Cours de programmation système

Leçon 1 • Chaîne d'outils et environnement de construction

Configure les compilateurs, les éditeurs de liens, les assembleurs et les débogueurs utilisés tout au long du cours. Garantit que chaque étudiant peut compiler, lier et inspecter des binaires dès le premier jour.

Leçon 2 • Abstractions du système d'exploitation

Présente l'espace noyau par rapport à l'espace utilisateur, les appels système et la gestion des ressources du système d'exploitation. Relie les concepts matériels aux interfaces logicielles que les programmeurs utilisent quotidiennement.

Leçon 3 • Disposition de la mémoire des processus

Examine les segments de pile, de tas, BSS, de données et de texte dans un processus en cours d'exécution. Fournit le modèle spatial nécessaire pour l'arithmétique des pointeurs et la gestion de la mémoire.

Leçon 4 • Essentiels de l'architecture informatique

Couvre les registres du CPU, les cycles d'instructions et la hiérarchie mémoire. Établit le vocabulaire matériel nécessaire pour tous les sujets ultérieurs sur les systèmes.

Leçon 1 • Types de données et représentation en mémoire

Couvre les largeurs d'entiers, l'endianness, l'alignement et le remplissage dans les structures. Ancre les étudiants dans la façon dont les types C se traduisent en octets réels en mémoire.

Leçon 2 • Gestion des erreurs et codage défensif

Présente errno, les conventions de valeur de retour et les stratégies d'assertion en C. Développe des habitudes qui empêchent les défaillances silencieuses dans le code système de production.

Leçon 3 • Préprocesseur C et macros

Explique les gardes d'inclusion, les macros de type objet et de type fonction, et la compilation conditionnelle. Permet aux étudiants d'écrire des en-têtes système portables et configurables.

Leçon 4 • Gestion manuelle de la mémoire

Couvre malloc, calloc, realloc et free, ainsi que les erreurs d'allocation courantes. Les étudiants apprennent à détecter les fuites et à utiliser des outils de type valgrind pour la vérification.

Leçon 1 • Assembleur inline en C

Enseigne la syntaxe d'assembleur inline étendu de GCC, les contraintes et les listes de registres endommagés. Permet un accès direct au matériel depuis C sans fichier assembleur séparé.

Leçon 2 • Jeu d'instructions de base

Couvre les instructions de déplacement de données, arithmétiques, logiques et de contrôle de flux. Donne aux étudiants suffisamment de vocabulaire pour lire la sortie du compilateur et écrire de petites routines.

Leçon 3 • Jeu de registres et conventions d'appel x86-64

Mappe les registres généraux, de segment et SIMD à leurs rôles. Établit le contrat ABI que le code C et assembleur doit respecter lors de l'interopérabilité.

Leçon 4 • Analyse binaire avec désassembleurs

Utilise objdump et des outils similaires pour inspecter les binaires compilés et les bibliothèques partagées. Relie la compréhension au niveau du code source au code machine réel dans les artefacts de production.

Leçon 1 • Signaux et événements asynchrones

Explique la délivrance des signaux, le masquage et l'enregistrement de gestionnaires avec sigaction. Prépare les étudiants à écrire du code compatible avec les signaux et à gérer les notifications asynchrones du système d'exploitation.

Leçon 2 • Création et cycle de vie des processus

Couvre les sémantiques de fork, exec, wait et exit dans les environnements POSIX. Les étudiants comprennent comment le système d'exploitation suit l'état d'un processus de la création à la terminaison.

Leçon 3 • Fondamentaux des threads POSIX

Présente la création, la jonction et le détachement de pthread ainsi que les attributs de thread. Établit le modèle de threading utilisé dans tous les sujets de concurrence suivants.

Leçon 4 • Primitives de synchronisation

Couvre les mutex, les variables conditionnelles, les sémaphores et les verrous de lecture-écriture. Les étudiants appliquent chaque primitive pour éliminer les conditions de course dans les programmes à mémoire partagée.

Leçon 1 • Profilage mémoire et détection de fuites

Applique Valgrind Memcheck, AddressSanitizer et les cartes /proc pour trouver les fuites et la corruption. Les étudiants produisent des profils mémoire propres pour un code de qualité production.

Leçon 2 • Architecture de la mémoire virtuelle

Explique les tables de pages, le fonctionnement du TLB et le matériel de traduction d'adresses. Fournit la base pour comprendre mmap, les pages géantes et les effets NUMA.

Leçon 3 • Pages géantes et sensibilisation NUMA

Présente les pages géantes transparentes, l'allocation explicite de pages géantes et la topologie NUMA. Les étudiants ajustent le placement de la mémoire pour les charges de travail système sensibles à la latence.

Leçon 4 • Conception d'allocateur mémoire personnalisé

Construit un allocateur de type slab en utilisant sbrk et mmap comme magasins de support. Renforce la compréhension de la fragmentation, du coalescement et des métadonnées d'allocateur.

Leçon 1 • E/S avancées : dispersion-rassemblement et asynchrone

Présente readv/writev, io_uring et epoll pour les E/S haute performance. Permet aux étudiants de construire des serveurs pilotés par événements avec une surcharge minimale d'appels système.

Leçon 2 • Réglage des performances de stockage

Applique fio, iostat et blktrace pour mesurer et améliorer le débit et la latence des E/S. Les étudiants identifient les goulots d'étranglement dans la pile de stockage, de l'application au périphérique.

Leçon 3 • E/S tamponnées vs. non tamponnées

Contraste le tamponnage stdio avec les E/S par appel système direct et explique quand chacun est approprié. Les étudiants mesurent l'impact sur les performances des stratégies de tamponnage sur le débit.

Leçon 4 • API d'E/S de fichiers POSIX

Couvre open, read, write, lseek et close avec tous les drapeaux et modes pertinents. Établit le modèle de descripteur de fichier comme abstraction d'E/S universelle dans POSIX.

Leçon 1 • Développement de module noyau

Couvre l'initialisation/la sortie du module, le système Kbuild et les exigences de style de codage du noyau. Les étudiants compilent, chargent et déchargent un module noyau minimal en toute sécurité.

Leçon 2 • Mémoire du noyau et DMA

Explique kmalloc, vmalloc et l'allocation cohérente DMA pour une utilisation par les pilotes. Les étudiants choisissent l'API d'allocation correcte en fonction de la taille, de l'alignement et des exigences DMA.

Leçon 3 • Bases du pilote de périphérique à caractères

Implémente les callbacks file_operations : open, release, read, write et ioctl. Les étudiants exposent une source de données du noyau à l'espace utilisateur via un fichier de périphérique.

Leçon 4 • Mécanismes internes des appels système

Trace un appel système de l'espace utilisateur à travers la table des appels système jusqu'au gestionnaire du noyau. Les étudiants comprennent la commutation de contexte, le passage d'arguments et les chemins de retour.

Leçon 1 • Techniques d'optimisation du cache

Applique la disposition des structures de données, le préchargement et le tuilage de boucles pour améliorer l'utilisation du cache. Les étudiants mesurent les taux d'échec de cache avant et après chaque transformation.

Leçon 2 • Méthodologie de test de performance

Couvre la conception de microbenchmarks, l'analyse statistique et l'évitement des pièges courants. Les étudiants produisent des résultats de test de performance reproductibles qui résistent à l'examen par les pairs.

Leçon 3 • Optimisation du compilateur et optimisation au moment de l'édition de liens

Explore les niveaux -O, PGO, LTO et les drapeaux d'auto-vectorisation. Les étudiants vérifient que les transformations du compilateur produisent des binaires corrects et plus rapides.

Leçon 4 • Contention de verrou et extensibilité

Mesure la contention de verrou avec perf lock et applique des techniques sans verrouillage lorsque c'est approprié. Les étudiants reconçoivent la synchronisation pour passer à l'échelle sur de nombreux cœurs de CPU.