完成L08的课堂笔记，等待读书笔记进行补充。

.vscode/settings.json

@@ -1,9 +1,11 @@
 {
     "cSpell.words": [
         "alloca",
+        "leaq",
         "movslq",
         "movsxd",
         "pcount",
-        "startproc"
+        "startproc",
+        "stdint"
     ]
 }

CSAPP/L08 Data.md

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 ## 目录
 
-- Arrays 数组
-- Structures 结构体
-- Floating Point 浮点数
+- [Arrays 数组](#arrays-数组)
+  - [Array Access in C C语言中的数组访问](#array-access-in-c-c语言中的数组访问)
+  - [Multidimensional Arrays 多维数组](#multidimensional-arrays-多维数组)
+- [Structures 结构体](#structures-结构体)
+  - [Explanation 解释](#explanation-解释)
+  - [Memory Alignment 内存对齐](#memory-alignment-内存对齐)
+- [Floating Point 浮点数](#floating-point-浮点数)
+  - [Floating Point Processor 浮点处理器](#floating-point-processor-浮点处理器)
+  - [Usage in functions 函数中的使用](#usage-in-functions-函数中的使用)
 
 ## Arrays 数组
 
@@ -54,3 +60,220 @@ get_num:   # 这是Debug配置下的编译结果，因此略显冗长
 
 ### Multidimensional Arrays 多维数组
 
+#### C语言的指针与数组：
+
+```C
+    int A1[3];  //是一个整数数组，大小为3
+    int *A2[3]; //是一个指针数组，大小为3，每个元素都是一个指向整数的指针
+    int (*A3)[3]; //是一个指针，指向一个大小为3的整数数组的第一个元素
+```
+
+概念如图所示:
+
+![指针与数组概念辨析 内存图示](/CSAPP/images/L08%20Array%20&%20Pointer%201.png)
+![指针与数组概念辨析 图例](/CSAPP/images/L08%20Array%20&%20Pointer%202.png)
+
+#### 内存中的二维数组
+
+二维数组在内存中是以行优先的方式存储的，即先存储第一行的所有元素，再存储第二行的所有元素，以此类推。
+
+```C
+    int pgh[4][5] =
+    { 
+        {1, 5, 2, 0, 6 },
+        {1, 5, 2, 1, 3 },
+        {1, 5, 2, 1, 7 },
+        {1, 5, 2, 2, 1 }
+    };
+```
+
+这个数组在内存中存储的顺序如图:
+![二维数组在内存中的存储顺序](/CSAPP/images/L08%20Multi%20Demonsion%20Array%20Memory.png)
+
+也可以以这样的方式理解那个二维数组:  
+
+```C
+/* 定义一个类型别名 five_int_arr，表示一个包含5个整数的数组 */
+typedef int five_int_arr[5];
+
+five_int_arr pgh[4] = 
+{ 
+    {1, 5, 2, 0, 6 },
+    {1, 5, 2, 1, 3 },
+    {1, 5, 2, 1, 7 },
+    {1, 5, 2, 2, 1 }
+};
+```
+
+从图里我们可以看到，对二维数组来说，假设一个二维数组是```T array[R][C]```，其中T是元素类型，R是行数，C是列数，那么：
+
+- ```array[i]```是一个类型为```T[C]```的一维数组，包含C个元素
+  - 起始地址为 ```array + i * C * sizeof(T)```
+- ```array[i][j]```是一个类型为T的元素
+  - 地址为 ```array + (i * C + j) * sizeof(T)```
+
+#### 访问二维数组的方式
+
+你可能想到了: 没错，```lea```机器指令可以被用到。
+
+```C
+#define PCOUNT 4
+typedef int int_arr[5];
+
+    int get_num_from_2d_arr(int_arr arr[PCOUNT], int row, int col) {
+        return arr[row][col];
+    }
+```
+
+```asm
+get_num_from_2d_arr:        # assume: arr -> %rdi, row -> %esi, col -> %edx
+    movslq  %esi, %rsi      # 将row转换为64位
+    leaq    (%rsi,%rsi,4), %rax     # %rax = %rsi + %rsi * 4
+    leaq    (%rdi,%rax,4), %rax     # %rax = %rdi + %rax * 4，得到arr[row]的地址
+    movslq  %edx, %rdx      # 将col转换为64位
+    movl    (%rax,%rdx,4), %eax     # 从%rax + %rdx * 4加载元素到eax
+    ret
+```
+
+#### 假装是二维数组的指针数组
+
+还有一种情况，一维数组存储指向一维数组的指针。
+
+```C
+    int_arr mit = {0, 2, 1, 3, 9};
+    int_arr cmu = {1, 5, 2, 1, 3};
+    int_arr ucb = {9, 4, 7, 2, 0};
+    
+    int_arr *arr[3] = {&mit, &cmu, &ucb};
+```
+
+它也可以用get_num_from_2d_arr C语言函数来获取对应位置的数据，但**在内存中的情况完全不同**。它的内存布局长这样:
+![存有指向一维数组的指针的一维数组的内存布局](/CSAPP/images/L08%20Array%20Pointer%20Array%20Memory.png)
+
+## Structures 结构体
+
+### Explanation 解释
+
+结构体的内存就是简单的把东西接在一起，考虑内存对齐即可。
+
+```C
+#include <stdint.h>
+struct structExample
+{
+    uint32_t a[3];
+    uint16_t shortInt;
+    uint64_t next;
+};
+```
+
+![结构体的内存布局](/CSAPP/images/L08%20Struct%20Example%20Memory%20Layout.png)
+
+因此，对结构体的访问也很简单。编译器直接“按图索骥”，根据定义找到对应的偏移量就行了。
+
+```C
+uint16_t get_short_int(struct structExample *e) {
+    return e->shortInt;
+}
+```
+
+```asm
+get_short_int:
+    movzwl  12(%rdi), %eax  # 从结构体e的地址(%rdi) + 12字节处加载shortInt到%eax
+    ret
+```
+
+### Memory Alignment 内存对齐
+
+#### 解释
+
+出于硬件原因[^Memory-Alignment-Hardware-Reason]，结构体中的成员在内存中的位置需要按照特定的边界进行对齐。这意味着编译器可能会在成员之间插入填充字节，以确保每个成员都位于正确的内存地址上。
+
+[^Memory-Alignment-Hardware-Reason]: 内存对齐是为了提高访问效率。现在的机器一次从内存中读取大约64字节。如果数据没有对齐，可能需操作系统或者硬件的额外处理，导致效率降低。
+
+- 编译器会找到最大的成员的大小，并将结构体的总大小调整为该大小的倍数。内存对齐也会按照该大小进行。
+
+例如，在上图的例子中，你可以看到uint64_t next成员是最大的，占用8字节，因此结构体的总大小被调整为24字节（8的倍数）。编译器在shortInt成员之后插入了2字节的填充，以确保next成员从一个8字节边界开始。
+
+#### 优化布局
+
+由于编译器有时不会自动优化结构体内存布局，因此在定义结构体时，**合理安排成员的顺序**可以减少填充字节的数量，从而节省内存空间。例如如下结构体:
+
+```C
+struct badStruct
+{
+    uint8_t a;
+    uint64_t b;
+    uint16_t c;
+    uint32_t d;
+};
+```
+
+![badStruct的内存布局](/CSAPP/images/L08%20Bad%20Struct%20Memory%20Layout.png)
+它足足空出来了8个字节的空间没有使用！这使得它的总大小达到了24字节。
+
+如果我们稍稍改动一下排布顺序......
+
+```C
+struct goodStruct
+{
+    uint64_t b;
+    uint32_t d;
+    uint16_t c;
+    uint8_t a;
+};
+```
+
+![goodStruct的内存布局](/CSAPP/images/L08%20Good%20Struct%20Memory%20Layout.png)
+这样子，我们只需要1个字节的填充。结构体的总大小也因此减少到了16字节。
+
+通常来说，将结构体成员按照**从大到小**的顺序排列，可以最大程度地减少填充字节的数量。
+
+## Floating Point 浮点数
+
+### Floating Point Processor 浮点处理器
+
+浮点数的运算使用一组完全不同的寄存器与指令集。在现代的CPU上，大多数使用AVX指令集处理浮点数。它使用16个256位的寄存器，分别为```YMM0```到```YMM15```，可以同时处理多个浮点数。
+
+- 如果只是简单的浮点数运算，CPU可能仅使用SSE指令集和128位的```XMM```寄存器。要真正利用 AVX 的高带宽，需要编写一次性将四个双精度浮点数相加的代码。
+- ```XMM``` 寄存器实际上只是 ```YMM``` 寄存器的低半部分 。如果你写入 ```XMM0``` ，从技术上讲，你实际上是在操作 ```YMM0``` 的前 128 位。
+
+```C
+float add_floats(float a, float b) {
+    return a + b;
+}
+```
+
+```asm
+add_doubles:
+    addsd   %xmm1, %xmm0
+    ret
+```
+
+可以在[英特尔内部组件指南](https://www.intel.com/content/www/us/en/docs/intrinsics-guide/index.html)找到所有的AVX2指令和它们的功能描述。对于浮点数运算，常见的指令包括:
+
+- ```addss```：对两个寄存器内的第一个单精度浮点数进行加法运算
+- ```addps```：对两个寄存器内的所有单精度浮点数进行加法运算
+
+它们的图解如下图所示：
+![addss和addps指令的图解](/CSAPP/images/L08%20ADDSS%20&%20ADDPS%20Diagram%20.png)
+*这里使用了SSE的128位寄存器来演示addss和addps指令的功能。对于AVX的256位寄存器，addss和addps指令的功能是一样的，只不过它们可以同时处理更多的浮点数。*
+
+- ```addsd```：对两个寄存器内的第一个双精度浮点数进行加法运算
+- ```addpd```：对两个寄存器内的所有双精度浮点数进行加法运算
+
+![addsd指令的图解](/CSAPP/images/L08%20ADDSD%20Diagram.png)
+有了前面```addss```和```addps```的图解，```addsd```就不难理解了。它们的区别在于处理的数据类型不同，```addss```和```addps```处理单精度浮点数，而```addsd```和```addpd```处理双精度浮点数。
+
+与此类似，```addpd```指令可以同时处理两个寄存器内的所有双精度浮点数进行加法运算。对于AVX的256位寄存器，```addpd```可以同时处理四个双精度浮点数进行加法运算。
+
+理解了这里之后，AVX指令集的拓展也不难理解。它的进步之一是引入了```vaddss```这种指令。它允许第三个寄存器作为目标，将运算结果存储在那个寄存器，而不是覆盖其中一个源寄存器，例如```VADDPS YMM2, YMM1, YMM0```。
+
+### Usage in functions 函数中的使用
+
+在函数中使用浮点数时，根据x86-64 **Linux** System V ABI约定：
+
+- 通过```YMM0```到```YMM7```寄存器传递前8个浮点数参数[^Windows-x64-ABI]
+- 返回值通过```YMM0```寄存器返回
+- 所有```YMM```寄存器的高128位都是易失性的，必须由**调用者**负责保存和恢复。[^Windows-x64-ABI]
+
+[^Windows-x64-ABI]: Windows x64 ABI与Linux System V ABI在寄存器使用约定上有一些不同。Windows x64 ABI仅使用```XMM0```到```XMM3```寄存器传递浮点数参数；且要求被调用者保存```XMM6```到```XMM15```寄存器，而```XMM0```到```XMM5```与Linux相同。所有```YMM```寄存器也与Linux相同，由调用者负责保存和恢复。