好的，各位观众，欢迎来到今天的“编译器内部大冒险”！今天咱们不玩虚的，直接钻进编译器的心脏，看看它到底是怎么把我们辛辛苦苦写的 C++ 代码，变成机器能懂的二进制指令的。别害怕，虽然听起来很高深，但其实也挺有趣的，前提是咱们得找对路。 今天的主题是“C++ 编译器内部表示（IR）分析：LLVM IR / GCC RTL 的阅读与优化”。简单来说，就是研究编译器在翻译 C++ 代码的过程中，产生的中间语言（IR），以及如何利用这些中间语言来提升程序的性能。 第一站：为什么要有中间语言？ 想象一下，你要把中文小说翻译成法语，但你只会英语。怎么办？找个懂中文和英语的翻译，先把中文翻译成英语，然后再找个懂英语和法语的翻译，把英语翻译成法语。 编译器也是一样的道理。C++ 是一种高级语言，直接翻译成机器码太复杂了。所以编译器会先把它翻译成一种中间语言，这种语言比 C++ 更接近机器码，但又不像机器码那样难以理解。不同的编译器使用不同的中间语言。常见的有 LLVM IR 和 GCC RTL。 这样做的好处是： 解耦： 前端（C++ 编译器）只需要关心如何把 C++ 翻译成 IR，后端（代码生成器） …
C++ User-Space RCU (URCU)：用户态读写副本更新算法实现
好的，各位观众老爷，今天咱们来聊聊一个听起来高大上，但其实原理挺简单，用起来也挺方便的玩意儿：C++ User-Space RCU，也就是用户态的读写副本更新算法。 啥是RCU？别慌，先来个段子热热身 话说当年，程序猿小明写了一个多线程程序，里面有个全局变量，多个线程要读，偶尔还要写。小明心想，这简单，加个锁呗。结果程序跑起来，慢得像老牛拉破车。小明百思不得其解，直到他遇到了老王，老王语重心长地说：“小明啊，读多写少的场景，锁是你的敌人啊！试试RCU吧！” 故事告诉我们，读多写少的场景，锁的代价太高了。RCU就像一个精明的管家，它让读操作不用加锁，自由自在地读取数据，而写操作则创建一个副本，修改副本，然后悄悄地把旧数据换成新数据。这样一来，读操作就不会被写操作阻塞，程序跑起来就像飞一样。 RCU的基本原理：读写分离，版本切换 RCU的核心思想是： 读操作无需加锁： 读线程可以直接访问共享数据，没有任何锁的开销。 写操作创建副本： 写线程修改的是共享数据的副本，而不是原始数据。 优雅的切换： 写线程完成修改后，通过原子操作将指向共享数据的指针指向新的副本。 等待宽限期： 在切换完成后，写 …
C++ `posix_memalign` / `_aligned_malloc`：获取指定对齐的内存块
好的，各位观众，欢迎来到今天的“内存对齐那些事儿”特别节目！今天咱们不讲大道理，就聊聊C++里那些让你又爱又恨的内存对齐操作，特别是 posix_memalign 和 _aligned_malloc 这两位“对齐界”的大佬。 开场白：为什么要对齐？ 想象一下，你家住着一堆数据，有的数据是“大款”，需要豪华套房（比如double类型），有的数据是“平民”，只需要单间（比如char类型）。 如果你把这些数据随便塞到一个房间里，可能会出现以下问题： 性能下降： CPU访问内存的时候，喜欢按照特定的“步长”来走，比如4字节或者8字节。如果你的数据没有按照这个步长对齐，CPU可能需要多次访问内存才能取到完整的数据，这就浪费时间啦！ 移植性问题： 有些架构（比如某些嵌入式系统）强制要求某些数据必须对齐，否则直接崩溃给你看！ 原子性问题： 某些原子操作要求数据必须对齐，否则结果可能不正确。 所以，内存对齐，不仅仅是“好看”，更是“好用”！ 主角登场：posix_memalign 和 _aligned_malloc 这两位大佬，都是用来分配指定对齐方式的内存块的，但是出身不同，用法也有点小区别。 po …
C++ 自定义操作系统调度器：为特定应用优化线程调度
好的，各位程序猿、攻城狮，以及未来将要秃头的准工程师们，大家好！ 今天咱们来聊一个稍微有点硬核的话题：C++ 自定义操作系统调度器。啥？操作系统？别害怕，不是让你重写一个 Windows 或者 Linux，咱们的目标是：为特定应用，优化线程调度。简单来说，就是让你的程序跑得更快，更有效率。 想象一下，你开了一家餐厅，客人（线程）来了，服务员（调度器）决定先服务谁。默认的服务员可能就是操作系统自带的，它会按照一套通用的规则来服务，比如先来后到，或者轮流服务。但如果你知道有些客人是 VIP（高优先级线程），或者有些菜品需要立刻准备（实时性要求），你肯定会调整服务策略，对吧？ 这就是自定义调度器的意义：针对特定场景，制定更合理的调度策略，从而提升程序的性能。 1. 为什么需要自定义调度器？ 操作系统自带的调度器，通常采用通用的算法，如： 先来先服务 (FCFS): 简单粗暴，但容易让短任务等待时间过长。 短作业优先 (SJF): 理论上最优，但需要预知任务执行时间，实际很难实现。 优先级调度: 根据优先级决定执行顺序，但可能导致低优先级任务饿死。 轮转调度 (RR): 为每个任务分配时间片， …
C++ eBPF (Extended Berkeley Packet Filter)：在内核中运行安全程序
好的，各位技术同仁，大家好！今天咱们来聊聊一个有点酷炫，又有点神秘的技术——C++ eBPF，也就是在内核中运行安全程序。别害怕，听起来高大上，其实拆开来看，也没那么复杂。我会尽量用大白话，加上一些代码示例，让大家都能理解。 eBPF：内核世界的瑞士军刀 首先，eBPF到底是个啥玩意？你可以把它想象成一个在Linux内核里运行的“虚拟机”，但这个“虚拟机”非常安全，而且性能极高。它允许你在内核中插入一些小程序（用特定的方式编译），来观察、修改内核的行为，而无需修改内核源码，也不需要重启内核。 想象一下，以前你想了解网络流量，可能要用tcpdump抓包，或者写内核模块。tcpdump会影响性能，内核模块又太危险，一不小心就可能搞崩系统。有了eBPF，你就可以在内核里安全地、高效地做这些事情。 所以，eBPF就像一把瑞士军刀，网络监控、安全分析、性能分析、甚至是应用层的trace，它都能胜任。 为什么是C++？ eBPF本身是用一个类汇编的语言（BPF bytecode）编写的，但直接写bytecode太痛苦了。所以，通常我们会用高级语言（比如C、C++）来编写eBPF程序，然后用编译器把 …
C++ `perf_event_open`：利用 Linux perf 事件获取硬件性能计数器
好的，各位听众，欢迎来到今天的“C++ perf_event_open: 硬件性能计数器大揭秘”讲座！今天咱们不讲那些高深莫测的理论，就聊聊如何用C++来“窥探”Linux内核，看看你的CPU到底在干啥。 开场白：CPU，你到底在忙啥？ 各位有没有好奇过，你的程序跑起来，CPU到底在忙啥？是忙着加减乘除，还是忙着读写内存？或者是在拼命地处理分支预测错误？想知道这些，光靠GDB是不够的，我们需要更强大的武器——Linux perf events！ Linux perf events 是一个强大的性能分析工具，它可以让你访问CPU的各种硬件性能计数器，比如指令数、缓存命中率、分支预测错误等等。而perf_event_open 系统调用，就是打开这些“潘多拉魔盒”的钥匙。 第一部分：perf_event_open：打开性能之门 perf_event_open 是一个系统调用，它的作用是创建一个文件描述符，这个文件描述符代表一个性能计数器。通过读取这个文件描述符，你就可以获取计数器的值。 先来看看它的函数原型： #include <linux/perf_event.h> #incl …
C++ `ptrace`：进程跟踪与调试器的底层实现原理
好的，各位观众，欢迎来到今天的“C++ ptrace: 进程跟踪与调试器的底层实现原理”讲座。我是你们的老朋友，今天咱们不讲高深的理论，就聊聊这个听起来有点神秘，但其实很有意思的 ptrace。 开场白：ptrace是啥？为啥要学它？ 想象一下，你想偷偷观察你的程序在干什么，每一步都想知道，甚至想修改它的行为，怎么办？ 这时候 ptrace 就闪亮登场了！ ptrace 是一个强大的 Linux 系统调用，它允许一个进程（tracer）控制另一个进程（tracee）。简单来说，tracer 可以暂停 tracee 的执行，检查它的内存、寄存器，甚至修改它。这听起来是不是有点像电影里的黑客？ 为什么要学 ptrace？ 调试器底层原理： 几乎所有的调试器 (gdb, lldb) 都是基于 ptrace 实现的。理解 ptrace 就像掌握了屠龙术，以后再也不怕调试难题了。 安全研究： 恶意代码分析、漏洞挖掘，都离不开 ptrace。它可以让你深入了解程序的运行细节，发现潜在的安全隐患。 程序分析与优化： 可以用 ptrace 收集程序运行时的性能数据，帮助你优化代码，提高效率。 装逼利器 …
C++ Syscall Hooking：拦截系统调用以实现监控或修改行为
好的，各位观众老爷，今天咱们来聊聊C++界的“偷梁换柱”大法——系统调用Hooking！这玩意儿听起来玄乎，其实也没那么可怕。简单来说，就是咱们在系统调用发生的时候，截个胡，看看它想干啥，甚至改改它的行为。 一、什么是系统调用？别跟我说你不知道！ 咱们先来个热身，回顾一下什么是系统调用。想象一下，你写的C++程序，想要在硬盘上创建一个文件。程序本身可没这个本事直接和硬盘对话，它需要找“老大哥”——操作系统帮忙。 系统调用就像是程序和操作系统之间的“约定好的接口”。你的程序通过特定的函数（比如open、write、read）发出请求，操作系统接收到请求后，完成相应的工作，然后把结果返回给你的程序。 你可以把系统调用想象成你去餐厅点菜。你（程序）跟服务员（操作系统）说：“我要一份宫保鸡丁（创建文件）！”，服务员收到你的菜单（系统调用），厨房做好菜（操作系统执行），服务员再把菜端给你（返回结果）。 二、为什么要Hook系统调用？还不是为了搞事情！ Hook系统调用，说白了就是“拦截”这些请求，在操作系统真正执行之前或者之后，做一些我们想做的事情。至于为什么要这么做？理由可多了去了： 监控行为 …
C++ GDB / LLDB 调试器脚本编写：自动化复杂调试任务
好的，各位观众老爷，欢迎来到“GDB/LLDB调试器脚本编写：自动化复杂调试任务”专场。今天咱们不讲那些虚头巴脑的理论，直接上干货，教大家怎么用脚本武装你的调试器，让复杂的调试任务变成小菜一碟。 开场白：调试，苦逼程序员的日常 话说程序员这行，一半的时间在写代码，另一半的时间就在Debug。有时候，代码就像个调皮的孩子，你越想找到它出错的地方，它就越跟你捉迷藏。尤其遇到复杂的Bug，那简直就是一场噩梦，让人抓耳挠腮，恨不得把电脑砸了。 但是，别急着砸电脑！咱们还有调试器这个神器。GDB和LLDB就是调试器界的两大扛把子，一个在Linux世界称王称霸，一个在苹果生态如鱼得水。今天，咱们就聊聊怎么用脚本来驯服它们，让它们为你所用，自动化那些繁琐的调试任务。 第一幕：脚本的魅力——解放你的双手 你可能会问：直接用GDB/LLDB命令不香吗？为什么要费劲写脚本？ 嗯，直接用命令当然可以，但那就像用计算器算加减乘除，简单是简单，但遇到复杂的公式，你还不是得敲到手抽筋？ 脚本的优势在于： 自动化： 一次编写，多次使用。把常用的调试流程写成脚本，以后遇到类似的问题，直接运行脚本，省时省力。 可重复性 …
C++ 基于类型擦除的编译期多态：不依赖虚函数表的泛型设计
好的，各位观众老爷们，晚上好！今天咱们来聊点高级货，关于C++中一种叫做“基于类型擦除的编译期多态”的玩意儿。放心，听起来唬人，其实没那么可怕，我尽量用大白话给各位讲明白。 啥是多态？为啥需要类型擦除？ 首先，咱们得搞清楚“多态”是啥意思。简单来说，多态就是“多种形态”，同一个操作，作用在不同的对象上，可以产生不同的结果。 C++实现多态，最常见的方式就是用虚函数和虚函数表。这玩意儿很强大，但也有缺点，那就是运行时决议，需要查虚函数表，性能上会有损耗。而且，你得继承一个基类，这在某些场景下并不方便。 那有没有一种办法，既能实现多态，又不用虚函数表，还能在编译期就确定下来？这就是类型擦除要解决的问题。 类型擦除，顾名思义，就是把类型信息给“擦”掉一部分。但别慌，不是全部擦掉，而是擦掉那些不必要的细节，保留必要的接口。这样，我们就可以用统一的方式来处理不同的类型，而不需要事先知道它们的具体类型。 类型擦除的原理：一个快递的例子 想象一下，你要寄快递，不管你寄的是衣服、鞋子还是砖头，你都只需要告诉快递员两件事： 我要寄东西： 这是一个统一的操作（接口）。 收件地址： 这是必要的信息，快递员需 …