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深入理解計算機系統（原書第2版中文版）這本書盡量的做到相對實用，不去講那些和實際編程沒多大關系的計算機原理，畢竟是著名計算機院校里面最偏軟件的cmu的作品（作者是CMU計算機系主任），重點非常得當。正如作者自己評價這本書時說的一樣——如果你全力投身本書中的概念，完全理解底層計算機系統以及它對應用程序的影響，那么你將會逐漸成為鳳毛麟角的“權威”程序員。如果你想查閱這本書的全部內容，點擊本文相應的下載地址進行下載后即可閱讀！該書為pdf格式免費清晰掃描版，歡迎下載查閱！

深入理解計算機系統目錄

出版者的話

譯者序

前　言

第1章　計算機系統漫游1

1.1　信息就是位+上下文1

1.2　程序被其他程序翻譯成不同的格式3

1.3　了解編譯系統如何工作是大有益處的4

1.4　處理器讀并解釋存儲在存儲器中的指令5

1.4.1　系統的硬件組成5

1.4.2　運行hello程序7

1.5　高速緩存至關重要7

1.6　存儲設備形成層次結構9

1.7　操作系統管理硬件10

1.7.1　進程11

1.7.2　線程12

1.7.3　虛擬存儲器12

1.7.4　文件13

1.8　系統之間利用網絡通信13

1.9　重要主題15

1.9.1　并發和并行15

1.9.2　計算機系統中抽象的重要性17

1.10　小結17

參考文獻說明18

第一部分　程序結構和執行

第2章　信息的表示和處理20

2.1　信息存儲22

2.1.1　十六進制表示法22

2.1.2　字25

2.1.3　數據大小25

2.1.4　尋址和字節順序26

2.1.5　表示字符串31

2.1.6　表示代碼31

2.1.7　布爾代數簡介32

2.1.8　C語言中的位級運算34

2.1.9　C語言中的邏輯運算36

2.1.10　C語言中的移位運算36

2.2　整數表示38

2.2.1　整型數據類型38

2.2.2　無符號數的編碼39

2.2.3　補碼編碼40

2.2.4　有符號數和無符號數之間的轉換44

2.2.5　C語言中的有符號數與無符號數47

2.2.6　擴展一個數字的位表示49

2.2.7　截斷數字51

2.2.8　關于有符號數與無符號數的建議52

2.3　整數運算54

2.3.1　無符號加法54

2.3.2　補碼加法57

2.3.3　補碼的非59

2.3.4　無符號乘法60

2.3.5　補碼乘法60

2.3.6　乘以常數63

2.3.7　除以2的冪64

2.3.8　關于整數運算的最后思考67

2.4　浮點數67

2.4.1　二進制小數68

2.4.2　IEEE浮點表示70

2.4.3　數字示例71

2.4.4　舍入74

2.4.5　浮點運算76

2.4.6　C語言中的浮點數77

2.5　小結79

參考文獻說明80

家庭作業80

練習題答案90

第3章　程序的機器級表示102

3.1　歷史觀點103

3.2　程序編碼105

3.2.1　機器級代碼106

3.2.2　代碼示例107

3.2.3　關于格式的注解109

3.3　數據格式111

3.4　訪問信息112

3.4.1　操作數指示符112

3.4.2　數據傳送指令114

3.4.3　數據傳送示例116

3.5　算術和邏輯操作118

3.5.1　加載有效地址118

3.5.2　一元操作和二元操作119

3.5.3　移位操作120

3.5.4　討論120

3.5.5　特殊的算術操作122

3.6　控制123

3.6.1　條件碼124

3.6.2　訪問條件碼125

3.6.3　跳轉指令及其編碼127

3.6.4　翻譯條件分支129

3.6.5　循環132

3.6.6　條件傳送指令139

3.6.7　switch語句144

3.7　過程149

3.7.1　棧幀結構149

3.7.2　轉移控制150

3.7.3　寄存器使用慣例151

3.7.4　過程示例152

3.7.5　遞歸過程156

3.8　數組分配和訪問158

3.8.1　基本原則158

3.8.2　指針運算159

3.8.3　嵌套的數組159

3.8.4　定長數組161

3.8.5　變長數組163

3.9　異質的數據結構164

3.9.1　結構164

3.9.2　聯合167

3.9.3　數據對齊170

3.10　綜合：理解指針172

3.11　應用：使用GDB調試器174

3.12　存儲器的越界引用和緩沖區溢出175

3.13　x86-64：將IA32擴展到64位183

3.13.1　x86-64的歷史和動因184

3.13.2　x86-64簡介185

3.13.3　訪問信息187

3.13.4　控制192

3.13.5　數據結構200

3.13.6　關于x86-64的總結性評論200

3.14　浮點程序的機器級表示201

3.15　小結201

參考文獻說明202

家庭作業202

練習題答案212

第4章　處理器體系結構230

4.1　Y86指令集體系結構231

4.1.1　程序員可見的狀態231

4.1.2　Y86指令232

4.1.3　指令編碼233

4.1.4　Y86異常237

4.1.5　Y86程序237

4.1.6　一些Y86指令的詳情241

4.2　邏輯設計和硬件控制語言HCL242

4.2.1　邏輯門243

4.2.2　組合電路和HCL布爾表達式243

4.2.3　字級的組合電路和HCL整數表達式245

4.2.4　集合關系248

4.2.5　存儲器和時鐘248

4.3　Y86的順序實現250

4.3.1　將處理組織成階段250

4.3.2　SEQ硬件結構258

4.3.3　SEQ的時序259

4.3.4　SEQ階段的實現262

4.4　流水線的通用原理267

4.4.1　計算流水線268

4.4.2　流水線操作的詳細說明269

4.4.3　流水線的局限性271

4.4.4　帶反饋的流水線系統272

4.5　Y86的流水線實現273

4.5.1　SEQ+：重新安排計算階段273

4.5.2　插入流水線寄存器276

4.5.3　對信號進行重新排列和標號277

4.5.4　預測下一個PC279

4.5.5　流水線冒險280

4.5.6　用暫停來避免數據冒險283

4.5.7　用轉發來避免數據冒險285

4.5.8　加載/使用數據冒險288

4.5.9　異常處理289

4.5.10　PIPE各階段的實現291

4.5.11　流水線控制邏輯297

4.5.12　性能分析305

4.5.13　未完成的工作306

4.6　小結308

參考文獻說明309

家庭作業309

練習題答案314

第5章　優化程序性能324

5.1　優化編譯器的能力和局限性325

5.2　表示程序性能328

5.3　程序示例330

5.4　消除循環的低效率332

5.5　減少過程調用336

5.6　消除不必要的存儲器引用336

5.7　理解現代處理器340

5.7.1　整體操作340

5.7.2　功能單元的性能343

5.7.3　處理器操作的抽象模型344

5.8　循環展開348

5.9　提高并行性351

5.9.1　多個累積變量351

5.9.2　重新結合變換354

5.10　優化合并代碼的結果小結358

5.11　一些限制因素359

5.11.1　寄存器溢出359

5.11.2　分支預測和預測錯誤處罰360

5.12　理解存儲器性能363

5.12.1　加載的性能363

5.12.2　存儲的性能364

5.13　應用：性能提高技術369

5.14　確認和消除性能瓶頸369

5.14.1　程序剖析370

5.14.2　使用剖析程序來指導優化371

5.14.3　Amdahl定律374

5.15　小結375

參考文獻說明375

家庭作業376

練習題答案378

第6章　存儲器層次結構382

6.1 　存儲技術382

6.1.1　隨機訪問存儲器383

6.1.2　磁盤存儲389

6.1.3　固態硬盤398

6.1.4　存儲技術趨勢399

6.2　局部性401

6.2.1　對程序數據引用的局部性402

6.2.2　取指令的局部性403

6.2.3　局部性小結403

6.3　存儲器層次結構405

6.3.1　存儲器層次結構中的緩存406

6.3.2　存儲器層次結構概念小結408

6.4　高速緩存存儲器408

6.4.1　通用的高速緩存存儲器結構409

6.4.2　直接映射高速緩存410

6.4.3　組相聯高速緩存416

6.4.4　全相聯高速緩存418

6.4.5　有關寫的問題420

6.4.6　一個真實的高速緩存層次結構的解剖421

6.4.7　高速緩存參數的性能影響422

6.5　編寫高速緩存友好的代碼423

6.6　綜合：高速緩存對程序性能的影響426

6.6.1　存儲器山426

6.6.2　重新排列循環以提高空間局部性430

6.6.3　在程序中利用局部性433

6.7　小結433

參考文獻說明434

家庭作業434

練習題答案442

第二部分　在系統上運行程序

第7章　鏈接448

7.1　編譯器驅動程序449

7.2　靜態鏈接450

7.3　目標文件450

7.4　可重定位目標文件451

7.5　符號和符號表452

7.6　符號解析454

7.6.1　鏈接器如何解析多重定義的全局符號455

7.6.2　與靜態庫鏈接457

7.6.3　鏈接器如何使用靜態庫來解析引用460

7.7　重定位461

7.7.1　重定位條目461

7.7.2　重定位符號引用462

7.8　可執行目標文件465

7.9　加載可執行目標文件466

7.10　動態鏈接共享庫467

7.11　從應用程序中加載和鏈接共享庫468

7.12　與位置無關的代碼（PIC）471

7.13　處理目標文件的工具473

7.14　小結473

參考文獻說明474

家庭作業474

練習題答案479

第8章　異�？刂屏�480

8.1　異常481

8.1.1　異常處理481

8.1.2　異常的類別482

8.1.3　Linux/IA32系統中的異常484

8.2　進程487

8.2.1　邏輯控制流487

8.2.2　并發流487

8.2.3　私有地址空間488

8.2.4　用戶模式和內核模式488

8.2.5　上下文切換489

8.3　系統調用錯誤處理491

8.4　進程控制492

8.4.1　獲取進程ID492

8.4.2　創建和終止進程492

8.4.3　回收子進程495

8.4.4　讓進程休眠499

8.4.5　加載并運行程序500

8.4.6　利用fork和execve運行程序502

8.5　信號504

8.5.1　信號術語505

8.5.2　發送信號506

8.5.3　接收信號509

8.5.4　信號處理問題511

8.5.5　可移植的信號處理516

8.5.6　顯式地阻塞和取消阻塞信號517

8.5.7　同步流以避免討厭的并發錯誤517

8.6　非本地跳轉521

8.7　操作進程的工具524

8.8　小結524

參考文獻說明525

家庭作業525

練習題答案530

第9章　虛擬存儲器534

9.1　物理和虛擬尋址535

9.2　地址空間535

9.3　虛擬存儲器作為緩存的工具536

9.3.1　DRAM緩存的組織結構537

9.3.2　頁表537

9.3.3　頁命中538

9.3.4　缺頁538

9.3.5　分配頁面539

9.3.6　又是局部性救了我們539

9.4　虛擬存儲器作為存儲器管理的工具540

9.5　虛擬存儲器作為存儲器保護的工具541

9.6　地址翻譯542

9.6.1　結合高速緩存和虛擬存儲器544

9.6.2　利用TLB加速地址翻譯545

9.6.3　多級頁表546

9.6.4　綜合：端到端的地址翻譯547

9.7　案例研究：Intel Core i7/Linux存儲器系統550

9.7.1　Core i7地址翻譯551

9.7.2　Linux虛擬存儲器系統554

9.8　存儲器映射556

9.8.1　再看共享對象557

9.8.2　再看fork函數558

9.8.3　再看execve函數559

9.8.4　使用mmap函數的用戶級存儲器映射559

9.9　動態存儲器分配561

9.9.1　malloc和free函數561

9.9.2　為什么要使用動態存儲器分配563

9.9.3　分配器的要求和目標564

9.9.4　碎片565

9.9.5　實現問題565

9.9.6　隱式空閑鏈表565

9.9.7　放置已分配的塊567

9.9.8　分割空閑塊567

9.9.9　獲取額外的堆存儲器567

9.9.10　合并空閑塊568

9.9.11　帶邊界標記的合并568

9.9.12　綜合：實現一個簡單的分配器570

9.9.13　顯式空閑鏈表576

9.9.14　分離的空閑鏈表576

9.10　垃圾收集578

9.10.1　垃圾收集器的基本知識579

9.10.2　Mark&Sweep垃圾收集器580

9.10.3　C程序的保守Mark&Sweep580

9.11　C程序中常見的與存儲器有關的錯誤581

9.11.1　間接引用壞指針582

9.11.2　讀未初始化的存儲器582

9.11.3　允許棧緩沖區溢出582

9.11.4　假設指針和它們指向的對象是相同大小的583

9.11.5　造成錯位錯誤583

9.11.6　引用指針，而不是它所指向的對象583

9.11.7　誤解指針運算584

9.11.8　引用不存在的變量584

9.11.9　引用空閑堆塊中的數據584

9.11.10　引起存儲器泄漏585

9.12　小結585

參考文獻說明586

家庭作業586

練習題答案589

第三部分　程序間的交互和通信

第10章　系統級I/O596

10.1　Unix I/O596

10.2　打開和關閉文件597

10.3　讀和寫文件598

10.4　用RIO包健壯地讀寫599

10.4.1　RIO的無緩沖的輸入輸出函數600

10.4.2　RIO的帶緩沖的輸入函數600

10.5　讀取文件元數據604

10.6　共享文件606

10.7　I/O重定向608

10.8　標準I/O609

10.9　綜合：我該使用哪些I/O函數610

10.10　小結611

參考文獻說明612

家庭作業612

練習題答案612

第11章　網絡編程614

11.1　客戶端-服務器編程模型614

11.2　網絡615

11.3　全球IP因特網618

11.3.1　IP地址619

11.3.2　因特網域名620

11.3.3　因特網連接623

11.4　套接字接口625

11.4.1　套接字地址結構625

11.4.2　socket函數626

11.4.3　connect函數626

11.4.4　open_clientfd函數627

11.4.5　bind函數628

11.4.6　listen函數628

11.4.7　open_listenfd函數628

11.4.8　accept函數629

11.4.9　echo客戶端和服務器的示例630

11.5　Web服務器633

11.5.1　Web基礎633

11.5.2　Web內容633

11.5.3　HTTP事務634

11.5.4　服務動態內容636

11.6　綜合：TINY Web服務器639

11.7　小結645

參考文獻說明645

家庭作業646

練習題答案646

第12章　并發編程648

12.1　基于進程的并發編程649

12.1.1　基于進程的并發服務器649

12.1.2 關于進程的優劣651

12.2　基于I/O多路復用的并發編程651

12.2.1　基于I/O多路復用的并發事件驅動服務器653

12.2.2　I/O多路復用技術的優劣657

12.3　基于線程的并發編程657

12.3.1　線程執行模型657

12.3.2　Posix線程658

12.3.3　創建線程659

12.3.4　終止線程659

12.3.5　回收已終止線程的資源660

12.3.6　分離線程660

12.3.7　初始化線程660

12.3.8　一個基于線程的并發服務器661

12.4　多線程程序中的共享變量662

12.4.1　線程存儲器模型663

12.4.2　將變量映射到存儲器663

12.4.3　共享變量664

12.5　用信號量同步線程664

12.5.1　進度圖667

12.5.2　信號量668

12.5.3　使用信號量來實現互斥669

12.5.4　利用信號量來調度共享資源670

12.5.5　綜合：基于預線程化的并發服務器674

12.6　使用線程提高并行性676

12.7　其他并發問題680

12.7.1　線程安全680

12.7.2　可重入性682

12.7.3　在線程化的程序中使用已存在的庫函數682

12.7.4　競爭683

12.7.5　死鎖685

12.8　小結687

參考文獻說明687

家庭作業688

練習題答案691

附錄Ａ　錯誤處理694

A.1　Unix系統中的錯誤處理694

A.2 　錯誤處理包裝函數696

參考文獻698

深入理解計算機系統內容簡介

本書從程序員的視角詳細闡述計算機系統的本質概念，并展示這些概念如何實實在在地影響應用程序的正確性、性能和實用性。全書共12章，主要內容包括信息的表示和處理、程序的機器級表示、處理器體系結構、優化程序性能、存儲器層次結構、鏈接、異�？刂屏�、虛擬存儲器、系統級I/O、網絡編程、并發編程等。書中提供大量的例子和練習，并給出部分答案，有助于讀者加深對正文所述概念和知識的理解。

本書的最大優點是為程序員描述計算機系統的實現細節，幫助其在大腦中構造一個層次型的計算機系統，從最底層的數據在內存中的表示到流水線指令的構成，到虛擬存儲器，到編譯系統，到動態加載庫，到最后的用戶態應用。通過掌握程序是如何映射到系統上，以及程序是如何執行的，讀者能夠更好地理解程序的行為為什么是這樣的，以及效率低下是如何造成的。

本書適合那些想要寫出更快、更可靠程序的程序員閱讀，也適合作為高等院校計算機及相關專業本科生、研究生的教材。