其中隨機產生的資料數會改變 ``` option fail 0 option malloc 0 new ih RAND 100000 time sort time ``` 接著修改以下的 `Makefile` 腳本並輸入命令 `make check` 來分別測試 `q_sort` 及 `list_sort` ``` check: qtest ./$< -v 3 -f traces/trace-time-measure.cmd ``` 可以統計出兩者執行的時間，測試方式為對每個函式分別測試 3 次並紀錄其排序時間，同時資料總數從 100000 以公差為 100000 遞增到 500000 | 資料總數 | `q_sort` 第一次 (s) | `q_sort` 第二次 (s) | `q_sort` 第三次 (s) | `list_sort` 第一次 (s) | `list_sort` 第二次 (s) | `list_sort` 第三次 (s) | | ------- | ----- | ----- | ----- | ----- | ----- | ----- | | 100000 | 0.072 | 0.071 | 0.068 | 0.039 | 0.040 | 0.038 | | 200000 | 0.190 | 0.222 | 0.200 | 0.114 | 0.120 | 0.114 | | 300000 | 0.333 | 0.361 | 0.330 | 0.196 | 0.198 | 0.194 | | 400000 | 0.488 | 0.528 | 0.517 | 0.286 | 0.284 | 0.301 | | 500000 | 0.646 | 0.685 | 0.699 | 0.376 | 0.393 | 0.363 | 接著將以上的數據取平均後如下所示 | 資料總數 | `q_sort` 平均 (s) | `list_sort` 平均 (s) | | ------- | ----- | ----- | | 100000 | 0.070 | 0.039 | | 200000 | 0.204 | 0.116 | | 300000 | 0.341 | 0.196 | | 400000 | 0.511 | 0.290 | | 500000 | 0.676 | 0.377 | 最後使用 [gnuplot](https://en.wikipedia.org/wiki/Gnuplot) 畫圖，參考 [gnuplot 語法解說和示範](https://hackmd.io/@sysprog/gnu-linux-dev/https%3A%2F%2Fhackmd.io%2Fs%2FSkwp-alOg) ，以下為比較結果，可以發現 `list_sort` 的排序時間比起 `q_sort` 快了不少 ![](https://i.imgur.com/E2XXG1A.png) 接著利用 [perf](https://perf.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page) 找到兩者的差異，安裝可以參考 [Linux 效能分析工具: Perf](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/perf-tutorial) 輸入命令 `perf stat --repeat 5 -e cache-misses,cache-references,instructions,cycles ./qtest -f traces/trace-time-measure.cmd` → 程式會執行 5 次，並且自動平均，其中每次測試的資料數都設定為 500000 ，以下為 `q_sort` 及 `list_sort` 執行的結果首先是 `q_sort` 的結果 ```shell Performance counter stats for './qtest -f traces/trace-time-measure.cmd' (5 runs): 2256,8287 cache-misses # 68.299 % of all cache refs ( +- 0.15% ) 3288,3709 cache-references ( +- 0.36% ) 22,6838,1411 instructions # 0.44 insn per cycle ( +- 0.00% ) 50,7244,9200 cycles ( +- 0.51% ) 1.18335 +- 0.00408 seconds time elapsed ( +- 0.34% ) ``` 接著是 `list_sort` 的結果 ``` Performance counter stats for './qtest -f traces/trace-time-measure.cmd' (5 runs): 1887,5232 cache-misses # 72.800 % of all cache refs ( +- 0.22% ) 2577,8636 cache-references ( +- 0.26% ) 22,7975,0582 instructions # 0.71 insn per cycle ( +- 0.02% ) 31,8624,7214 cycles ( +- 0.38% ) 0.73931 +- 0.00590 seconds time elapsed ( +- 0.80% ) ``` 將輸出的結果做成表格，如下表所示 | | `q_sort` | `list_sort` | | ---------------- | ------------ | ------------ | | cycles | 50,7244,9200 | 31,8624,7214 | | instructions | 22,6838,1411 | 22,7975,0582 | | cache-references | 3288,3709 | 2577,8636 | | cache-misses | 2256,8287 | 1887,5232 | | insn per cycle | 0.44 | 0.71 | 可以發現 `list_sort` 發生 cache miss 的次數比 q_sort 來的少，可以對應到 [Linux 核心的鏈結串列排序](https://hackmd.io/@sysprog/linux2023-lab0/%2F%40sysprog%2Flinux2023-lab0-e) 裡提到「用 bottom up 實作 merge sort 對 cache 較友善，可避免大量的 [cache trashing](https://en.wikipedia.org/wiki/Thrashing_(computer_science))」 :::warning 探討 `list_sort.c` 的比較次數。 :notes: jserv ::: ## 運用 Valgrind 排除 qtest 實作的記憶體錯誤輸入命令 `make valgrind` 對資料夾 `traces` 裡的所有測試資料使用 valgrind 進行檢查 :::spoiler 測試結果 ```shell +++ TESTING trace trace-01-ops: # Test of insert_head and remove_head --- trace-01-ops 5/5 +++ TESTING trace trace-02-ops: # Test of insert_head, insert_tail, remove_head, remove_tail, and delete_mid --- trace-02-ops 6/6 +++ TESTING trace trace-03-ops: # Test of insert_head, insert_tail, remove_head, reverse and merge --- trace-03-ops 6/6 +++ TESTING trace trace-04-ops: # Test of insert_head, insert_tail, size, swap, and sort --- trace-04-ops 6/6 +++ TESTING trace trace-05-ops: # Test of insert_head, insert_tail, remove_head, reverse, size, swap, and sort --- trace-05-ops 6/6 +++ TESTING trace trace-06-ops: # Test of insert_head, insert_tail, delete duplicate, sort, descend and reverseK --- trace-06-ops 6/6 +++ TESTING trace trace-07-string: # Test of truncated strings --- trace-07-string 6/6 +++ TESTING trace trace-08-robust: # Test operations on empty queue --- trace-08-robust 6/6 +++ TESTING trace trace-09-robust: # Test remove_head with NULL argument --- trace-09-robust 6/6 +++ TESTING trace trace-10-robust: # Test operations on NULL queue --- trace-10-robust 6/6 +++ TESTING trace trace-11-malloc: # Test of malloc failure on insert_head --- trace-11-malloc 6/6 +++ TESTING trace trace-12-malloc: # Test of malloc failure on insert_tail --- trace-12-malloc 6/6 +++ TESTING trace trace-13-malloc: # Test of malloc failure on new --- trace-13-malloc 6/6 +++ TESTING trace trace-14-perf: # Test performance of insert_tail, reverse, and sort --- trace-14-perf 6/6 +++ TESTING trace trace-15-perf: # Test performance of sort with random and descending orders # 10000: all correct sorting algorithms are expected pass # 50000: sorting algorithms with O(n^2) time complexity are expected failed # 100000: sorting algorithms with O(nlogn) time complexity are expected pass --- trace-15-perf 6/6 +++ TESTING trace trace-16-perf: # Test performance of insert_tail --- trace-16-perf 6/6 +++ TESTING trace trace-17-complexity: # Test if time complexity of q_insert_tail, q_insert_head, q_remove_tail, and q_remove_head is constant Probably constant time Probably constant time Probably constant time Probably constant time --- trace-17-complexity 5/5 --- TOTAL 100/100 ``` ::: 由以上的測試結果，可以發現對於目前的實作， valgrind 沒有發出任何的警告接著使用 [Massif](https://valgrind.org/docs/manual/ms-manual.html) 觀察記憶體使用情況，輸入命令 `valgrind -v --tool=massif ./qtest -f traces/trace-01-ops.cmd` 產生輸出檔 `massif.out.17672` 接著輸入命令 `massif-visualizer ./massif.out.17672` 讀取上述指令產生的輸出檔，以下為結果: ![](https://i.imgur.com/OX1gyZg.png) 以 `traces/trace-01-ops.cmd` 為例，可以發現所有分配的記憶體在最後會完全被釋放 --- ## 確保 qtest 提供的 `web` 命令得以搭配上述佇列實作使用經過實驗證實，目前的實作會有以下的問題 :::warning 問題: 在輸入命令 `web` 並建立連線後，會有以下的問題 1. 當對伺服器端送出請求後，此時再從命令列透過 [stdio](https://man7.org/linux/man-pages/man3/stdio.3.html) 送出命令後，會產生一段很長的延遲，也就是後者的命令過了很久才會被處理 2. 對伺服器端送出請求後，會產生以下的錯誤訊息 > Unknown command 'favicon.ico' ::: 首先從第一個問題，可以得知上述提到的延遲是由於 lab0-c 內部的函式 [`read`](https://man7.org/linux/man-pages/man2/read.2.html) 壅塞所導致，主要是 I/O 正在處理來自客戶端或是來自命令列的命令，使其一無法馬上執行。因此這邊使用函式 [select](https://man7.org/linux/man-pages/man2/select.2.html) 對檔案描述子 (file descriptor) 進行管理，以下為 select 的 I/O 模型，屬於 [Multiplexing](https://en.wikipedia.org/wiki/Multiplexing) 模型，分成兩部份，第一部份為 select ，目的為等待準備好的資料，並回傳已經準備好的資料數，第二部份則是讀取準備好的資料。透過這樣的方法，可以一次管理多個檔案描述子。 > descriptor 翻譯為「描述子」，參見 [operator 為什麼翻譯為運算子](https://dev.to/codemee/kao-gu-operator-wei-shi-mo-fan-yi-wei-yun-suan-zi--1m7) > :notes: jserv ![](https://i.imgur.com/uzNyxDA.png) 而目前的目標則是**同時管理 stdin 及 socket 的資料**，首先可以參考原本管理 I/O 的實作，位於檔案 `console.c` 的函式 `run_console` ```c= bool run_console(char *infile_name) { if (!push_file(infile_name)) { report(1, "ERROR: Could not open source file '%s'", infile_name); return false; } if (!has_infile) { char *cmdline; while (use_linenoise && (cmdline = linenoise(prompt))) { interpret_cmd(cmdline); line_history_add(cmdline); /* Add to the history. */ line_history_save(HISTORY_FILE); /* Save the history on disk. */ line_free(cmdline); while (buf_stack && buf_stack->fd != STDIN_FILENO) cmd_select(0, NULL, NULL, NULL, NULL); has_infile = false; } if (!use_linenoise) { while (!cmd_done()) cmd_select(0, NULL, NULL, NULL, NULL); } } else { while (!cmd_done()) cmd_select(0, NULL, NULL, NULL, NULL); } return err_cnt == 0; } ``` 將目光放在上述程式的變數 `use_linenoise` ，其功能是用來區別目前輸入為 stdin 或是 socket ，當輸入命令 `web` 時，根據函式 `do_while` 的內容，可以發現變數 `use_linenoise` 被設定為 `false` (下列程式碼第 12 行) ，同時也表示下次將讀取 socket 的資料 ```c= static bool do_web(int argc, char *argv[]) { int port = 9999; if (argc == 2) { if (argv[1][0] >= '0' && argv[1][0] <= '9') port = atoi(argv[1]); } web_fd = web_open(port); if (web_fd > 0) { printf("listen on port %d, fd is %d\n", port, web_fd); use_linenoise = false; } else { perror("ERROR"); exit(web_fd); } return true; } ``` 因此可以得知函式 `run_console` 第 10 行的迴圈用來處理來自 stdin 的資料，而第 19 行則是處理來自 socket 的資料接著修改函式 `run_console` 如下所示，移除變數 `use_linenoise` 並且由函式 `linenoise` 來同時管理兩者的資料 ```c bool run_console(char *infile_name) { if (!push_file(infile_name)) { report(1, "ERROR: Could not open source file '%s'", infile_name); return false; } if (!has_infile) { char *cmdline; while ((cmdline = linenoise(prompt))) { interpret_cmd(cmdline); line_history_add(cmdline); /* Add to the history. */ line_history_save(HISTORY_FILE); /* Save the history on disk. */ line_free(cmdline); while (buf_stack && buf_stack->fd != STDIN_FILENO) cmd_select(0, NULL, NULL, NULL, NULL); has_infile = false; } } else { while (!cmd_done()) cmd_select(0, NULL, NULL, NULL, NULL); } return err_cnt == 0; } ``` 接著引入上述提到的函式 `select` 到函式 `linenoise` 內部，主要修改位於檔案 `linenoise.c` 的核心函式 `line_edit` 。首先使用關鍵字 `extern` 取得 `console.c` 的變數 `web_fd` ，其為 socket 檔案描述子 ```c extern int web_fd; fd_set read_set; ``` 當然變數 `web_fd` 的宣告也要作修改 ```diff - static int web_fd; + int web_fd = -1; ``` 接著在函式 `line_edit` 開始實作 select 的設定，可以參考 CS:APP 的第 12 章，前面提到要管理 stdin 及 socket ，因此設定的部份可以對應到下列程式的第 3 行及第 7 行，使用巨集函式 `FD_SET` 啟動 select 的監聽，其他的巨集函式可以參考 [select(2) — Linux manual page](https://man7.org/linux/man-pages/man2/select.2.html) ```c= while (1) { FD_ZERO(&read_set); /* clear read set */ FD_SET(l.ifd, &read_set); /* set stdin fd */ int fd = l.ifd + 1; /* If web not ready listen */ if (web_fd != -1) { FD_SET(web_fd, &read_set); /* set web fd */ fd = web_fd + 1; } ... } select(fd, &read_set, NULL, NULL, NULL); ``` 接著是讀取函式的部份，實作如下所示，有兩種情況 — socket 及 stdin ，前者主要是使用 `web_recv` 讀取資料，並且對客戶端回傳 [HTTP 狀態碼](https://developer.mozilla.org/zh-TW/docs/Web/HTTP/Status) ，後者則是維持原本的實作，使用函式 `read` 讀取來自 stdin 的資料 ```c if ((web_fd != -1) && FD_ISSET(web_fd, &read_set)) { struct sockaddr_in clientaddr; socklen_t clientlen = sizeof(clientaddr); FD_CLR(web_fd, &read_set); int web_connfd = accept(web_fd, (struct sockaddr *) &clientaddr, &clientlen); char *p = web_recv(web_connfd, &clientaddr); int len = strlen(p); for (int i = 0; i < len; i++) line_edit_insert(&l, p[i]); char *buffer = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\n"; web_send(web_connfd, buffer); free(p); close(web_connfd); } else if (FD_ISSET(l.ifd, &read_set)) { signed char c; int nread; char seq[5]; FD_CLR(l.ifd, &read_set); nread = read(l.ifd, &c, 1); if (nread <= 0) return l.len; ... } ``` 接著將 socket 設定為 non-blocking 模式，修改檔案 `web.c` 裡的函式 `web_open` ，如下所示 ```diff /* Create a socket descriptor */ - if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) + if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0)) < 0) return -1; + /* set socket non-blocking */ + int flags = fcntl(listenfd, F_GETFL); + fcntl(listenfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); ``` 另外要特別注意，當 socket 設定為 non-blocking 模式時，此時的讀取函式 `read` 需要考慮到回傳值 `EAGAIN` 及 `EWOULDBLOCK` ，可參考 [read(2) — Linux manual page](https://man7.org/linux/man-pages/man2/read.2.html) ，以下為說明 > - **EAGAIN or EWOULDBLOCK**: The file descriptor fd refers to a socket and has been marked nonblocking (O_NONBLOCK), and the read would block. POSIX.1-2001 allows either error to be returned for this case, and does not require these constants to have the same value, so a portable application should check for both possibilities. 因此將函式 `rio_read` 進行修改 ```diff static ssize_t rio_read(rio_t *rp, char *usrbuf, size_t n) { int cnt; while (rp->count <= 0) { /* refill if buf is empty */ rp->count = read(rp->fd, rp->buf, sizeof(rp->buf)); if (rp->count < 0) { + // no data available yet + if (errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN) + rp->count = 0; /* and call read() again */ - if (errno != EINTR) /* interrupted by sig handler return */ + else if (errno != EINTR) /* interrupted by sig handler return */ return -1; } else if (rp->count == 0) { /* EOF */ return 0; } else rp->bufptr = rp->buf; /* reset buffer ptr */ } ... } ``` :::warning 依循 [CONTRIBUTING.md](https://github.com/sysprog21/lab0-c/blob/master/CONTRIBUTING.md) 規範，在迴圈內讓 EOF 狀況及早脫離 :notes: jserv ::: 接著是目前的展示成果，主要展示當 stdin 已經先輸入資料但尚未處理，接著從另一個終端機透過 socket 輸入命令，並不會導致資料阻塞，完整實作可見 [commit 26a5dc](https://github.com/Risheng1128/lab0-c/commit/26a5dc3f49069fe97226faea129f4e2a6cfc7cc1) :::info Note: 由於目前讀取資料後的操作是透過函式 `line_edit_insert` 處理，因此會讓兩個 I/O 的資料拼接在一起 ::: {%youtube X_sJdTpZUdg %} :::warning TODO: 1. 處裡 "Unknown command 'favicon.ico'" 的問題 2. 確認 linenoise 對於 web 端輸入的命令也能展現歷史紀錄 ::: ## 在 qtest 提供新的命令 `shuffle`

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