Igor Zhirkov. Novatec

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1 Igor Zhirkov Novatec

2 Original English language edition published by Manning Publications Co, Copyright 2017 by Manning Publications. Portuguese-language edition for Brazil copyright 2018 by Novatec Editora. All rights reserved. Edição original em inglês publicada pela Manning Publications Co, Copyright 2017 pela Manning Publications. Edição em português para o Brasil copyright 2018 pela Novatec Editora. Todos os direitos reservados. Copyright 2018 da Novatec Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei de 19/02/1998. É proibida a reprodução desta obra, mesmo parcial, por qualquer processo, sem prévia autorização, por escrito, do autor e da Editora. Editor: Rubens PratesLIS Tradução: Lúcia A. Kinoshita Revisão gramatical: Tássia Carvalho Editoração eletrônica: Carolina Kuwabata ISBN: Histórico de impressões: Abril/2018 Primeira edição Novatec Editora Ltda. Rua Luís Antônio dos Santos São Paulo, SP Brasil Tel.: novatec@novatec.com.br Site: Twitter: twitter.com/novateceditora Facebook: facebook.com/novatec LinkedIn: linkedin.com/in/novatec LIS

3 Sumário Sobre o autor...15 Sobre o revisor técnico...16 Agradecimentos...17 Introdução...19 Parte I Linguagem Assembly e arquitetura de computadores Capítulo 1 Básico sobre arquitetura de computadores Arquitetura do núcleo Modelo de computação Arquitetura de von Neumann Evolução Desvantagens da arquitetura de von Neumann Arquitetura Intel Extensões da arquitetura Registradores Registradores de propósito geral Outros registradores Registradores de sistema Anéis de proteção Pilha de hardware Resumo Capítulo 2 Linguagem Assembly Configurando o ambiente Trabalhando com os códigos de exemplo Escrevendo Hello, world Entrada e saída básicas Estrutura do programa

4 6 Programação em Baixo Nível Instruções básicas Exemplo: exibindo o conteúdo de registradores Rótulos locais Endereçamento relativo Ordem de execução Chamadas de função Trabalhando com dados Endianness Strings Pré-processamento de constantes Ponteiros e diferentes tipos de endereçamento Exemplo: calculando o tamanho de uma string Exercício: biblioteca de entrada/saída Autoavaliação Resumo Capítulo 3 Legado Modo real Modo protegido Segmentação mínima em modo longo Acessando partes de registradores Um comportamento inesperado CISC e RISC Explicação Resumo...85 Capítulo 4 Memória virtual Caching Motivação Espaços de endereçamento Recursos Exemplo: acessando um endereço proibido Eficiência Implementação Estrutura dos endereços virtuais Tradução de endereços em detalhes Tamanhos de página Mapeamento de memória Exemplo: mapeando um arquivo na memória Nomes mnemônicos para constantes Exemplo completo Resumo

5 Sumário 7 Capítulo 5 Pipeline de compilação Pré-processador Substituições simples Substituições com argumentos Substituição condicional simples Condicionais sobre a definição Condicionais sobre a identidade de textos Condicionais sobre o tipo de argumento Ordem de avaliação: define, xdefine, assign Repetição Exemplo: calculando números primos Rótulos em macros Conclusão Tradução Ligação ELF (Executable and Linkable Format) Arquivos-objeto relocáveis Arquivos-objeto executáveis Bibliotecas dinâmicas Loader Exercício: dicionário Resumo Capítulo 6 Interrupções e chamadas de sistema Entrada e saída O registrador TR e o Task State Segment Interrupções Chamadas de sistema Registradores específicos de modelo syscall e sysret Resumo Capítulo 7 Modelos de computação Máquinas de estado finitas Definição Exemplo: paridade de bits Implementação em linguagem Assembly Importância prática Expressões regulares Máquina de Forth Arquitetura Trace de um exemplo de programa em Forth

6 8 Programação em Baixo Nível Dicionário Como as palavras são implementadas Compilador Exercício: compilador e interpretador de Forth Dicionário estático e interpretador Compilação Forth com bootstrap Resumo Parte II A linguagem de programação C Capítulo 8 Básico da linguagem C Introdução Estrutura do programa Tipos de dados Controle de fluxo if while for goto switch Exemplo: divisor Exemplo: é um número de Fibonacci? Instruções e expressões Tipos de instrução Construindo expressões Funções Pré-processador Resumo Capítulo 9 Sistema de tipos Sistema básico de tipos em C Tipos numéricos Casting de tipo Tipo booleano Conversões implícitas Ponteiros Arrays Arrays como argumentos de função Inicializadores designados em arrays Aliases de tipo Revendo a função main...228

7 Sumário Operador sizeof Tipos const Strings Tipos função Escrevendo um bom código Exercício: produto escalar Exercício: verificador de número primo Tipos com tags Estruturas Uniões Estruturas e uniões anônimas Enumerações Tipos de dados nas linguagens de programação Espécies de tipagem Polimorfismo Polimorfismo in C Polimorfismo paramétrico Inclusão Sobrecarga Coerções Resumo Capítulo 10 Estrutura do código Declarações e definições Declarações de função Declarações de estrutura Acessando código a partir de outros arquivos Funções de outros arquivos Dados em outros arquivos Arquivos de cabeçalho A biblioteca-padrão Pré-processador Guarda de inclusão Por que o pré-processador é maléfico? Exemplo: soma de um array dinâmico Uma espiada na alocação dinâmica de memória Exemplo Exercício: lista ligada Exercício Palavra reservada static Ligação Resumo...288

8 10 Programação em Baixo Nível Capítulo 11 Memória Revendo os ponteiros Por que precisamos de ponteiros? Aritmética de ponteiros Tipo void* NULL Uma palavrinha sobre ptrdiff_t Ponteiros de função Modelo de memória Alocação de memória Arrays e ponteiros Detalhes da sintaxe Strings literais String Interning Modelos de dados Streams de dados Exercício: funções de alta ordem e listas Funções de alta ordem comuns Exercício Resumo Capítulo 12 Sintaxe, semântica e pragmática O que é uma linguagem de programação? Sintaxe e gramáticas formais Exemplo: números naturais Exemplo: aritmética simples Descida recursiva Exemplo: aritmética com prioridades Exemplo: linguagem imperativa simples Hierarquia de Chomsky Árvore de sintaxe abstrata Análise lexical Resumo sobre o parsing Semântica Comportamento indefinido Comportamento não especificado Comportamento definido pela implementação Pontos de sequência Pragmática Alinhamento Preenchimento de estruturas de dados Alinhamento no C Resumo

9 Sumário 11 Capítulo 13 Boas práticas de programação Fazendo escolhas Elementos do código Nomenclatura em geral Estrutura de arquivos Tipos Variáveis Sobre variáveis globais Funções Arquivos e documentação Encapsulamento Imutabilidade Asserções Tratamento de erros Sobre a alocação de memória Sobre a flexibilidade Exercício: rotação de imagem Formato de arquivo BMP Arquitetura Exercício: alocador de memória personalizado Resumo Parte III Entre o C e o Assembly Capítulo 14 Detalhes sobre a tradução Sequência de chamadas de função Registradores XMM Convenção de chamadas Exemplo: uma função simples e sua pilha Zona vermelha Número variável de argumentos vprintf e seus companheiros volatile Alocação de memória em modo preguiçoso Código gerado Jumps não locais setjmp volatile e setjmp inline restrict Aliasing rigoroso Problemas de segurança Stack buffer overrun (transbordamento de buffer na pilha)

10 12 Programação em Baixo Nível return-to-libc Vulnerabilidades de formatação de saída Mecanismos de proteção Cookie de segurança Address Space Layout Randomization (Randomização do Layout do Espaço de Endereçamento) DEP Resumo Capítulo 15 Objetos compartilhados e modelos de código Carga dinâmica Relocações e PIC Exemplo: biblioteca dinâmica em C GOT e PLT Acessando variáveis externas Chamando funções externas Exemplo de PLT Pré-carga Resumo sobre o endereçamento de símbolos Exemplos Chamando uma função Sobre vários linkers dinâmicos Acessando uma variável externa Exemplo completo em Assembly Misturando C e Assembly Quais objetos são ligados? Otimizações Modelos de código Modelo de código pequeno (sem PIC) Modelo de código grande (sem PIC) Modelo de código médio (sem PIC) Modelo de código pequeno com PIC Modelo de código grande com PIC Modelo de código médio com PIC Resumo Capítulo 16 Desempenho Otimizações Mito sobre linguagens rápidas Conselhos gerais Omitindo o ponteiro do stack frame Recursão de cauda Eliminação de subexpressões comuns...463

11 Sumário Propagação de constantes Otimização de valores de retorno (nomeados) Influência da previsão de desvio Influência das unidades de execução Agrupando leituras e escritas no código Caching Como usar o cache de modo eficaz? Prefetching Exemplo: busca binária com prefetching Ignorando o cache Exemplo: inicialização de matriz Classe de instruções SIMD Extensões SSE e AVX Exercício: filtro sépia Resumo Capítulo 17 Multithreading Processos e threads O que deixa o multithreading complicado? Ordem de execução Modelos de memória fortes e fracos Exemplo de reordenação O que é e o que não é volátil Barreiras de memória Introdução à pthreads Quando usar multithreading Criando threads Gerenciando threads Exemplo: fatoração distribuída Mutexes Deadlocks Livelocks Variáveis de condição Spinlocks Semáforos Quão robusto é o Intel 64? O que é uma programação sem lock? Modelo de memória do C Visão geral Atômicos Ordenações de memória no C Operações Resumo...546

12 14 Programação em Baixo Nível Apêndice A Usando o gdb Apêndice B Usando o Make Apêndice C Chamadas de sistema Apêndice D Informações sobre testes de desempenho Bibliografia