CS101 Introduction to computing 

Supplementary Materials 

A. Sahu and S. V .RaoDept of Comp. Sc. & Engg.Dept of Comp. Sc. & Engg.

Indian Institute of Technology Guwahati

Outline• Input/Output redirections• Compiling and Linking in Big Projects• Compiling and Linking in Big Projects

–Compiling Multiple Files–Creating Static library –Creating Static library 

• Profiling–Function ProfilingFunction Profiling–Line ProfilingVisualizing Profiling–Visualizing Profiling 

Input Redirection • If program takes many inputs: Entering inputs every time

• Store the input in a file and use it int main() {int main() {int A[10], S[10]; for (count=0; count<10; count++){

scanf("%f", &A[count]);S[i] = A[count]*A[count];

}printf(“Square of Numbers are:\n”);for (count=0; count<10; count++){

printf(“%d ” S[count]);printf( %d , S[count]);}return 0;

Input Redirection • If program takes many inputs: Entering inputs every time

• Store the input in a file and use it• Also store out of the program by redirectionAlso store out of the program by redirection $ gcc test.c$ / I

4  5  8   12  18  5  8  9  14 20  

$ ./a.out < Input.txt Square of Numbers are:

10 values stored in a file Input.txt 

16 25 64 144  324 25 64  81  196 400 $ /a out < Input txt > Output txt$ ./a.out < Input.txt > Output.txt

Compiling multiple Files

• $ gcc –c foo.c//foo.cint foo3x(int x){ $ gcc c foo.c

• $ gcc –c bar.c( ){

return 3*x;}

• $ gcc foo.o bar.o}

//bar.ci t i (){ • $./a.outintmain(){

int x;f 3 (10)x=foo3x(10);

printf(“%d”,x);return 0

5

return  0;}

Linker and LoaderLinker and Loader

• Compiler in Action…p$gcc foo.c bar.c –o a.out

foo c bar.cfoo.crun compiler preprocessor

run assembler (as)foo.s bar.s

foo.o bar.olinker

a.out a.out = fully linked executable

What is Linker ?What is Linker ?• Combines multiple relocatable object files• Produces fully linked executable – directly loadable in memory

• How?– Symbol resolution – associating one symbol definition with each symbol reference

–Relocation – relocating different sections of input relocatable files

Object filesObject files• Types –

–Relocatable : Requires linking to create executable 

– Executable : Loaded directly into memory for execution

– Shared Objects : Linked dynamically, at run time or load timetime or load time

Linking with Static Libraries• Collection of concatenated object files – stored on disk in a particular format – archive

• An input to Linker– Referenced object files copied to executableReferenced object files copied to executable

libm.afoo o

bar.olibc a

printf.o & fopen.o

foo.o libc.a

linker(ld)

fully linked executable object file

a.out

Creating Static Library i t i (){//b

//foo.cint foo3x(int x){

intmain(){//bar.cint x;f 3 (10)( ){

return 3*x;}

x=foo3x(10);printf(“%d”,x);t 0

• $ gcc ‐c foo.c

} return  0;}

• $ ar rcs libfoo.a foo.o //it create libfoo.a• $ gcc bar c ‐L ‐lfoo$ gcc bar.c L.  lfoo• $ ./a.out

10

Dynamic Linking – Shared LibrariesDynamic Linking  Shared Libraries• Addresses disadvantages of static librariesg

– Ensures one copy of text & data in memory –Change in shared library does not requireChange in shared library does not require executable to be built againLoaded at run time by dynamic linker at– Loaded at run‐time by dynamic linker, at arbitrary memory address, linked with programs in memoryin memory

–On loading, dynamic linker relocates text & data of shared objectof shared object

Shared Libraries ..(Cntd)Li k t libf (PIC) f b• Linker creates libfoo.so (PIC) from a.o b.o

• a.out – partially executable – dependency on libfoo.so• Dynamic linker maps shared library into program’s address spaceDynamic linker maps shared library into program s address space

Linker

a.o b.o

‐fPICLinker

libfoo.so (position independent bar.o

‐fPIC

Linkershared object)

Partially linked  a.outLoader

Dynamic linker

executable – dependency on 

libfoo so ylibfoo.sofully linked executable in 

memory

Creating Dynamic Library i t i (){//b

//foo.cint foo3x(int x){

intmain(){//bar.cint x;f 3 (10)( ){

return 3*x;}

x=foo3x(10);printf(“%d”,x);t 0

• $gcc ‐c ‐fPIC foo.c

} return  0;}

• $gcc ‐shared ‐Wl,‐soname,libfoo.so.1 ‐o libfoo.so.1  foo.o

• $ gcc bar.c ‐L. –lfoo• $ export LD_LIBRARY_PATH=.  • $ ./a.out

13

Basic Optimizations for Serial Code• Scalar Profiling

–Manual Instrumentation (get wall time,Manual Instrumentation (get_wall_time, clock_t)Function and line based profiling (gprof gcov)– Function and line based profiling (gprof, gcov)

–Memory Profiling (valgrind, callgraph)–Hardware Performance Counter (oprofile,likwid)

• Common sense of Optimization–Do less work avoid expensive Ops shrinkDo less work, avoid expensive Ops, shrink working set 

14A Sahu

Manual InstrumentationManual Instrumentation

• System Status• System Status–$uptime, $top , $vmstat–$systemmonitor,  $gnome‐system‐monitor

• $time ./a.out$time  ./a.out– real time/wall clock time

ti d t ti– cpu time and system time– cputime=sys time+usr time

• Using get_wall_time, clock_t15A Sahu

Manual Instrumentation• $time command and Using get wall time• $time  command and Using get_wall_time, 

#include <time.h>

int main(){clock t t; double Etime;_ ; ;t = clock(); //Do some Work//Do some Workt = clock() - t;Etime=((double)t)/CLOCKS PER SEC;Etime ((double)t)/CLOCKS_PER_SEC;printf(“ETime =%f seconds”,Etime)return 0;

16A Sahu

return 0;}

Profiler: Hotspot AnalyzerProfiler: Hotspot Analyzer• Given a program• Finding out part of the program which takes maximum amount of time

• Optimizing hot‐spot area reduce the execution time significantlyg y

• Suppose a program spend 99% of time in a small function/codesmall function/code– Optimizing that code will result better performance 

Function and line based profilingg• GNU profile (gprof)

$gcc –p test c$gcc p test.c$./a.out$gprof ./a.out >&FPprofile.txt$gprof ./a.out &FPprofile.txt

• GNU coverage (gcov)$gcc ‐fprofile‐arcs ‐ftest‐coverage tmp.c$gcc fprofile arcs  ftest coverage tmp.c$./a.out$gcov tmp.c$g p

File 'tmp.c'Lines executed:87.50% of 8Creating 'tmp.c.gcov'

Gprof Example#include <stdio.h>void FunA() {int i=0,g=0;while(i++<100000){ g+ i; }

int main(){int iter=5000;

{ g+=i; }}void FunB() {

while(iter--) {FunA();F B()void FunB() {

int i=0,g=0;while(i++<400000)

FunB();}return 0;

{ g+=i; }}

return 0;}

Gprof Example: Flat Profile

Fl filFlat profile:

Each sample counts as 0 01 secondsEach sample counts as 0.01 seconds.%   cumulative   self              self total           time   seconds   seconds calls  ms/call  ms/call  name    / /80.26      5.55     5.55     5000     1.11     1.11  FunB20.94      6.99     1.45     5000     0.29     0.29  FunA

Gprof Example: Call GraphCall graphindex % time    self  children    called     name

<spontaneous>[1]    100.0    0.00    6.99                 main [1]

5 55 0 00 5000/5000 FunB [2]5.55    0.00    5000/5000        FunB [2]1.45    0.00    5000/5000        FunA [3]

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐5.55    0.00    5000/5000        main [1]

[2]     79.3    5.55    0.00    5000         FunB [2]‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐

1.45    0.00    5000/5000        main [1][3] 20 7 1 45 0 00 5000 FunA [3][3]     20.7    1.45    0.00    5000         FunA [3]

Gcov output

#include <stdio.h>int main (){

‐:  1:#include <stdio.h>1: 2:int main (){int main (){

int i, total;total = 0;

1:   2:int main (){‐:    3:    int i, total;1:   4:    total = 0;

for (i = 0; i < 10; i++)total += i;

if (total != 45)

11:  5:    for (i = 0; i < 10; i++)10:   6: total += i;1:    7:    if (total != 45)( )

printf ("Failure\n");else printf ("Success\n");return 0;

( )#####:8: printf ("Failure\n");1:     9:    else printf ("Success\n");1: 10: return 0;return 0;

}1:    10:    return 0;‐:     11:}

valgrind• CallGraph, Profiler, Memory Check…

– Many more– Many more – From C code, one can use API of valgrind

• Program analysis tools are useful• Program analysis tools are useful–Bug detectors, Profilers, Visualizers

• Dynamic binary analysis (DBA) tools–Analyse a program’s machine code at run‐time

–Augment original code with analysis code

23

Valgrindid k1(i t ) {void Work1(int n) { int i=0,j=0,k=0; while(i++<n){

while(j++<n){while(k++<n);}}

}}

void Work2(int n) { int i=0; while(i++<n);}void Maneger(int n1, int n2){

Work1(n1); Work2(n2);Work1(n1); Work2(n2); }void Projects1() { Maneger(1000000, 1000);}void Projects2() { Maneger(100, 1000000);}

int main() {Projects1(); Projects2(); return 0;

}

Valgrind: How to useValgrind: How to use 

• $gcc ‐pg ‐o Valgrindtest Valgrindtest c$gcc  pg  o Valgrindtest Valgrindtest.c• $valgrind ‐‐tool=callgrind ./Valgrindtest$k h i d `l ll i d * | il `• $kcachegrind `ls ‐tr callgrind.out.* | tail ‐1`

Valgrind: Call GraphValgrind: Call Graph

Gprof, gcov, valgrindGprof, gcov, valgrind

• All the examples are available in our course websitep

http://jatinga.iitg.ernet.in/~asahu/cs528/CallGraphValgi drind

http://jatinga.iitg.ernet.in/~asahu/cs528/GProfExampleshttp://jatinga iitg ernet in/~asahu/cs528/GcovExamplehttp://jatinga.iitg.ernet.in/ asahu/cs528/GcovExample• Down load and run $sh Run.sh$sh Run.sh

ThanksThanks