深入理解計算機系統（原書第3版）

《深入理解計算機系統（原書第3版）》是2016年12月1日機械工業出版社出版的圖書，作者是[美] 蘭德爾 E.布萊恩特（ Randal E.·Bryant） 。

基本介紹

• 中文名：深入理解計算機系統（原書第3版）
• 作者：[美] 蘭德爾 E.布萊恩特（ Randal E.·Bryant）
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111544937

內容簡介

和第2版相比，本版內容上*大的變化是，從以IA32和x86-64為基礎轉變為完全以x86-64為基礎。主要更新如下：

基於x86-64，大量地重寫代碼，首次介紹對處理浮點數據的程式的機器級支持。

處理器體系結構修改為支持64位字和操作的設計。

引入更多的功能單元和更複雜的控制邏輯，使基於程式數據流表示的程式性能模型預測更加可靠。

擴充關於用GOT和PLT創建與位置無關代碼的討論，描述了更加強大的連結技術（比如庫打樁）。

增加了對信號處理程式更細緻的描述，包括異步信號安全的函式等。

採用新函式，更新了與協定無關和執行緒安全的網路編程。

圖書目錄

出版者的話

中文版序一

中文版序二

譯者序

前言

關於作者

第1章　計算機系統漫遊1

1.1　信息就是位+上下文1

1.2　程式被其他程式翻譯成不同的格式3

1.3　了解編譯系統如何工作是大有益處的4

1.4　處理器讀並解釋儲存在記憶體中的指令5

1.4.1　系統的硬體組成5

1.4.2　運行hello程式7

1.5　高速快取至關重要9

1.6　存儲設備形成層次結構9

1.7　作業系統管理硬體10

1.7.1　進程11

1.7.2　執行緒12

1.7.3　虛擬記憶體12

1.7.4　檔案14

1.8　系統之間利用網路通信14

1.9　重要主題16

1.9.1　Amdahl定律16

1.9.2　並發和並行17

1.9.3　計算機系統中抽象的重要性19

1.10　小結20

參考文獻說明20

練習題答案20

第一部分

程式結構和執行

第2章　信息的表示和處理22

2.1　信息存儲24

2.1.1　十六進制表示法25

2.1.2　字數據大小27

2.1.3　定址和位元組順序29

2.1.4　表示字元串34

2.1.5　表示代碼34

2.1.6　布爾代數簡介35

2.1.7　C語言中的位級運算37

2.1.8　C語言中的邏輯運算39

2.1.9　C語言中的移位運算40

2.2　整數表示41

2.2.1　整型數據類型42

2.2.2　無符號數的編碼43

2.2.3　補碼編碼44

2.2.4　有符號數和無符號數之間的轉換49

2.2.5　C語言中的有符號數與無符號數52

2.2.6　擴展一個數字的位表示54

2.2.7　截斷數字56

2.2.8　關於有符號數與無符號數的建議58

2.3　整數運算60

2.3.1　無符號加法60

2.3.2　補碼加法62

2.3.3　補碼的非66

2.3.4　無符號乘法67

2.3.5　補碼乘法67

2.3.6　乘以常數70

2.3.7　除以2的冪71

2.3.8　關於整數運算的最後思考74

2.4　浮點數75

2.4.1　二進制小數76

2.4.2　IEEE浮點表示78

2.4.3　數字示例79

2.4.4　捨入83

2.4.5　浮點運算85

2.4.6　C語言中的浮點數86

2.5　小結87

參考文獻說明88

家庭作業88

練習題答案97

第3章　程式的機器級表示109

3.1　歷史觀點110

3.2　程式編碼113

3.2.1　機器級代碼113

3.2.2　代碼示例114

3.2.3　關於格式的註解117

3.3　數據格式119

3.4　訪問信息119

3.4.1　運算元指示符121

3.4.2　數據傳送指令122

3.4.3　數據傳送示例125

3.4.4　壓入和彈出棧數據127

3.5　算術和邏輯操作128

3.5.1　載入有效地址129

3.5.2　一元和二元操作130

3.5.3　移位操作131

3.5.4　討論131

3.5.5　特殊的算術操作133

3.6　控制135

3.6.1　條件碼135

3.6.2　訪問條件碼136

3.6.3　跳轉指令138

3.6.4　跳轉指令的編碼139

3.6.5　用條件控制來實現條件分支…141

3.6.6　用條件傳送來實現條件分支…145

3.6.7　循環149

3.6.8　switch語句159

3.7　過程164

3.7.1　運行時棧164

3.7.2　轉移控制165

3.7.3　數據傳送168

3.7.4　棧上的局部存儲170

3.7.5　暫存器中的局部存儲空間172

3.7.6　遞歸過程174

3.8　數組分配和訪問176

3.8.1　基本原則176

3.8.2　指針運算177

3.8.3　嵌套的數組178

3.8.4　定長數組179

3.8.5　變長數組181

3.9　異質的數據結構183

3.9.1　結構183

3.9.2　聯合186

3.9.3　數據對齊189

3.10　在機器級程式中將控制與數據結合起來192

3.10.1　理解指針192

3.10.2　套用：使用GDB調試器193

3.10.3　記憶體越界引用和緩衝區溢出194

3.10.4　對抗緩衝區溢出攻擊198

3.10.5　支持變長棧幀201

3.11　浮點代碼204

3.11.1　浮點傳送和轉換操作205

3.11.2　過程中的浮點代碼209

3.11.3　浮點運算操作210

3.11.4　定義和使用浮點常數212

3.11.5　在浮點代碼中使用位級操作212

3.11.6　浮點比較操作213

3.11.7　對浮點代碼的觀察結論215

3.12　小結216

參考文獻說明216

家庭作業216

練習題答案226

第4章　處理器體系結構243

4.1　Y86-64指令集體系結構245

4.1.1　程式設計師可見的狀態245

4.1.2　Y86-64指令245

4.1.3　指令編碼246

4.1.4　Y86-64異常250

4.1.5　Y86-64程式251

4.1.6　一些Y86-64指令的詳情255

4.2　邏輯設計和硬體控制語言HCL256

4.2.1　邏輯門257

4.2.2　組合電路和HCL布爾表達式257

4.2.3　字級的組合電路和HCL整數表達式258

4.2.4　集合關係261

4.2.5　存儲器和時鐘262

4.3　Y86-64的順序實現264

4.3.1　將處理組織成階段264

4.3.2　SEQ硬體結構272

4.3.3　SEQ的時序274

4.3.4　SEQ階段的實現277

4.4　流水線的通用原理282

4.4.1　計算流水線282

4.4.2　流水線操作的詳細說明284

4.4.3　流水線的局限性284

4.4.4　帶反饋的流水線系統287

4.5　Y86-64的流水線實現288

4.5.1　SEQ+：重新安排計算階段288

4.5.2　插入流水線暫存器289

4.5.3　對信號進行重新排列和標號292

4.5.4　預測下一個PC293

4.5.5　流水線冒險295

4.5.6　異常處理306

4.5.7　PIPE各階段的實現308

4.5.8　流水線控制邏輯314

4.5.9　性能分析322

4.5.10　未完成的工作323

4.6　小結325

參考文獻說明326

家庭作業327

練習題答案331

第5章　最佳化程式性能341

5.1　最佳化編譯器的能力和局限性342

5.2　表示程式性能345

5.3　程式示例347

5.4　消除循環的低效率350

5.5　減少過程調用353

5.6　消除不必要的記憶體引用354

5.7　理解現代處理器357

5.7.1　整體操作357

5.7.2　功能單元的性能361

5.7.3　處理器操作的抽象模型362

5.8　循環展開366

5.9　提高並行性369

5.9.1　多個累積變數370

5.9.2　重新結合變換373

5.10　最佳化合併代碼的結果小結377

5.11　一些限制因素378

5.11.1　暫存器溢出378

5.11.2　分支預測和預測錯誤處罰379

5.12　理解記憶體性能382

5.12.1　載入的性能382

5.12.2　存儲的性能383

5.13　套用：性能提高技術387

5.14　確認和消除性能瓶頸388

5.14.1　程式剖析388

5.14.2　使用剖析程式來指導最佳化390

5.15　小結392

參考文獻說明393

家庭作業393

練習題答案395

第6章　存儲器層次結構399

6.1　存儲技術399

6.1.1　隨機訪問存儲器400

6.1.2　磁碟存儲406

6.1.3　固態硬碟414

6.1.4　存儲技術趨勢415

6.2　局部性418

6.2.1　對程式數據引用的局部性418

6.2.2　取指令的局部性419

6.2.3　局部性小結420

6.3　存儲器層次結構421

6.3.1　存儲器層次結構中的快取422

6.3.2　存儲器層次結構概念小結424

6.4　高速快取存儲器425

6.4.1　通用的高速快取存儲器組織結構425

6.4.2　直接映射高速快取427

6.4.3　組相聯高速快取433

6.4.4　全相聯高速快取434

6.4.5　有關寫的問題437

6.4.6　一個真實的高速快取層次結構的解剖438

6.4.7　高速快取參數的性能影響439

6.5　編寫高速快取友好的代碼440

6.6　綜合：高速快取對程式性能的影響444

6.6.1　存儲器山444

6.6.2　重新排列循環以提高空間局部性447

6.6.3　在程式中利用局部性450

6.7　小結450

參考文獻說明451

家庭作業451

練習題答案459

第二部分

在系統上運行程式

第7章　連結464

7.1　編譯器驅動程式465

7.2　靜態連結466

7.3　目標檔案466

7.4　可重定位目標檔案467

7.5　符號和符號表468

7.6　符號解析470

7.6.1　連結器如何解析多重定義的全局符號471

7.6.2　與靜態庫連結475

7.6.3　連結器如何使用靜態庫來解析引用477

7.7　重定位478

7.7.1　重定位條目479

7.7.2　重定位符號引用479

7.8　可執行目標檔案483

7.9　載入可執行目標檔案484

7.10　動態連結共享庫485

7.11　從應用程式中載入和連結共享庫487

7.12　位置無關代碼489

7.13　庫打樁機制492

7.13.1　編譯時打樁492

7.13.2　連結時打樁492

7.13.3　運行時打樁494

7.14　處理目標檔案的工具496

7.15　小結496

參考文獻說明497

家庭作業497

練習題答案499

第8章　異常控制流501

8.1　異常502

8.1.1　異常處理503

8.1.2　異常的類別504

8.1.3　Linux/x86-64系統中的異常505

8.2　進程508

8.2.1　邏輯控制流508

8.2.2　並發流509

8.2.3　私有地址空間509

8.2.4　用戶模式和核心模式510

8.2.5　上下文切換511

8.3　系統調用錯誤處理512

8.4　進程控制513

8.4.1　獲取進程ID513

8.4.2　創建和終止進程513

8.4.3　回收子進程516

8.4.4　讓進程休眠521

8.4.5　載入並運行程式521

8.4.6　利用fork和execve運行程式524

8.5　信號526

8.5.1　信號術語527

8.5.2　傳送信號528

8.5.3　接收信號531

8.5.4　阻塞和解除阻塞信號532

8.5.5　編寫信號處理程式533

8.5.6　同步流以避免討厭的並發錯誤540

8.5.7　顯式地等待信號543

8.6　非本地跳轉546

8.7　操作進程的工具550

8.8　小結550

參考文獻說明550

家庭作業550

練習題答案556

第9章　虛擬記憶體559

9.1　物理和虛擬定址560

9.2　地址空間560

9.3　虛擬記憶體作為快取的工具561

9.3.1　DRAM快取的組織結構562

9.3.2　頁表562

9.3.3　頁命中563

9.3.4　缺頁564

9.3.5　分配頁面565

9.3.6　又是局部性救了我們565

9.4　虛擬記憶體作為記憶體管理的工具565

9.5　虛擬記憶體作為記憶體保護的工具567

9.6　地址翻譯567

9.6.1　結合高速快取和虛擬記憶體570

9.6.2　利用TLB加速地址翻譯570

9.6.3　多級頁表571

9.6.4　綜合：端到端的地址翻譯573

9.7　案例研究：Intel Core i7/Linux記憶體系統576

9.7.1　Core i7地址翻譯576

9.7.2　Linux虛擬記憶體系統580

9.8　記憶體映射582

9.8.1　再看共享對象583

9.8.2　再看fork函式584

9.8.3　再看execve函式584

9.8.4　使用mmap函式的用戶級記憶體映射585

9.9　動態記憶體分配587

9.9.1　malloc和free函式587

9.9.2　為什麼要使用動態記憶體分配589

9.9.3　分配器的要求和目標590

9.9.4　碎片591

9.9.5　實現問題592

9.9.6　隱式空閒鍊表592

9.9.7　放置已分配的塊593

9.9.8　分割空閒塊594

9.9.9　獲取額外的堆記憶體594

9.9.10　合併空閒塊594

9.9.11　帶邊界標記的合併595

9.9.12　綜合：實現一個簡單的分配器597

9.9.13　顯式空閒鍊表603

9.9.14　分離的空閒鍊表604

9.10　垃圾收集605

9.10.1　垃圾收集器的基本知識606

9.10.2　Mark&Sweep垃圾收集器607

9.10.3　C程式的保守Mark&Sweep608

9.11　C程式中常見的與記憶體有關的錯誤609

9.11.1　間接引用壞指針609

9.11.2　讀未初始化的記憶體609

9.11.3　允許棧緩衝區溢出610

9.11.4　假設指針和它們指向的對象是相同大小的610

9.11.5　造成錯位錯誤611

9.11.6　引用指針，而不是它所指向的對象611

9.11.7　誤解指針運算611

9.11.8　引用不存在的變數612

9.11.9　引用空閒堆塊中的數據612

9.11.10　引起記憶體泄漏613

9.12　小結613

參考文獻說明613

家庭作業614

練習題答案617

第三部分

程式間的互動和通信

第10章　系統級I/O622　10.1　Unix I/O622

10.2　檔案623

10.3　打開和關閉檔案624

10.4　讀和寫檔案625

10.5　用RIO包健壯地讀寫626

10.5.1　RIO的無緩衝的輸入輸出函式627

10.5.2　RIO的帶緩衝的輸入函式627

10.6　讀取檔案元數據632

10.7　讀取目錄內容633

10.8　已分享檔案634

10.9　I/O重定向637

10.10　標準I/O638

10.11　綜合：我該使用哪些I/O函式？638

10.12　小結640

參考文獻說明640

家庭作業640

練習題答案641

第11章　網路編程642

11.1　客戶端伺服器編程模型642

11.2　網路643

11.3　全球IP網際網路646

11.3.1　IP位址647

11.3.2　網際網路域名649

11.3.3　網際網路連線651

11.4　套接字接口652

11.4.1　套接字地址結構653

11.4.2　socket函式654

11.4.3　connect函式654

11.4.4　bind函式654

11.4.5　listen函式655

11.4.6　accept函式655

11.4.7　主機和服務的轉換656

11.4.8　套接字接口的輔助函式660

11.4.9　echo客戶端和伺服器的示例662

11.5　Web伺服器665

11.5.1　Web基礎665

11.5.2　Web內容666

11.5.3　HTTP事務667

11.5.4　服務動態內容669

11.6　綜合：TINY Web伺服器671

11.7　小結678

參考文獻說明678

家庭作業678

練習題答案679

第12章　並發編程681

12.1　基於進程的並發編程682

12.2　基於I/O多路復用的並發編程684

12.3　基於執行緒的並發編程691

12.4　多執行緒程式中的共享變數696

12.5　用信號量同步執行緒698

12.6　使用執行緒提高並行性710

12.7　其他並發問題716

12.8　小結722

參考文獻說明723

家庭作業723

練習題答案726

附錄A　錯誤處理729

參考文獻733