Corso per programmatore di sistema

Lezione 1 • Toolchain e ambiente di compilazione

Configura compilatori, linker, assemblatori e debugger utilizzati durante il corso. Garantisce che ogni studente possa compilare, linkare e ispezionare file binari fin dal primo giorno.

Lezione 2 • Astrazioni del sistema operativo

Introduce lo spazio kernel vs. spazio utente, le chiamate di sistema e la gestione delle risorse del sistema operativo. Collega i concetti hardware alle interfacce software che i programmatori utilizzano quotidianamente.

Lezione 3 • Layout della memoria di processo

Esamina i segmenti stack, heap, BSS, dati e testo in un processo in esecuzione. Fornisce il modello spaziale necessario per l'aritmetica dei puntatori e la gestione della memoria.

Lezione 4 • Elementi essenziali di architettura dei calcolatori

Tratta i registri della CPU, i cicli di istruzione e la gerarchia di memoria. Stabilisce il vocabolario hardware necessario per ogni argomento di sistema successivo.

Lezione 1 • Tipi di dato e rappresentazione in memoria

Tratta la larghezza degli interi, l'endianness, l'allineamento e il padding nelle struct. Fornisce agli studenti le basi su come i tipi C si mappano sui byte effettivi in memoria.

Lezione 2 • Gestione degli errori e codifica difensiva

Introduce errno, le convenzioni sui codici di ritorno e le strategie di asserzione in C. Costruisce abitudini che prevengono fallimenti silenziosi nel codice di sistema in produzione.

Lezione 3 • Preprocessore C e macro

Spiega le guardie di inclusione, le macro object-like e function-like e la compilazione condizionale. Consente agli studenti di scrivere header di sistema portabili e configurabili.

Lezione 4 • Gestione manuale della memoria

Tratta malloc, calloc, realloc e free, oltre agli errori di allocazione comuni. Gli studenti imparano a rilevare perdite di memoria e a usare strumenti in stile valgrind per la verifica.

Lezione 1 • Assembly inline in C

Insegna la sintassi assembly inline estesa di GCC, i vincoli e le clobber list. Consente l'accesso diretto all'hardware da C senza un file assembly separato.

Lezione 2 • Set di istruzioni principale

Tratta le istruzioni di spostamento dati, aritmetiche, logiche e di controllo del flusso. Fornisce agli studenti un vocabolario sufficiente per leggere l'output del compilatore e scrivere piccole routine.

Lezione 3 • Set di registri x86-64 e convenzioni di chiamata

Associa i registri general-purpose, di segmento e SIMD ai loro ruoli. Stabilisce il contratto ABI che il codice C e assembly devono rispettare quando interagiscono.

Lezione 4 • Analisi binaria con disassemblatori

Utilizza objdump e strumenti simili per ispezionare file binari compilati e librerie condivise. Collega la comprensione a livello di codice sorgente al codice macchina effettivo negli artefatti di produzione.

Lezione 1 • Segnali ed eventi asincroni

Spiega l'invio dei segnali, il mascheramento e la registrazione degli handler con sigaction. Prepara gli studenti a scrivere codice safe per i segnali e a gestire le notifiche asincrone del sistema operativo.

Lezione 2 • Creazione e ciclo di vita dei processi

Tratta la semantica di fork, exec, wait ed exit in ambienti POSIX. Gli studenti comprendono come il sistema operativo traccia lo stato di un processo dalla creazione alla terminazione.

Lezione 3 • Fondamenti di thread POSIX

Introduce la creazione di pthread, il join e il detachment insieme agli attributi dei thread. Stabilisce il modello di threading utilizzato in tutti gli argomenti successivi sulla concorrenza.

Lezione 4 • Primitivi di sincronizzazione

Tratta mutex, variabili condizione, semafori e lock read-write. Gli studenti applicano ciascun primitivo per eliminare le corse critiche nei programmi a memoria condivisa.

Lezione 1 • Profilazione della memoria e rilevamento delle perdite

Applica Valgrind Memcheck, AddressSanitizer e /proc/maps per trovare perdite di memoria e corruzione. Gli studenti producono profili di memoria puliti per codice di grado production.

Lezione 2 • Architettura della memoria virtuale

Spiega le tabelle delle pagine, il funzionamento del TLB e l'hardware di traduzione degli indirizzi. Fornisce le basi per comprendere mmap, huge page ed effetti NUMA.

Lezione 3 • Huge page e consapevolezza NUMA

Introduce le huge page trasparenti, l'allocazione esplicita di huge page e la topologia NUMA. Gli studenti regolano il posizionamento della memoria per carichi di lavoro di sistema sensibili alla latenza.

Lezione 4 • Progettazione di allocatori di memoria personalizzati

Costruisce un allocatore in stile slab utilizzando sbrk e mmap come backing store. Rafforza la comprensione di frammentazione, coalescenza e metadati dell'allocatore.

Lezione 1 • I/O avanzato: Scatter-Gather e asincrono

Introduce readv/writev, io_uring ed epoll per I/O ad alte prestazioni. Consente agli studenti di costruire server guidati da eventi con un overhead minimo di chiamate di sistema.

Lezione 2 • Ottimizzazione delle prestazioni di storage

Applica fio, iostat e blktrace per misurare e migliorare il throughput e la latenza di I/O. Gli studenti identificano i colli di bottiglia nello stack di storage, dall'applicazione al dispositivo.

Lezione 3 • I/O bufferizzato vs. non bufferizzato

Contrappone il buffering stdio all'I/O diretto tramite chiamata di sistema e spiega quando ciascuno è appropriato. Gli studenti misurano l'impatto prestazionale delle strategie di buffering sul throughput.

Lezione 4 • API di I/O su file POSIX

Tratta open, read, write, lseek e close con tutti i flag e le modalità pertinenti. Stabilisce il modello dei descrittori di file come astrazione I/O universale in POSIX.

Lezione 1 • Sviluppo di moduli del kernel

Tratta le funzioni init/exit del modulo, il sistema Kbuild e i requisiti dello stile di codifica del kernel. Gli studenti compilano, caricano e scaricano un modulo kernel minimale in sicurezza.

Lezione 2 • Memoria del kernel e DMA

Spiega kmalloc, vmalloc e allocazione DMA-coherent per l'uso nei driver. Gli studenti scelgono l'API di allocazione corretta in base a dimensione, allineamento e requisiti DMA.

Lezione 3 • Basi del driver di dispositivo a caratteri

Implementa i callback delle file_operations: open, release, read, write e ioctl. Gli studenti espongono una sorgente dati del kernel allo spazio utente attraverso un file di dispositivo.

Lezione 4 • Interni delle chiamate di sistema

Traccia una chiamata di sistema dallo spazio utente attraverso la syscall table fino all'handler nel kernel. Gli studenti comprendono il cambio di contesto, il passaggio degli argomenti e i percorsi di ritorno.

Lezione 1 • Tecniche di ottimizzazione della cache

Applica il layout delle strutture dati, il prefetching e il loop tiling per migliorare l'utilizzo della cache. Gli studenti misurano i tassi di cache miss prima e dopo ogni trasformazione.

Lezione 2 • Metodologia di benchmarking

Tratta la progettazione di microbenchmark, l'analisi statistica e come evitare le insidie comuni. Gli studenti producono risultati di benchmark riproducibili che resistono alla revisione tra pari.

Lezione 3 • Ottimizzazioni del compilatore e Link-Time Optimization

Esplora i livelli -O, PGO, LTO e i flag di auto-vectorizzazione. Gli studenti verificano che le trasformazioni del compilatore producano binary corretti e più veloci.

Lezione 4 • Contesa sui lock e scalabilità

Misura la contesa sui lock con perf lock e applica tecniche lock-free ove appropriato. Gli studenti riprogettano la sincronizzazione per scalare su molti core della CPU.