• CSAPP实验1 : datalab


    考试周除了学习什么都好玩,偶然发现了B站上的“精翻”视频,就冲了
    第一章的视频还没看完(太长了quq),这里也只是写了整形的lab,写了大概有一整天
    明天烤完高代就滚回来填这个lab、课程笔记、导论4、集合论习题的坑...好像有点多,不管了

    这些只在本地btest过,不保证能对...如果有错或者有更好的做法欢迎指正!

    upd:做完了,爽耶

    tricks


    1. ([a=b]iff [(a otimes b)=0]iff [(a-b)=0])
      这个视能否使用"-"和"^"来选择,相当于不用if做出了判断是否相等

    2. ((111dots 11)_2=(-1)_{10}) 这个...没啥好说的

    3. (f(flag,x)=left{{egin{aligned}0,flag=0\x,flag=1end{aligned}} ight.iff x&(-flag)),结合2就可以理解,结合4很有用

    4. ((-x)=( (sim x) + 1)),这个实际上就是电路中减法的做法,这里可以看出反码在简化运算中的作用

    bitXor


    根据集合论/数理逻辑的知识可以很快想到异或的"对称差"定义

    //1
    /* 
     * bitXor - x^y using only ~ and & 
     *   Example: bitXor(4, 5) = 1
     *   Legal ops: ~ &
     *   Max ops: 14
     *   Rating: 1
     */
    int bitXor(int x, int y) {
      int fx = ~x, fy = ~y;
      int tx = fx & y, ty = fy & x;
      return ~((~tx) & (~ty));
    }
    

    tmin


    这里的最小指的是补码对应数值最小...这个直接符号位填1就好了

    /* 
     * tmin - return minimum two's complement integer 
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 4
     *   Rating: 1
     */
    int tmin(void) {
      return (1 << 31);
    }
    

    isTmax


    tmax的特点是除了符号位都是1,那么加上1就得到了tmin,取反仍然是tmax
    但是除了tmax还有别的数有这个性质:-1,排除掉就好了

    //2
    /*
     * isTmax - returns 1 if x is the maximum, two's complement number,
     *     and 0 otherwise 
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | +
     *   Max ops: 10
     *   Rating: 1
     */
    int isTmax(int x) {
      int t = x + 1;
      return !( ( (~t) ^ x) | (!t));
    }
    

    allOddBits


    lab有要求不能使用超过255的常量,那么一个想法就是把32bits分成4*8bits,
    我们造一个(10101010)来复制4份就可以到奇数位全为1的二进制数,然后就很简单了

    /* 
     * allOddBits - return 1 if all odd-numbered bits in word set to 1
     *   where bits are numbered from 0 (least significant) to 31 (most significant)
     *   Examples allOddBits(0xFFFFFFFD) = 0, allOddBits(0xAAAAAAAA) = 1
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 12
     *   Rating: 2
     */
    int allOddBits(int x) {
      int t = 170 | (170 << 8);
      t = t | (t << 16);
      return !((t & x) ^ t);
    }
    

    negate


    看trick4

    /* 
     * negate - return -x 
     *   Example: negate(1) = -1.
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 5
     *   Rating: 2
     */
    int negate(int x) {
      return (~x) + 1;
    }
    

    isAsciiDigit


    这道题就比较灵性...
    观察一下asciiDigit的特点,最后6位都形如((11xxxx)_2),而最后4位恰好是((0000)_2sim (1001)_2)

    我最早的做法是把后6位抠出来,用倒数第4位判掉0~8的情况,再判掉最后2位的情况

    事实上做了后面的isLessOrEqual就可以发现这里的另一种做法了...不是很懂这个顺序啊

    //3
    /* 
     * isAsciiDigit - return 1 if 0x30 <= x <= 0x39 (ASCII codes for characters '0' to '9')
     *   Example: isAsciiDigit(0x35) = 1.
     *            isAsciiDigit(0x3a) = 0.
     *            isAsciiDigit(0x05) = 0.
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 15
     *   Rating: 3
     */
    int isAsciiDigit(int x) {
      int A = !( (x >> 4) ^ 3);
      int B = !(x & 8);
      int C = !(x & 6);
      return A & ( B | C );
    }
    

    conditional


    利用trick3就可以做了,构造(f(flag,x)otimes f(!flag,y))就好了

    我在写到这里的时候没有意识到trick4可以用,所以写的比较繁琐

    /* 
     * conditional - same as x ? y : z 
     *   Example: conditional(2,4,5) = 4
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 16
     *   Rating: 3
     */
    int conditional(int x, int y, int z) {
      int px1 = !x;
      int px2 = !px1;
      int ty = ( (px2 << 31) >> 31 ) & y;
      int tz = ( (px1 << 31) >> 31 ) & z;
      return ty ^ tz;
    }
    

    isLessOrEqualTo


    最直观就是做差,判断( riangle)的符号位
    然而当两个数异号的时候,他们的差会溢出,为了处理这种状况我们要先判掉异号的情况,这样同号运算就是在范围内的了

    /* 
     * isLessOrEqual - if x <= y  then return 1, else return 0 
     *   Example: isLessOrEqual(4,5) = 1.
     *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 24
     *   Rating: 3
     */
    int isLessOrEqual(int x, int y) {
      int d = x + (1 + (~y) );
      int fx = (x >> 31) & 1;
      int fy = (y >> 31) & 1;
      return ( (!d) | ( (d >> 31) & 1) | ( fx & (!fy) ) ) & !( (!fx) & fy);
    }
    

    logicalNeg


    可以发现符号位不重要,第一步先去掉符号位得到"绝对值"

    如果是0的话取反就会得到-1,否则都得不到-1

    此时加1又可以得到0,即符号位为正,而其余情况得到的都是负数

    这个性质可以判掉"大部分"非0数字,特例是-2147483648,它没有绝对值(或者说,"绝对值"是0)...所以特判一下就好了

    //4
    /* 
     * logicalNeg - implement the ! operator, using all of 
     *              the legal operators except !
     *   Examples: logicalNeg(3) = 0, logicalNeg(0) = 1
     *   Legal ops: ~ & ^ | + << >>
     *   Max ops: 12
     *   Rating: 4 
     */
    int logicalNeg(int x) {
      int tx = (~x) | (1 << 31);
      return ( ~( ( ( tx + 1 ) | x ) >> 31 ) ) & 1;
    }
    

    howManyBits


    先考虑正数,我们要找的就是最高位的1在哪(第几位)

    负数的情况比较特殊,因为从符号位开始连续的1序列和单独的一个符号位1等价(回忆课堂上的Sign Extension),那么我们只需要保留一个符号位,也就是只需要找到最高位的0就可以了

    于是负数就取反,找最高位的1可以用二分(魔幻吧),想了好久才想到...

    先判断前16位是否有1,然后通过右移来调整下一次判断的区间,以此类推...就可以了

    /* howManyBits - return the minimum number of bits required to represent x in
     *             two's complement
     *  Examples: howManyBits(12) = 5
     *            howManyBits(298) = 10
     *            howManyBits(-5) = 4
     *            howManyBits(0)  = 1
     *            howManyBits(-1) = 1
     *            howManyBits(0x80000000) = 32
     *  Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
     *  Max ops: 90
     *  Rating: 4
     */
    int howManyBits(int x) {
      int t1, L1, t2, L2, t3, L3, t4, L4, t5, L5;
      int s = ~1 + 1, rx = x, cx = !x;
      int p = (x >> 31) & 1, dx = !(rx ^ s);
      x ^= ~p + 1;
      t1 = s & (x >> 16); L1 = ( (!!t1) << 4); x >>= L1;
      t2 = s & (x >> 8);  L2 = ( (!!t2) << 3); x >>= L2;
      t3 = (x >> 4) & s;  L3 = ( (!!t3) << 2); x >>= L3;
      t4 = (x >> 2) & s;  L4 = ( (!!t4) << 1); x >>= L4;
      t5 = (x >> 1) & s;  L5 = (!!t5); x >>= L5;
      return L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + 2 + (1 + ~cx ) + (1 + ~dx);
    }
    

    floatScale2


    浮点数的编码很有意思

    分类讨论。首先判掉NaN和INF,对于denorm的形式我们只要左移frac部分,对于norm形式我们只需要增加指数exp(why?)

    这个例子大概是给你熟悉浮点数编码分类的

    //float
    /* 
     * floatScale2 - Return bit-level equivalent of expression 2*f for
     *   floating point argument f.
     *   Both the argument and result are passed as unsigned int's, but
     *   they are to be interpreted as the bit-level representation of
     *   single-precision floating point values.
     *   When argument is NaN, return argument
     *   Legal ops: Any integer/unsigned operations incl. ||, &&. also if, while
     *   Max ops: 30
     *   Rating: 4
     */
    unsigned floatScale2(unsigned uf) {
      unsigned s = (uf >> 31) & 1;
      unsigned e = (uf >> 23) & 255;
      unsigned m = uf & 8388607;
      if (e == 0) {
        m = m * 2;
      } else if (e != 255) {
        e = e + 1;
      }
      return (s << 31) | (e << 23) | m;
    }
    

    floatFloat2Int


    试了一下,C里面的强制类型转换会截掉小数点后的部分,除非某种类似1.9999999999999999999的例子,在这个例子下类型转换会变成2(why?)

    事实上第二种情况我们不需要考虑,因此只需要把frac部分抠出来,前面添上1,按照exp-bias得到的指数位e偏移即可。很显然如果它是一个denorm/指数为负的norm的话答案就是0

    /* 
     * floatFloat2Int - Return bit-level equivalent of expression (int) f
     *   for floating point argument f.
     *   Argument is passed as unsigned int, but
     *   it is to be interpreted as the bit-level representation of a
     *   single-precision floating point value.
     *   Anything out of range (including NaN and infinity) should return
     *   0x80000000u.
     *   Legal ops: Any integer/unsigned operations incl. ||, &&. also if, while
     *   Max ops: 30
     *   Rating: 4
     */
    int floatFloat2Int(unsigned uf) {
      int s = (uf >> 31) & 1;
      int e = (uf >> 23) & 255;
      int m = uf & 8388607;
      int bias = 127, i = 22, r = 1;
      if (e == 255) {
        return 0x80000000u;
      } else if (e == 0) {
        return 0;
      } else {
        e -= bias;
        if (e < 0) return 0;
        for (; i >= 0; i --) {
          if ( (m >> i) & 1) break;
        }
        while (e > 0) {
          e -= 1; i -= 1; r <<= 1;
          if (i > 0) r |= ( (m >> i) & 1);
          if (r < 0) return 0x80000000u;
        }
        return s?(-r):r;
      }
    }
    

    floatPower2


    这个也挺简单的...

    从这个题可以看出单精度(32位)浮点数能表示的数字的范围

    最大值是norm形式,exp为254(再大就是NaN和INF了),frac的每一位全为1(虽然在这题里不是这样),就能得到({left(2-epsilon ight)}^{127})

    最小值是denorm形式,exp为0,frac为1,此时指数e是1-127,尾数额外提供了23位的指数,这样就得到(2^{-149})

    这样直接做就可以了

    /* 
     * floatPower2 - Return bit-level equivalent of the expression 2.0^x
     *   (2.0 raised to the power x) for any 32-bit integer x.
     *
     *   The unsigned value that is returned should have the identical bit
     *   representation as the single-precision floating-point number 2.0^x.
     *   If the result is too small to be represented as a denorm, return
     *   0. If too large, return +INF.
     * 
     *   Legal ops: Any integer/unsigned operations incl. ||, &&. Also if, while 
     *   Max ops: 30 
     *   Rating: 4
     */
    unsigned floatPower2(int x) {
      int s = 0, m = 0, e = 127;
      if (x < 0) {
        if (-x > 149) return 0;
        else if (-x <= 126) {
          e = 1;
        } else {
          e = 0;
          m = (0x400000u) >> (-x - 126);
        }
      } else if (x > 0) {
        if (x + 127 > 255) return 0x7f800000;
        else e = x + 127;
      }
      return (s << 31) | (e << 23) | m;
    }
    

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