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出版者:

作者:

出品人:

頁數:183

译者:

出版時間:2009-8

價格:18.00元

裝幀:

isbn號碼:9787562449997

叢書系列:

圖書標籤:

• C語言
• 程序設計
• 實例
• 教程
• 編程入門
• 算法
• 數據結構
• 計算機基礎
• 代碼示例
• 學習資料

《深入理解計算機係統：程序員的視角》 前言 你是否曾好奇，當你在終端輸入一行簡單的 C 語言代碼，按下迴車鍵後，究竟發生瞭什麼？你寫的程序是如何被轉換成機器能夠理解的語言，又如何在處理器上執行，最終呈現齣我們所見的界麵或完成特定任務的？《深入理解計算機係統：程序員的視角》（Computer Systems: A Programmer's Perspective，簡稱 CS:APP）將帶你踏上一段探索計算機係統運作奧秘的旅程，它將從一個程序員最關心、最直接的視角，解構計算機的內在世界。 這不僅僅是一本關於 C 語言編程技巧的書籍。雖然 C 語言作為一種強大的係統級編程語言，在本書中占據瞭重要的篇幅，但它的核心目標是幫助你建立起對整個計算機係統架構的深刻理解。我們將不僅僅停留於“如何寫齣能工作的代碼”，更進一步探究“代碼是如何工作的”，以及“如何寫齣更高效、更健壯、更安全的代碼”。 本書的目標讀者是那些渴望超越錶麵，真正掌握計算機底層原理的開發者。無論你是初入編程世界，希望打下堅實基礎的學生，還是身經百戰，希望精進技藝的資深工程師，相信都能從本書的剖析中獲益匪淺。我們將從最基礎的概念齣發，逐步深入到復雜的主題，力求以清晰易懂的語言和翔實的實例，帶領你一步步揭開計算機的神秘麵紗。 第一部分：信息與程序 在深入探討代碼的執行之前，我們首先需要理解計算機如何錶示和處理信息。 數據錶示： 我們將從最基本的二進製位（bits）和字節（bytes）開始，探討不同的數據類型（整數、浮點數、字符等）在計算機內部是如何編碼的。你將瞭解到 ASCII 碼、Unicode 的演變，以及有符號整數和無符號整數的錶示方法，包括原碼、反碼和補碼的原理。理解這些基礎知識，對於調試涉及位操作的程序，理解溢齣等問題至關重要。 整數運算： 許多編程語言都提供瞭對整數的直接運算，但我們將在本書中深入探究這些運算在底層是如何實現的。我們將瞭解算術邏輯單元（ALU）的工作原理，以及加法、減法、乘法、除法等運算是如何通過一係列邏輯門電路完成的。你還將學習到溢齣的概念，以及它可能導緻的潛在錯誤。 浮點數運算： 計算機如何錶示和處理實數？本書將詳細介紹 IEEE 浮點標準，解釋單精度（float）和雙精度（double）浮點數的存儲格式，包括符號位、指數位和尾數位的含義。你將理解為什麼浮點數運算可能存在精度問題，以及如何避免或緩解這些問題。 信息的錶示和處理： 除瞭數值，計算機如何錶示和處理文本、圖像、音頻等更復雜的信息？我們將觸及字符編碼、字符串的存儲，以及位嚮量的概念。理解信息的底層錶示，將幫助你更好地理解文件I/O、網絡通信等高級應用。 機器代碼： 你編寫的 C 語言代碼，最終需要被轉換成計算機能夠直接執行的機器代碼。我們將介紹編譯（compilation）和鏈接（linking）的過程。你將瞭解預處理器（preprocessor）、編譯器（compiler）、匯編器（assembler）和鏈接器（linker）各自的作用，以及它們如何協同工作，將人類可讀的源代碼轉化為機器可執行的二進製文件。我們會通過示例，展示簡單 C 程序對應的匯編代碼，讓你直觀地看到代碼是如何被映射到機器指令的。 處理器架構： 瞭解程序執行的硬件環境是必不可少的。我們將簡要介紹指令集體係結構（ISA）的概念，以及現代處理器（CPU）的基本結構，包括程序計數器（PC）、通用寄存器、內存和緩存。理解指令如何在處理器上流水綫式地執行，將幫助你理解程序性能的瓶頸。 第二部分：程序在內存中的運行 一旦程序被編譯成機器代碼，它就需要被加載到內存中執行。這一部分將深入剖析程序在內存中的布局和運行機製。 內存模型： 計算機內存是一個巨大的字節數組。我們將詳細講解程序的內存模型，包括代碼段（text segment）、數據段（data segment）、BSS 段（uninitialized data segment）、堆（heap）和棧（stack）的劃分。你將理解全局變量、局部變量、函數參數、函數返迴地址等信息是如何存儲在內存中的。 棧與函數調用： 函數調用是程序結構的基本組成單元。本書將詳細闡述函數調用的過程，包括參數傳遞、返迴值處理以及棧幀（stack frame）的創建與銷毀。理解棧的工作原理，對於理解遞歸、避免棧溢齣等問題至關重要。 堆與動態內存分配： 當程序需要創建在函數調用結束後仍然存在的對象時，就需要使用動態內存分配。我們將深入講解 C 語言中的 `malloc` 和 `free` 函數，以及它們在堆上的工作機製。你將瞭解堆是如何管理的，以及內存泄漏（memory leak）和懸掛指針（dangling pointer）等常見的內存錯誤是如何産生的。 虛擬內存： 現代操作係統都采用瞭虛擬內存技術。本書將解釋虛擬內存的概念，包括地址空間、頁錶（page table）以及缺頁中斷（page fault）。你將理解虛擬內存如何為每個進程提供獨立的地址空間，以及它如何實現內存的共享和保護。 緩存與內存層次結構： CPU 的處理速度遠高於主內存的訪問速度。為瞭彌閤這種差距，計算機引入瞭多級緩存（cache）。我們將詳細講解緩存的工作原理，包括緩存塊（cache line）、命中（hit）與未命中（miss）、直接映射、組相聯映射和全相聯映射等。理解緩存的工作方式，對於優化程序性能，減少緩存未命中率至關重要。 第三部分：優化程序性能 編寫能夠正確運行的代碼隻是第一步，真正的挑戰在於如何寫齣高效的代碼。本部分將從多個角度探討程序性能優化的方法。 性能的度量： 我們需要學會如何衡量程序的性能。本書將介紹各種性能度量指標，如指令周期、時鍾周期、CPI（Cycles Per Instruction）以及 GFLOPS（Giga Floating-point Operations Per Second）等。你將瞭解如何使用性能分析工具（profiler）來識彆程序的性能瓶頸。 理解和利用指令級並行： 現代處理器能夠同時執行多條指令。我們將探討指令級並行（Instruction-Level Parallelism, ILP）的概念，包括超標量（superscalar）、流水綫（pipelining）以及分支預測（branch prediction）等技術。理解這些技術，將幫助你寫齣更容易被編譯器優化，從而提高執行效率的代碼。 重疊與延遲： 程序執行過程中，不同操作的延遲是不可避免的。我們將學習如何通過重疊（overlap）計算與I/O，以及如何利用緩存的局部性（locality）來減少延遲。 理解和利用內存層次結構： 深入理解緩存的工作原理，能夠幫助你編寫齣對緩存更友好的代碼。我們將講解數據局部性（temporal locality）和空間局部性（spatial locality），以及如何通過閤理的數據訪問模式來提高緩存命中率。 循環優化： 循環是程序中最常見的結構。我們將介紹各種循環優化技術，如循環展開（loop unrolling）、循環融閤（loop fusion）、循環調度（loop scheduling）等，以及它們如何幫助提高程序的執行效率。 函數調用開銷： 函數調用雖然提高瞭代碼的可讀性和模塊化，但也會帶來一定的開銷。本書將分析函數調用的開銷，並探討如何在某些情況下通過內聯（inlining）等方式來減少這種開銷。 第四部分：並發與安全 在多核處理器普及的今天，編寫並發程序和保證程序的安全性變得尤為重要。 並發編程： 我們將介紹並發（concurrency）的概念，以及多綫程（multithreading）和多進程（multiprocessing）的區彆。你將學習如何使用 POSIX Threads (pthreads) 或其他並發編程模型來編寫並行程序。 同步與互斥： 在並發環境中，多個綫程或進程可能同時訪問共享數據，這可能導緻數據競爭（data race）等問題。本書將講解鎖（locks）、信號量（semaphores）和條件變量（condition variables）等同步機製，幫助你編寫能夠安全地共享數據的並發程序。 安全性： 程序漏洞是安全攻擊的重要入口。我們將剖析常見的程序安全漏洞，如緩衝區溢齣（buffer overflow）、格式化字符串漏洞（format string vulnerability）和整數溢齣（integer overflow）等。你將學習如何通過編寫更安全的 C 代碼，以及使用安全編程實踐來防範這些漏洞。 攻擊與防禦： 我們將簡要介紹常見的攻擊技術，如棧溢齣攻擊、堆噴射（heap spraying）等，以及操作係統提供的安全機製，如地址空間布局隨機化（ASLR）和數據執行保護（DEP）等。 總結 《深入理解計算機係統：程序員的視角》旨在為讀者構建一個全麵而深刻的計算機係統知識體係。通過本書的學習，你將不僅僅是一個 C 語言的編寫者，更會成為一個真正理解計算機如何工作的係統構建者。你將能夠： 更有效地調試程序： 當程序齣現異常時，你能夠從底層原因追溯，而不是僅憑現象猜測。 編寫更高性能的代碼： 你能夠利用係統特性，為你的程序注入澎湃的動力。 構建更安全的應用： 你能夠識彆潛在的安全隱患，並采取措施防範攻擊。 為未來的學習打下堅實基礎： 無論是操作係統、編譯器、網絡協議還是分布式係統，本書都將為你鋪平道路。 這趟探索之旅將充滿挑戰，但迴報同樣豐厚。準備好深入探索計算機係統的核心瞭嗎？讓我們一起開啓這段精彩的旅程！

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