分享到plurk 分享到twitter 分享到facebook

2016q1 Homework #1

預期目標

  • 準備 GNU/Linux 開發工具
  • 學習使用 Git 與 GitHub
  • 學習效能分析工具
  • 研究軟體最佳化

標注須知

下方只要是 $ 開頭,就表示在 GNU/Linux 的終端機裡面輸入的指令,比方說 $ sudo apt-get update,就表示要輸入 sudo apt-get update

預先準備動作

  • 安裝 GNU/Linux,建議安裝 Lubuntu 15.10 (64-bit)
    • 注意: 不要透過虛擬機器,而是用多重開機直接裝在實體機器的硬碟中,記得先切割好硬碟
  • 安裝相關開發工具

    $ sudo apt-get update
    $ sudo apt-get install build-essential
    $ sudo apt-get install linux-tools-common linux-tools-generic
    $ sudo apt-get install astyle colordiff gnuplot
  • 關於 GNU/Linux 指令,請參閱 鳥哥的 Linux 私房菜
    • 本系列課程全程使用 GNU/Linux,全世界有十幾億台裝置內建 Linux 系統,學習 Linux 是相當划算的投資!
  • 熟悉 Git 和 GitHub 操作

Linux 效能分析工具: Perf

  • Perf 全名是 Performance Event,是在 Linux 2.6.31 以後內建的系統效能分析工具,它隨著核心一併釋出。藉由 perf,應用程式可以利用 PMU (Performance Monitoring Unit), tracepoint 和核心內部的特殊計數器 (counter) 來進行統計,另外還能同時分析運行中的核心程式碼,從而更全面了解應用程式中的效能瓶頸
  • 詳細閱讀 Linux 效能分析工具: Perf 並在自己的 Linux 開發環境實驗

案例探討:電話簿搜尋

  • 詳細閱讀 案例分析: Phone Book,研究降低 cache miss 的方法
  • 雖然這是探討 cache miss 和效能議題,其實是帶著同學重新複習 C 語言和資料結構。以前大家只是「背誦心法」,從來就不會去理解個別資料結構對整體的衝擊。
  • 抓取和測試程式
    • 自 GitHub 取得作業程式碼 (基礎)

      $ git clone https://github.com/embedded2016/phonebook
      $ cd phonebook
    • 編譯

      $ make
    • 測試。當看到 [sudo] password for 字樣時,輸入自己的 Linux 使用帳號密碼

      $ make run
    • 參考輸出: (按下 Ctrl-C 可以離開畫面)

      size of entry : 136 bytes
      execution time of append() : 0.043859 sec
      execution time of findName() : 0.004776 sec
  • 透過 gnuplot 建立執行時間的圖表 (保持耐心等待,中間過程不要切換視窗)

    $ make plot
    • 正確執行後,目錄裡頭會有個名為 runtime.png,可用 eog runtime.png 命令來觀看

善用 gnuplot 來製圖

  • 從今天起忘記 Microsoft Excel,因為 gnuplot 可以給你更專業的圖表,而且能夠批次產生
  • 先啟動 gnuplot:

    $ gnuplot
  • gnuplot 啟動後,需要做一些必要設定,例如設定圖片名稱,XY軸的資訊等等:

    > set title 'my plot'           @設定圖片名稱
    > set xlabel 'x axis'           @設定XY軸座標名稱
    > set ylabel 'y axis'
    > set terminal png              @設定輸出格式為 .png
    > set output 'output_plot.png'  @設定輸出檔名
    > plot [1:10][0:1] sin(x)       @畫出 sin(x) 函式,x軸座標範圍1 ~ 10, y軸座標範圍0 ~ 1
  • 可以將這些設定另外存成一個檔案,作為 gnuplot 的腳本。假設上述指令存在一個名為 plot 的檔案裡面,以後只要輸入 gnuplot plot 即可畫出我們想要的圖表。
  • 參考圖表:

使用 astyle + Git 實做自動程式碼排版檢查

  • 使用一致的 coding style 很重要,我們可透過 astyle 這個工具來協助。調整作業程式要求的風格為以下:

    $ astyle --style=kr --indent=spaces=4 --indent-switches --suffix=none *.[ch]
    • 你可以想像 Apple 和 Google 的工程師隨便安置程式碼,然後不用管合作的議題嗎?
    • 即便一個人寫作業,其實是三人的參與:過去的你、現在的你,以及未來的你
  • 安裝 Git pre-commit hook 可在每次 git commit 時,檢查 C/C++ 原始程式碼的風格是否一致:

    $ ln -sf ../../scripts/pre-commit.hook .git/hooks/pre-commit
    • 我們介紹 Git hooks 是為了日後銜接 Continuous integration (CI),專業程式設計必備的準備工作
    • 任何人都可以寫出機器看得懂的程式碼 (在檔案總管裡面對 EXE 檔複製貼上即可),但我們之所以到資訊工程系接受訓練,為了寫出人看得懂、可持續維護和改進的程式
  • 下圖展示 Git pre-commit hook 偵測到開發者的修改並未遵守一致的 coding style,主動回報並提醒開發者:

作業要求

  • 在 GitHub 上 fork phonebook,然後適度修改 phonebook_opt.cphonebook_opt.h 兩個檔案,使得這兩者執行時期的 cache miss 降低。請用 perf 驗證,而且改進的過程中,不能有功能方面的減損。
    • phonebook_orig.[ch] 不需要修改,我們關注的是 phonebook_opt.[ch],當然要修改 main.c 也是允許的
    • findName() 的時間必須原本的時間更短
    • append() 的時間可以比原始版本稍久,但不應該增加太多
    • main.c 應該只有一份,不要建立新的 main(),善用 Makefile 定義對應的 CFLAGS
    • 在執行程式(phonebook_origphonebook_opt) 前,先清空 cache:

      $ echo 1 | sudo tee /proc/sys/vm/drop_caches
  • 除了修改程式,也要編輯 Hackpad 下方「作業區」,增添開發紀錄和 GitHub 連結
    • 至少要列出效能分析,以及充份說明你如何改善效能
  • 更新 Hackpad 後,還要寄信通知授課教師和助教
    • 寄件到
    • 標題: “[NCKU/embedded]” 開頭,後面加學號與姓名 ([NCKU/embedded], 學號, 姓名之間要有空白)
    • 內容:(回答以下問題)
      • GitHub 帳號, wiki 帳號 (註冊本站)
      • 關於 fork 出來的 repository 修改描述
      • 附上一份自我介紹和對課程的期許
  • 務必使用 astyle 來對程式碼進行排版,詳細使用方式見 README.md
  • 可能的效能改進方向:
    • 改寫 struct __PHONE_BOOK_ENTRY 的成員,搬動到新的結構中
    • 使用 hash function 來加速查詢
    • 既然 first name, last name, address 都是合法的英文 (可假設成立),使用字串壓縮的演算法,降低資料表示的成本
    • 使用 binary search tree 改寫演算法
  • 截止日期:
    • Mar 6, 2016 (含) 之前
    • 越早在 GitHub 上有動態、越早接受 code review,評分越高

挑戰題

  • 除了降低 findName() 的 cache miss 與執行成本,append() 也該想辦法縮減時間
    • 建立 phone book 時,既然 lastName 是索引值,可以優先建立搜尋表格,其他資料可稍後再補上
    • 用 PThread 建立 manager/worker thread model
  • 支援 fuzzy search,允許搜尋 lastName 時,不用精準打出正確的寫法
  • 改善電話簿的效能分析,透過大量的重複執行,找出 95% 信賴區間,而且允許動態新增資料 (較符合現實) 和查詢
  • gnuplot 繪製效能分析圖表

參考資料