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出版者:电子工业

作者:刘天华 刘杰

出品人:

页数:274

译者:

出版时间:2008-1

价格:26.80元

装帧:

isbn号码:9787121057069

丛书系列:

图书标签:

• Java
• 编程
• 入门
• 教程
• 实用
• 开发
• 软件
• 学习
• 代码
• 基础

《深入理解计算机系统》：揭示现代计算的底层奥秘 面向读者： 计算机科学专业学生、软件工程师、系统架构师，以及任何对计算机底层工作原理充满好奇的专业人士。 图书概述： 《深入理解计算机系统》（通常简称为 CS:APP）是一本里程碑式的著作，它构建了一座坚实的桥梁，连接了抽象的软件世界和具体的硬件实现。本书的核心宗旨是帮助读者理解程序是如何在现代计算机系统上实际运行的。它不仅仅关注于 Java 或任何特定语言的语法，而是着眼于跨越所有主流编程范式的底层机制，让读者能够写出更高效、更健壮、更具系统洞察力的代码。 本书将计算世界分解为若干个相互关联的层次，从最底层的数字逻辑，逐步深入到操作系统、编译器、汇编语言，最终回到应用程序的视角，全面剖析了硬件如何影响软件的性能和正确性。 --- 第一部分：数据表示与处理（从比特到抽象） 本部分奠定了理解后续复杂系统的基础，深入探讨了数据在计算机内部的物理表示方式及其带来的软件含义。 1. 信息表示 数字系统与编码： 详细介绍了二进制、八进制、十六进制的转换，以及它们如何在处理器中被解释。重点分析了补码表示法，解释了为何这是现代计算机执行有符号和无符号算术运算的基础，以及它如何简化了硬件设计。 整数运算： 探讨了溢出（Overflow）的数学原理和软件后果。理解溢出不仅是理论知识，更是编写安全关键系统（如金融计算或嵌入式控制）时必须掌握的知识点。 浮点数标准（IEEE 754）： 深入剖析了单精度（float）和双精度（double）浮点数的结构——符号位、指数和尾数。通过具体的例子，解释了为什么浮点运算不满足结合律，以及在编程中应如何处理精度损失和特殊值（如 NaN 和无穷大）。 2. 汇编语言与处理器体系结构 本章将读者带入机器语言的层面，展示了 C 语言代码是如何被翻译成处理器能够理解的指令序列。 IA32/x86-64 汇编： 介绍了 AT&T 风格的汇编语法。重点讲解了寄存器组（通用寄存器、栈指针、基址指针等）的作用及其在函数调用中的角色。 数据传送与操作： 详述了 `mov`, `add`, `sub`, `imul`, `idiv` 等核心指令的精确行为。 控制流： 阐述了条件码（Condition Codes）和跳转指令（`jmp`, `je`, `jg` 等）如何实现高级语言中的 `if-else`、`while` 和 `for` 循环。 过程（函数）调用机制： 这是理解程序执行流程的关键。详细介绍了调用约定（Calling Convention），包括参数传递、栈帧的建立与销毁、局部变量的存储以及返回地址的保存与恢复。理解这一机制是进行底层调试、编写编译器或实现进程间通信的前提。 --- 第二部分：程序在系统中的执行（软件与硬件的交汇） 本部分将关注程序如何被加载、链接，以及它如何利用操作系统提供的抽象来执行复杂的任务。 3. 目标代码、链接与加载 目标文件格式（ELF）： 解析了可重定位目标文件（Relocatable Object Files）的结构，包括代码段、数据段、符号表和重定位信息。 静态链接： 解释了链接器（Linker）如何将多个目标文件和库文件合并成一个可执行文件，特别是符号解析和重定位的过程。 动态链接与共享库： 深入探讨了动态库（如 `.so` 文件）的工作原理，包括延迟绑定（Lazy Binding），这对于理解程序启动速度和内存共享至关重要。 加载过程： 描述了操作系统如何将可执行文件从磁盘加载到内存中，并使用重定位表来调整绝对地址。 4. 运行时栈与堆管理 本章聚焦于程序运行时内存的动态分配与管理。 运行时栈（Runtime Stack）： 进一步深化函数调用的概念，描述了局部变量、函数参数和返回地址如何随着调用链在栈上动态地分配和释放空间。 动态内存分配（malloc/free）： 详细分析了堆（Heap）的管理机制。探讨了各种内存分配器（如显式/隐式空闲链表、分段分配）的内部算法、分配策略（如首次适应、最佳适应），以及碎片化（Fragmentation）的成因和缓解措施。理解这些机制直接影响着应用程序的内存效率。 --- 第三部分：优化与性能（编译器的魔力与硬件的限制） 本部分是本书的精髓之一，它揭示了现代编译器如何对代码进行优化，以及程序性能如何受到底层硬件架构的严格制约。 5. 优化：编译器如何重塑代码 优化级别： 解释了 `-O1`, `-O2`, `-O3` 等不同优化标志对代码生成的影响。 基本优化技术： 讲解了消除冗余代码、常量传播、循环展开（Loop Unrolling）、指令重排（Instruction Reordering）等常见优化手段的原理和效果。 过程间优化： 探讨了编译器如何处理跨函数调用的优化，例如内联（Inlining）。 6. 处理器体系结构与性能 本章将性能分析提升到硬件层面。 指令级并行性（ILP）： 介绍了超标量（Superscalar）处理器的工作原理，以及指令的乱序执行（Out-of-Order Execution）。 数据通路与流水线（Pipelining）： 解释了指令是如何在多个阶段并行处理的，以及分支预测（Branch Prediction）机制在保持流水线效率中的关键作用。 性能陷阱： 重点分析了由于内存访问延迟和结构冲突（Structural Hazard）导致的性能瓶颈，强调了编写“数据友好”代码的重要性。 --- 第四部分：系统抽象与交互（I/O、并发与网络） 本部分转向操作系统提供的核心抽象，解释了程序如何进行输入/输出操作，并处理并发性。 7. 虚拟内存 虚拟内存是现代操作系统最重要的抽象之一，本书详细解析了其工作机制。 地址翻译： 深入讲解了页表（Page Tables）的结构，以及硬件的转译后备缓冲器（TLB）如何加速地址查找。 内存保护： 解释了操作系统如何利用虚拟内存实现进程间的隔离，以及访问权限（读/写/执行）的控制。 按需调页（Demand Paging）： 描述了缺页（Page Fault）的发生过程、操作系统内核如何响应，并将数据从磁盘加载到物理内存中。 8. 并发编程 本章探讨了程序如何管理多个同时发生的执行流。 进程与线程： 区分了进程（Process）和线程（Thread）的概念，以及它们在资源隔离和共享方面的区别。 并发挑战： 重点分析了并发编程中的核心问题：竞争条件（Race Conditions）、死锁（Deadlock）和饥饿（Starvation）。 同步机制： 详细介绍了使用互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）和条件变量（Condition Variables）来保护共享数据和协调线程执行的正确方法。 9. 输入/输出（I/O） I/O 结构： 介绍了文件、设备和网络套接字在操作系统层面是如何被统一抽象为文件描述符的。 I/O 方式： 比较了轮询（Polling）、中断驱动 I/O 和直接内存访问（DMA）的工作方式，以及它们对 CPU 负载的影响。 10. 网络编程基础 客户端-服务器模型： 介绍基于套接字（Socket）的编程接口，包括 TCP 和 UDP 协议的核心区别。 网络传输细节： 简要解析了网络数据包在系统中的传递路径，强调了网络 I/O 在高性能服务器设计中的瓶颈作用。 --- 本书价值： 《深入理解计算机系统》不仅仅是一本关于理论的教科书，它更是一本关于实践智慧的指南。通过结合 C 语言示例、汇编代码分析和现代 x86-64 架构的讨论，本书为读者提供了系统级别的思维模型。掌握这些知识，意味着您不仅知道如何使用工具，更知道这些工具（编译器、操作系统、硬件）是如何制造出来的，从而能够诊断复杂的性能问题，设计出真正高效且可靠的软件系统。它培养的是一种从底层到顶层的、完整的工程视野。

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