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出版者:北京大学出版社

作者:庄燕文 俞咪华

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1998-01-01

价格:25.0

装帧:

isbn号码:9787301036181

丛书系列:

图书标签:

• Pascal
• 编程
• 教程
• 计算机科学
• 算法
• 数据结构
• 程序设计
• 教学
• 入门
• 经典
• 教材

《深入理解计算机系统：从硬件到软件的全面解析》 图书简介 在信息技术飞速发展的今天，软件与硬件的深度融合已成为构建现代信息系统的基石。然而，许多初入计算机科学领域的学习者，乃至一些经验丰富的开发者，往往将编程语言、操作系统、网络协议等视为孤立的知识模块。本书《深入理解计算机系统：从硬件到软件的全面解析》，旨在打破这种壁垒，提供一个系统化、层次化、且极具实践指导性的视角，带领读者穿梭于数字世界的底层构造与高层应用之间，真正理解“计算机”这个复杂系统的运作原理。 本书的核心目标是构建起一座连接抽象概念与物理实现的坚实桥梁。我们相信，只有深刻理解计算机如何执行指令、如何管理内存、如何处理I/O和网络通信，才能写出真正高效、可靠、可维护的软件。 第一部分：计算的基石——数字表示与逻辑电路 本部分作为全书的基石，将追溯计算机工作的最原始层面。我们不会停留在浮光掠影的介绍，而是深入探究数字是如何在硅片上被表达和处理的。 1. 数据表示的底层真相： 探索定点数和浮点数的精确表示方式，重点分析IEEE 754标准，理解溢出、舍入误差和特殊数值（如NaN和无穷大）在实际计算中的影响。特别关注字符编码（如ASCII到Unicode的演变）对文本处理的深远意义。 2. 组合逻辑与时序逻辑： 简要回顾布尔代数及其在逻辑门中的实现。重点讲解组合逻辑电路（如加法器、多路选择器）和时序逻辑电路（如寄存器、锁存器）的工作原理。这部分内容旨在揭示复杂的CPU算术逻辑单元（ALU）是如何由简单的开关构成的。 3. 汇编语言的视角： 我们将介绍一种典型的ISA（指令集架构，例如经典的x86或现代的ARM的简化模型），详细解析指令的格式、寻址模式和控制流的实现。通过阅读和反汇编代码片段，读者将直观地看到高级语言语句（如`if/else`和`for`循环）是如何被翻译成机器码并在寄存器间流动。 第二部分：程序的执行与内存的组织 理解程序如何在硬件上运行，是软件优化的关键。本部分将深入剖析链接、加载过程，并详细阐述内存的层次结构及其对性能的决定性影响。 1. 编译、汇编与链接的奥秘： 详细解析源代码到可执行文件的完整生命周期。重点关注静态链接器如何解析符号引用，重定位的机制，以及动态链接库（DLL/SO）是如何在运行时被加载和解析的。这对于调试链接错误和理解程序依赖至关重要。 2. 虚拟内存与地址翻译： 深入讲解虚拟地址空间的结构，包括代码段、数据段、堆（Heap）和栈（Stack）的布局和使用规范。核心内容将聚焦于分页机制：页表的工作原理、TLB（快表）的作用、缺页中断（Page Fault）的处理流程，以及操作系统如何通过地址翻译隐藏物理内存的复杂性。 3. 内存访问优化： 探讨局部性原理（时间局部性和空间局部性）在程序设计中的应用。详细分析缓存体系结构（L1、L2、L3缓存）的工作方式、缓存行、写策略（写直通/写回）以及缓存一致性问题。通过实例展示如何重构数据结构和循环，以最大化缓存命中率，实现显著的性能提升。 第三部分：进程、并发与系统调用 软件的效率往往依赖于其与操作系统内核的有效交互，以及对并发性的安全管理。 1. 进程与线程管理： 区分进程（Process）和线程（Thread）的异同。深入研究进程上下文切换的机制，包括状态保存与恢复。讲解操作系统如何使用内核数据结构来维护进程信息，以及调度算法（如优先级调度、轮转法）如何决定哪个进程获得CPU时间。 2. 信号量、锁与同步机制： 探讨并发编程中的竞态条件和死锁问题。详细讲解利用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）等原语来保护临界区。我们还将讨论现代无锁（Lock-Free）数据结构的理论基础，如原子操作（CAS）。 3. I/O管理与系统调用： 解析系统调用（System Call）的接口和工作流程，理解用户态到内核态的转换开销。重点剖析标准I/O库（如glibc的缓冲机制）与底层系统调用之间的关系，并介绍非阻塞I/O、异步I/O（如`select`/`poll`/`epoll`）的原理和应用场景，这是构建高性能网络服务器的基础。 第四部分：网络通信与分布式基础 现代应用几乎无一例外地依赖网络。本部分将从网络接口到应用层协议，构建一个完整的网络栈视图。 1. 协议栈的结构： 遵循TCP/IP模型，详细解析数据链路层、网络层（IP寻址与路由）的功能。重点分析TCP协议的可靠性保证机制，包括三次握手、四次挥手、流量控制（滑动窗口）和拥塞控制的算法细节。 2. 网络编程接口： 深入讲解Socket编程，从API调用到数据在内核缓冲区和用户缓冲区之间的传输过程。通过分析网络数据包的头部结构，理解应用层数据是如何被封装和解封装的。 3. 应用层协议分析： 剖析HTTP协议的请求/响应周期，理解其无状态性的设计哲学及其在现代Web架构中的体现。同时，探讨DNS解析过程的机制，展示其在整个网络连接建立中的关键作用。 结语：构建系统的思维模式 本书的最终目的，是培养读者一种自底向上、层层抽象的系统思维。通过掌握这些底层原理，读者将不再满足于调用API，而是能够诊断性能瓶颈的真正根源，无论是代码中的循环优化，还是内存布局的调整，抑或是操作系统资源的争抢。掌握了这些知识，你手中的代码工具箱才真正具备了洞察和驾驭现代计算系统的力量。本书适合希望从“编程者”蜕变为“系统架构师”的工程师、计算机专业的高年级学生以及对底层技术有强烈求知欲的爱好者。

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这本书在处理那些被其他教材常常忽略的“灰色地带”时，展现出了非凡的深度和责任心。很多基础教程为了图快，往往会一带而过指针和内存管理这些核心但容易出错的部分，但这本书却用近三分之一的篇幅，极其细致地剖析了它们的工作原理。作者没有止步于告诉你“如何使用”这些特性，而是深入探究了“为什么”它们需要这样工作，以及在底层操作系统是如何与这些高级语言特性交互的。我印象最深的是关于栈和堆内存分配的章节，它配上了一个动态的内存视图模拟，清晰地展示了变量的生命周期和地址的变化，这比任何枯燥的理论描述都来得生动和震撼。正是这种对底层机制的彻底揭示，使得我在后续学习其他语言时，对数据结构和性能优化有了更深刻的理解。这本书成功地将一门看似古老的语言，赋予了现代系统编程的视角，让读者建立起的是一个扎实、立体的知识体系，而不是零散的知识点堆砌。

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从实用性的角度来看，这本书的配套资源和习题设计简直是为“实战检验”量身定做的。它不是那种只给出“请写一个计算斐波那契数列的程序”这样缺乏新意的练习题库。相反，每一个章节末尾的综合项目都具有很强的工程感和趣味性。比如，在讲解完文件I/O和字符串处理后，它会要求读者编写一个简易的文本文件分析工具，要求统计特定词频并输出格式化的报告。这些练习不仅仅是让你敲代码，更是在模拟真实开发中遇到的数据处理流程。更贴心的是，这本书似乎预见到了读者可能会遇到的编译环境和平台兼容性问题，它在附录中专门提供了一个章节，指导读者如何在不同的操作系统和编译器（比如Free Pascal和Turbo Pascal的某些遗留环境）下配置和运行代码，并且清晰地指出了不同版本间的细微差异。这种对“学习闭环”的完整考虑，确保了知识的转化效率，让人感觉读完这本书后，真的具备了独立解决问题的能力。

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阅读体验的连贯性和逻辑的严密性是衡量一本优秀教材的关键指标，而这本书在这方面几乎无可挑剔。它的章节组织结构简直像一个精密的数学证明过程，每一步的推进都建立在前面的结论之上，没有出现那种突然跳跃式的内容衔接。比如，在介绍完过程和函数后，作者立刻就引入了“传递参数的方式”（值传递与引用传递）的对比分析，这个对比非常及时且必要，因为这是初学者最容易混淆的概念之一。而且，书中对于那些容易引起歧义的术语，都做了统一的界定和标识，避免了多义词在不同语境下造成理解混乱。这种高度结构化的写作，使得我可以很高效地进行“跳读”和“回顾查阅”，当我需要回忆某个特定语法的细节时，我可以迅速定位到相关章节，因为我已经对整本书的知识地图了然于胸。这种稳定、可靠的阅读反馈，让整个学习过程充满信心，而不是在知识的迷宫中徘徊。

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我必须得说，这本书的行文风格简直是教科书级别的典范，它不是那种上来就抛出大量晦涩术语的“炫技式”写作，而是采取了一种极其耐心、循序渐进的引导方式。作者似乎深谙初学者在面对新的编程范式时会产生的困惑和恐惧，所以他们总是先用生活化的比喻来引入一个概念，比如讲解递归时，他没有直接贴出复杂的数学定义，而是通过一个“俄罗斯套娃”的故事来铺垫，这种代入感极强。更令人称赞的是，书中对每一个新引入的关键字或语法结构，都会提供至少三个不同复杂程度的实例，从小到“Hello World”的简单输出，中到涉及数组和结构体的基本操作，再到大段的用于演示内存分配和指针操作的复杂场景。而且，所有的代码块都附带有极其详尽的注释，这些注释与其说是解释代码，不如说是作者在和读者进行一场私密的对话，他会预判你在哪个地方可能会卡住，并提前给出“小贴士”或“陷阱警告”。这种亦师亦友的叙述口吻，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。

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这本书的装帧设计简直让人眼前一亮，封面那种深邃的蓝色调，搭配着烫金的标题字体，透露出一种古典而又严谨的气息，拿在手里沉甸甸的，质感非常棒。我特别喜欢它内页的排版，字体选择得很精妙，既保证了阅读的舒适度，又在关键的代码示例部分做了恰到好处的加粗和缩进处理，使得复杂的逻辑结构一目了然。尤其是那些图示部分，原本以为编程书的插图大多是枯燥的流程图，但这本书里的图示设计得非常巧妙，它们更像是艺术化的解构，将抽象的内存管理和程序执行流程具象化成了清晰的几何图形，即便是初学者也能迅速捕捉到核心概念。而且，纸张的选取也非常考究，光线不佳的环境下阅读也不会感到刺眼，长时间翻阅下来，指尖触感也很舒服，完全没有廉价印刷品的粗糙感。从这本书的外观和触感上就能感受到作者和出版社对细节的极致追求，这无疑为接下来的学习过程奠定了极佳的心理基础，让人从拿到书的那一刻起就充满了探索的欲望。这本书不只是一个工具书，更像是一件值得收藏的工艺品。

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