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出版者:武汉大学出版社

作者:罗斌

出品人:

页数:432

译者:

出版时间:2001-9-1

价格:45.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787307032583

丛书系列:

图书标签:

• Visual C++
• VC++
• C++
• 编程
• 入门
• 经典
• Windows
• 开发
• Visual Studio
• 书籍
• 教程

《深入理解计算机系统：从硬件到软件的底层视角》 内容提要： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，剖析现代计算机系统的底层运作机制。我们不局限于任何特定的编程语言或开发环境，而是着眼于计算机科学的核心原理，从晶体管的物理特性到操作系统内核的调度机制，再到应用程序在内存中的布局与执行。全书结构紧凑，内容翔实，力求帮助读者构建一个坚实的计算机系统知识体系，从而在软件设计、性能优化和故障排查等领域达到更高的境界。 第一部分：数据表示与程序结构 本部分聚焦于信息如何在计算机内部被编码、存储和操作。 1.1 整数与浮点数表示： 深入探讨二进制补码在有符号整数运算中的应用，并详细解析IEEE 754浮点数标准的内部结构，包括单精度和双精度格式，以及它们在表示范围、精度和特殊值（如NaN、无穷大）方面带来的工程挑战。我们将通过实际代码示例，演示溢出和舍入误差如何影响数值计算的准确性。 1.2 逻辑运算与位操作： 系统回顾布尔代数在硬件设计中的基础作用，并着重讲解位级操作符（AND, OR, XOR, NOT, 移位操作）在高效编程中的实际应用，例如掩码操作、位域操作以及如何利用这些操作实现快速的算术运算替代方案。 1.3 机器级代码与程序编译： 详细剖析C/C++等高级语言源代码如何经过预处理、编译、汇编和链接，最终转化为可在处理器上直接执行的机器指令。我们将以一个典型的x86-64（或ARM）处理器架构为例，解释汇编语言的语法、指令集结构（ISA），以及过程调用约定（Calling Convention），包括参数传递、栈帧的建立与销毁、返回地址的保存与恢复。理解这些机制是深入理解系统性能瓶颈的关键。 1.4 内存层级结构： 阐述CPU寄存器、L1/L2/L3缓存、主存（DRAM）和二级存储（SSD/HDD）构成的多级内存体系。重点分析缓存的工作原理，包括空间局部性和时间局部性，缓存命中与未命中的成本，以及写回策略。我们将探讨如何通过优化数据访问模式来最大化缓存的有效性，实现显著的性能提升。 第二部分：程序在运行时组织 本部分将计算机内存视为一个结构化的资源，程序如何在其中分配、使用和保护数据。 2.1 虚拟内存： 揭示虚拟地址空间与物理地址空间之间的映射机制。详细介绍分页（Paging）的概念，页表（Page Table）的层次结构，以及地址翻译（Translation Lookaside Buffer, TLB）在加速这一过程中的作用。理解缺页中断（Page Fault）的发生、处理过程及其对程序执行性能的影响。 2.2 内存分配管理： 深入探讨动态内存分配器（如malloc/free）的内部实现。分析不同的分配策略，如首次适应（First Fit）、最佳适应（Best Fit）和首次填充（Next Fit）。讨论内存碎片（内部碎片与外部碎片）的问题，以及现代分配器如何通过维护空闲块列表（Binning）和利用内存池（Pool Allocation）来优化性能和减少碎片。 2.3 链接与加载： 区分静态链接与动态链接（共享库/DLL）。分析目标文件（Object File）的结构，如节（Sections）、符号表（Symbol Table）。详细描述加载器（Loader）如何将可执行文件映射到虚拟地址空间，解析外部引用，并完成重定位（Relocation）的过程。 2.4 栈与堆的管理： 明确区分程序运行时数据区域中的栈（Stack）和堆（Heap）的用途、生命周期和管理方式。深入分析栈溢出（Stack Overflow）漏洞的原理及其防御机制（如栈保护金丝雀）。 第三部分：处理器体系结构与并行性 本部分转向硬件层面，探讨指令级并行和多核处理器带来的挑战与机遇。 3.1 指令级并行（ILP）： 介绍超标量处理器（Superscalar Processors）的工作原理，包括指令流水线（Pipelining）的概念。重点分析数据依赖、控制依赖对流水线的影响，以及乱序执行（Out-of-Order Execution）和分支预测（Branch Prediction）技术如何帮助处理器隐藏延迟并提高指令吞吐量。 3.2 存储器一致性与同步： 在多核环境中，处理器缓存的一致性至关重要。本节讲解处理器如何通过缓存一致性协议（如MESI协议）来确保跨核心的数据视图一致性。 3.3 并发编程基础： 引入并发和并行性的概念。讨论线程（Threads）与进程（Processes）的区别。讲解同步机制，如互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）和条件变量（Condition Variables），以及如何在共享数据访问中正确使用它们以避免竞态条件（Race Conditions）。 3.4 性能度量与优化： 提供一套科学的性能分析方法论，包括使用性能分析工具（Profilers）识别热点代码。强调优化策略应基于对系统瓶颈的准确理解，避免过早优化。讨论循环展开（Loop Unrolling）、指令重排等编译器优化技术的工作原理。 第四部分：操作系统内核与系统级抽象 本部分关注操作系统作为管理硬件和提供抽象层所扮演的角色。 4.1 进程与线程管理： 详细描述进程的生命周期，上下文切换（Context Switching）的开销与过程。讲解内核如何使用调度算法（如时间片轮转、优先级调度）来管理多个并发执行的控制流。 4.2 I/O 硬件与接口： 概述I/O设备的类型及其与CPU的交互方式。深入研究中断（Interrupts）和异常（Exceptions）的处理流程，解释它们如何作为硬件和软件之间的主要通信机制。 4.3 存储器映射 I/O 与直接内存访问（DMA）： 解释操作系统如何利用内存映射I/O简化设备寄存器和数据缓冲区与进程地址空间的交互。详述DMA机制如何允许设备绕过CPU直接读写主存，从而显著提高数据传输效率。 4.4 系统调用接口： 探讨用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）之间的边界。系统调用作为用户程序请求操作系统服务的唯一途径，我们将分析其封装过程、参数传递以及模式切换的成本。 总结： 本书的最终目标是培养读者“系统级思维”。通过对数据、指令、内存、进程和硬件的层层深入，读者将不再将计算机视为一个黑箱，而是能够理解软件性能限制的根本原因，并能设计出更健壮、更高效的底层软件和算法。本书适合有一定C/C++编程基础，并渴望理解程序在其运行环境中所经历完整旅程的工程师和计算机科学爱好者。

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