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出版者:Prentice Hall

作者:LIANG

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2006-8-10

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9781405853668

丛书系列:

图书标签:

• Java
• 编程入门
• 计算机科学
• 面向对象
• 数据结构
• 算法
• 编程语言
• 软件开发
• 初学者
• 教程

《深入理解计算机系统》：一部构建坚实技术基石的权威著作 导言：超越表象，探寻计算的本质 在飞速发展的数字时代，软件和硬件的界限日益模糊，构建高效、可靠的系统需要对底层原理有深刻的洞察。本书，《深入理解计算机系统》（Computer Systems: A Programmer's Perspective，简称 CS:APP），并非仅仅是一本关于编程语言语法的指南，它是一扇通往计算机系统核心机制的门户。它旨在弥合“应用程序程序员”与“系统架构师”之间的鸿沟，为读者提供一个统一、连贯的视角，理解程序在其运行的硬件和软件环境中是如何执行的。 本书的独特之处在于其自顶向下与自底向上相结合的叙事方式。它从程序员最熟悉的应用程序代码出发，逐步深入到处理器、内存层次结构、操作系统、网络乃至编译器等各个层面，揭示了每一层抽象背后的物理实现和设计权衡。 --- 第一部分：程序在现代系统中的表示与执行 本部分是理解所有后续主题的基石，它探讨了程序如何从源代码转化为可以在机器上执行的二进制文件，以及CPU是如何一步步解析和执行这些指令的。 第一章：信息表示、程序和处理机 本章首先聚焦于信息表示。计算机世界的基石是二进制。我们将详细探讨整数（有符号和无符号）的表示方法，特别是补码（Two’s Complement）的计算规则及其在加减乘除运算中的高效性。随后，我们将深入浮点数的IEEE 754标准，理解它如何以有限的精度来近似无限的实数，以及舍入误差的来源和影响。 接着，我们转向数据结构与程序。C语言，作为连接高级抽象与底层实现的桥梁，是本书描述系统的主要工具。我们会分析不同数据类型（如数组、结构体）在内存中的布局，以及编译器如何将高级语言结构映射到机器指令。 最后，本章引入处理机体系结构的核心概念。我们会剖析指令集架构（ISA），理解汇编语言的本质，并探索处理器结构的基本模型，包括程序计数器（PC）、寄存器堆栈以及指令的取指、译码和执行周期。理解这些，才能真正明白 `x86-64` 或 `ARM` 架构的处理器是如何“思考”的。 第二章：整数运算与溢出 本章将整数运算提升到一个新的深度。我们不仅会回顾基本的算术运算，更重要的是探讨溢出（Overflow）的机制。在固定位宽的限制下，整数运算的环绕特性（Wrapping）是理解安全漏洞和算法实现的关键。我们将深入研究位运算（逻辑与、或、异或、移位操作），展示如何用简单的位操作实现复杂的数学功能，例如快速乘法和除法（通过位移实现）。此外，本章还会涉及关于整数运算在不同上下文中的数学性质和编程陷阱。 第三章：处理器体系结构（深入解析） 本章是关于CPU内部工作的核心章节。我们从抽象的ISA模型过渡到流水线（Pipelining）技术。理解流水线如何通过将指令执行分解为多个阶段（如取指、译码、执行、访存、写回）来提高吞吐量至关重要。我们将详尽分析流水线中的数据冒险（Data Hazards）和控制冒险（Control Hazards），以及现代处理器如何通过乱序执行（Out-of-Order Execution）和分支预测（Branch Prediction）技术来缓解这些冲突，实现高性能。分支预测的准确性对程序性能有着直接且巨大的影响，我们将探讨其工作原理及其对代码编写的影响。 --- 第二部分：系统软件与硬件的接口 一旦程序被编译成可执行文件，它就需要操作系统的支持才能运行。本部分关注操作系统提供的抽象层如何影响程序的行为和性能。 第四章：汇编语言与链接 理解程序在内存中的布局是掌握系统编程的关键。本章详细解析了ELF（Executable and Linkable Format）文件格式，它定义了可执行文件、共享对象和核心转储的结构。我们将学习如何使用反汇编工具（如GDB）来查看编译器生成的机器代码，将指令映射回原始的C代码。 随后，我们聚焦于链接（Linking）过程，它将代码和数据组合成一个完整的可执行模块。我们将区分静态链接（将所有库代码复制到最终可执行文件中）和动态链接（运行时加载共享库，如`.so`文件）的优缺点。动态链接引出了地址空间布局随机化（ASLR）的概念，这是现代操作系统防止缓冲区溢出攻击的重要安全机制。 第五章：程序与数据在内存中的组织 本章为程序运行提供了“地图”。我们全面审视了虚拟内存的概念。一个程序视角下的内存空间被划分为几个关键区域：代码段（Text）、数据段（Initialized Data）、未初始化数据段（BSS）、堆（Heap）和栈（Stack）。 栈是函数调用的核心机制。我们将深入探讨栈帧的结构，包括局部变量、参数传递、返回地址的保存，以及栈溢出（Stack Overflow）漏洞的形成机制。堆的管理，即动态内存分配（`malloc`和`free`），是本章的另一个重点，我们将探讨堆管理器的内部机制，如空闲链表和边界标签，以及内存碎片化的问题。 第六章：异常控制流 程序执行并非总是线性的。异常控制流（Exceptional Control Flow）是系统响应事件（如中断、陷阱、系统调用和信号）的机制。 我们将探讨中断（Interrupts）如何由硬件触发，以及陷阱（Traps）如何由软件（如系统调用）引发。系统调用是用户程序请求操作系统内核服务的标准接口，理解这一上下文切换的过程是理解操作系统工作方式的关键。此外，本章还会分析信号（Signals），这是操作系统向进程发送异步通知的机制，以及它们如何影响程序的正常流程，常用于错误处理和进程间通信。 --- 第三部分：存储系统——性能与优化的关键 现代系统的性能瓶颈往往不在于CPU速度的提升，而在于数据在不同存储设备之间的移动延迟。本部分系统地介绍了存储层次结构，并强调了程序员如何利用这些知识来优化代码。 第七章：内存与缓存的层次结构 本章是性能优化的核心所在。我们描述了存储器层次结构：从速度极快但容量极小的寄存器，到速度较慢但容量巨大的磁盘存储。CPU缓存（Cache Memory）是这个层次结构中最关键的一环。 我们将详尽分析缓存的结构，包括块（Block）、集合（Set）和索引（Index）。缓存的工作原理基于局部性原理（Locality Principle）：时间局部性和空间局部性。我们将深入探讨缓存命中（Hit）和缓存不命中（Miss）的类型（冷、冲突、容量不命中），以及不同的地址映射策略（直写法、全相联、组相联）。理解这些机制，是编写缓存友好代码的第一步。 第八章：虚拟内存 虚拟内存（Virtual Memory, VM）是操作系统提供的最强大的抽象之一。它为每个进程提供了一个独立的、私有的、连续的地址空间，同时通过页表（Page Tables）将虚拟地址映射到实际的物理内存地址。本章将解释VM如何实现内存保护，并允许程序使用比物理内存更大的地址空间。我们还将讨论缺页中断（Page Faults）的处理过程，这是VM机制的关键操作，以及操作系统如何通过页面置换算法决定何时将内存中的“脏页”写回磁盘。 第九章：磁盘存储与I/O 虽然缓存和RAM处理短期数据，但持久化存储依赖于磁盘驱动器（HDD）和固态驱动器（SSD）。我们将分析机械硬盘的物理结构（盘片、磁头、寻道时间、旋转延迟）及其对I/O性能的影响。随后，我们将对比SSD的工作原理，理解闪存的特性和磨损问题。本章强调了I/O操作的巨大延迟，并介绍了块存储的概念，以及如何通过I/O调度算法来优化磁盘访问的效率。 --- 第四部分：并发与网络编程 在多核处理器成为主流的今天，编写正确且高效的并发程序是现代软件开发的核心挑战。同时，网络是所有分布式应用的基础。 第十章：并发编程：线程与同步 本章探讨了并发的各个方面。我们首先介绍进程和线程的区别，理解操作系统如何通过上下文切换来管理多个执行流。然后，我们将重点关注共享数据的并发访问问题，引入竞态条件（Race Conditions）的概念。 为了解决竞态条件，本章详细讲解了同步机制：互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）和条件变量（Condition Variables）。我们将展示如何利用这些工具来构建正确的并发数据结构和算法。同时，我们也会分析并发编程中的陷阱，如死锁（Deadlock）的发生条件及其避免策略。最后，本章还会触及线程安全的编程实践。 第十一章：程序级并发：进程与信号量 本章扩展了并发的概念到进程级别。我们将深入探讨进程的创建、终止和管理。不同于线程共享地址空间，进程之间通过进程间通信（IPC）机制进行交互，例如管道（Pipes）、共享内存和消息队列。 此外，本章会重温信号（Signals），展示它们在进程级控制流中的应用，例如如何通过捕获`SIGCHLD`来等待子进程终止。理解进程模型的抽象，对于构建健壮的后台服务至关重要。 第十二章：网络编程：并发服务器设计 本章将计算的概念扩展到网络边界。我们从网络应用编程接口（API）入手，特别是套接字（Sockets）编程，这是所有客户端-服务器通信的基础。 我们将详细解析客户端-服务器编程模型，并重点关注如何构建高性能的并发服务器。我们探讨了三种主要的并发服务器设计范式：多进程服务器、多线程服务器以及基于I/O多路复用（如`select`和`epoll`）的事件驱动模型。通过对这些模型的性能和资源消耗的分析，读者将能够根据实际需求选择最合适的并发策略，从而构建出既健壮又可扩展的网络应用。 --- 总结：一个统一的视角 《深入理解计算机系统》提供了一个从C语言到硬件体系结构的完整路径。它教导的不是特定技术的记忆，而是一种思考问题的方式——始终追问“为什么”以及“它是如何实现的”。掌握这些底层原理，无论是编写操作系统内核、优化数据库引擎、设计高性能的编译器，还是调试复杂的分布式系统，都将为你提供无可比拟的优势和洞察力。本书是每一位希望从“代码使用者”转变为“系统构建者”的工程师的必读之作。

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这本书的实战性是我最看重的一点。很多Java教程，讲了一堆理论，代码跑起来却总感觉是空中楼阁，脱离实际工作场景。而《Java编程入门》的每一个大章节的结尾，都会设计一个“项目实践”模块。我记得学完集合框架后，我们被要求设计一个简单的学生信息管理系统，需要用到`ArrayList`来存储对象，用`HashMap`来实现按学号快速查找的功能。随后，在讲解文件I/O的时候，就要求我们将之前存储的学生数据序列化到文件中，并能重新加载。这种“学一点，用一点，立即检验成果”的学习闭环，极大地巩固了我的知识。它不仅仅是告诉你“这是工具”，更是告诉你“在什么情况下用这个工具能解决什么问题”。这种以问题驱动的学习路径，让我感觉自己不是在被动地接收知识，而是在主动地构建一个实用的软件雏形，这种成就感是无可替代的。

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这本《Java编程入门》实在是太对我的胃口了！我一个编程小白，以前对代码的印象就是密密麻麻的英文和看不懂的符号，总觉得高不可攀。但是这本书的叙述方式简直是化繁为简的大师。它从最基础的“什么是程序”、“变量是干嘛的”这些概念讲起，不厌其烦地用生活中的例子来类比，比如把变量比作储物柜，把方法比作食谱。我记得有一次看到关于面向对象那一章，我头都大了，但是作者没有直接抛出复杂的术语，而是先讲了一个“盖房子的过程”，把类比作蓝图，对象比作实际盖好的房子，一下子就清晰了。而且，书中的代码示例都非常精炼，而且每一步都有详尽的注释，不是那种敷衍了事的注释，而是真正解释了“为什么这么写”的深层逻辑。读完前面的章节，我竟然真的敢自己动手敲代码了，而不是仅仅停留在“看懂”的阶段。对于我这种需要手把手教学的初学者来说，这种循序渐进、温柔引导的风格，简直是雪中送炭。它让我对Java这门语言不再心生畏惧，反而充满了探索的欲望。

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我是一个有几年C++经验的开发者，最近被公司要求转向Java生态，说实话，一开始我是抱着一种“不屑一顾”的心态来看待这本《Java编程入门》的。毕竟，基础知识对我来说都是洒洒水啦，我更关注的是Java 8以后的新特性和底层原理。然而，这本书在处理一些Java特有的机制时，展现出了惊人的深度和清晰度。比如，它对JVM内存模型（堆、栈、方法区）的解释，没有像很多入门书籍那样一笔带过，而是用了大量的图示和深入的剖析，讲解了垃圾回收机制的工作原理，这对于我们这些需要优化性能的工程师来说至关重要。书中对并发编程的介绍也处理得非常到位，它没有直接跳到复杂的锁机制，而是先铺垫了线程安全的概念，再巧妙地引入`synchronized`和`volatile`关键字的应用场景，解释了它们在JMM（Java内存模型）下的具体作用。虽然名字叫“入门”，但它的内容深度完全可以媲美很多中级教程，对于有基础的读者来说，它是一个绝佳的“查漏补缺”和“系统重构知识体系”的工具书。

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从一个完全跨专业的角度来看待这本书，我必须承认它在语言的普及性和友好性上做得非常出色。我之前完全没有接触过任何偏向理工科的知识，对类、对象、封装这些词汇感到非常陌生。这本书没有一开始就用那些生硬的计算机科学术语来压倒读者。相反，它用了大量的类比，比如将封装比作保险箱，将继承比作血缘关系。更重要的是，它似乎非常理解初学者的“心流”变化。在讲解到稍有难度的抽象类和接口时，它会穿插一些非常简单的、能立即运行的小程序，比如一个计算器的小工具，让读者在思维疲劳之前获得一次成功的编程体验，从而为接下来的挑战积蓄动力。这种对读者心理状态的细腻把握，使得整本书的阅读节奏张弛有度，让人在不知不觉中就吸收了大量复杂的概念，真正做到了“润物细无声”的教学效果。

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这本书的排版和设计简直是艺术品级别的。我是一个对视觉体验非常挑剔的人，很多技术书籍因为内容过于枯燥，排版也做得像字典一样密不透风，读两页我就想关上。但这本《Java编程入门》完全不一样。它的留白处理得恰到好处，关键概念和代码块都有着明确的视觉层级区分，让人阅读起来眼睛非常舒服，长时间学习也不会感到疲劳。更让我惊喜的是，作者在书中嵌入了一些“小贴士”或者“陷阱警示”的边栏设计，这些内容往往是经验丰富的程序员才会注意到的细节，比如“注意：在处理字符串拼接时，使用`+`操作符在循环中可能导致性能问题，推荐使用`StringBuilder`”。这些非正文的补充信息，极大地提升了我的编程实践能力。它就像一个经验丰富的前辈，一边和你讲课，一边用红笔在你的草稿上做标记，告诉你哪里容易出错。这种精心雕琢的阅读体验，让学习过程本身变成了一种享受，而不是一种负担。

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