深入理解計算機系統(tǒng)(中文版)免費清晰版【原書第2版掃描版】

深入理解計算機系統(tǒng)（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(guān)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(dāng)。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(tǒng)以及它對應(yīng)用程序的影響，那么你將會逐漸成為鳳毛麟角的“權(quán)威”程序員。如果你想查閱這本書的全部內(nèi)容，點擊本文相應(yīng)的下載地址進(jìn)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(tǒng)目錄

出版者的話

譯者序

前　言

第1章　計算機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的硬件組成5

1.4.2　運行hello程序7

1.5　高速緩存至關(guān)重要7

1.6　存儲設(shè)備形成層次結(jié)構(gòu)9

1.7　操作系統(tǒng)管理硬件10

1.7.1　進(jìn)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(tǒng)之間利用網(wǎng)絡(luò)通信13

1.9　重要主題15

1.9.1　并發(fā)和并行15

1.9.2　計算機系統(tǒng)中抽象的重要性17

1.10　小結(jié)17

參考文獻(xiàn)說明18

第一部分　程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)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(jìn)制表示法22

2.1.2　字25

2.1.3　數(shù)據(jù)大小25

2.1.4　尋址和字節(jié)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(shù)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(shù)表示38

2.2.1　整型數(shù)據(jù)類型38

2.2.2　無符號數(shù)的編碼39

2.2.3　補碼編碼40

2.2.4　有符號數(shù)和無符號數(shù)之間的轉(zhuǎn)換44

2.2.5　C語言中的有符號數(shù)與無符號數(shù)47

2.2.6　擴展一個數(shù)字的位表示49

2.2.7　截斷數(shù)字51

2.2.8　關(guān)于有符號數(shù)與無符號數(shù)的建議52

2.3　整數(shù)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(shù)63

2.3.7　除以2的冪64

2.3.8　關(guān)于整數(shù)運算的最后思考67

2.4　浮點數(shù)67

2.4.1　二進(jìn)制小數(shù)68

2.4.2　IEEE浮點表示70

2.4.3　數(shù)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(shù)77

2.5　小結(jié)79

參考文獻(xiàn)說明80

家庭作業(yè)80

練習(xí)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(guān)于格式的注解109

3.3　數(shù)據(jù)格式111

3.4　訪問信息112

3.4.1　操作數(shù)指示符112

3.4.2　數(shù)據(jù)傳送指令114

3.4.3　數(shù)據(jù)傳送示例116

3.5　算術(shù)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(shù)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(zhuǎn)指令及其編碼127

3.6.4　翻譯條件分支129

3.6.5　循環(huán)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(jié)構(gòu)149

3.7.2　轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)組159

3.8.4　定長數(shù)組161

3.8.5　變長數(shù)組163

3.9　異質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)164

3.9.1　結(jié)構(gòu)164

3.9.2　聯(lián)合167

3.9.3　數(shù)據(jù)對齊170

3.10　綜合：理解指針172

3.11　應(yīng)用：使用GDB調(diào)試器174

3.12　存儲器的越界引用和緩沖區(qū)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)200

3.13.6　關(guān)于x86-64的總結(jié)性評論200

3.14　浮點程序的機器級表示201

3.15　小結(jié)201

參考文獻(xiàn)說明202

家庭作業(yè)202

練習(xí)題答案212

第4章　處理器體系結(jié)構(gòu)230

4.1　Y86指令集體系結(jié)構(gòu)231

4.1.1　程序員可見的狀態(tài)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(shè)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(dá)式243

4.2.3　字級的組合電路和HCL整數(shù)表達(dá)式245

4.2.4　集合關(guān)系248

4.2.5　存儲器和時鐘248

4.3　Y86的順序?qū)崿F(xiàn)250

4.3.1　將處理組織成階段250

4.3.2　SEQ硬件結(jié)構(gòu)258

4.3.3　SEQ的時序259

4.3.4　SEQ階段的實現(xiàn)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(xì)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(tǒng)272

4.5　Y86的流水線實現(xiàn)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(jìn)行重新排列和標(biāo)號277

4.5.4　預(yù)測下一個PC279

4.5.5　流水線冒險280

4.5.6　用暫停來避免數(shù)據(jù)冒險283

4.5.7　用轉(zhuǎn)發(fā)來避免數(shù)據(jù)冒險285

4.5.8　加載/使用數(shù)據(jù)冒險288

4.5.9　異常處理289

4.5.10　PIPE各階段的實現(xiàn)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(jié)308

參考文獻(xiàn)說明309

家庭作業(yè)309

練習(xí)題答案314

第5章　優(yōu)化程序性能324

5.1　優(yōu)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(huán)的低效率332

5.5　減少過程調(diào)用336

5.6　消除不必要的存儲器引用336

5.7　理解現(xiàn)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(huán)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(jié)合變換354

5.10　優(yōu)化合并代碼的結(jié)果小結(jié)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(yù)測和預(yù)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(yīng)用：性能提高技術(shù)369

5.14　確認(rèn)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(dǎo)優(yōu)化371

5.14.3　Amdahl定律374

5.15　小結(jié)375

參考文獻(xiàn)說明375

家庭作業(yè)376

練習(xí)題答案378

第6章　存儲器層次結(jié)構(gòu)382

6.1 　存儲技術(shù)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(tài)硬盤398

6.1.4　存儲技術(shù)趨勢399

6.2　局部性401

6.2.1　對程序數(shù)據(jù)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(jié)403

6.3　存儲器層次結(jié)構(gòu)405

6.3.1　存儲器層次結(jié)構(gòu)中的緩存406

6.3.2　存儲器層次結(jié)構(gòu)概念小結(jié)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(jié)構(gòu)409

6.4.2　直接映射高速緩存410

6.4.3　組相聯(lián)高速緩存416

6.4.4　全相聯(lián)高速緩存418

6.4.5　有關(guān)寫的問題420

6.4.6　一個真實的高速緩存層次結(jié)構(gòu)的解剖421

6.4.7　高速緩存參數(shù)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(huán)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(jié)433

參考文獻(xiàn)說明434

家庭作業(yè)434

練習(xí)題答案442

第二部分　在系統(tǒng)上運行程序

第7章　鏈接448

7.1　編譯器驅(qū)動程序449

7.2　靜態(tài)鏈接450

7.3　目標(biāo)文件450

7.4　可重定位目標(biāo)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(tài)庫鏈接457

7.6.3　鏈接器如何使用靜態(tài)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(zhí)行目標(biāo)文件465

7.9　加載可執(zhí)行目標(biāo)文件466

7.10　動態(tài)鏈接共享庫467

7.11　從應(yīng)用程序中加載和鏈接共享庫468

7.12　與位置無關(guān)的代碼（PIC）471

7.13　處理目標(biāo)文件的工具473

7.14　小結(jié)473

參考文獻(xiàn)說明474

家庭作業(yè)474

練習(xí)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(tǒng)中的異常484

8.2　進(jìn)程487

8.2.1　邏輯控制流487

8.2.2　并發(fā)流487

8.2.3　私有地址空間488

8.2.4　用戶模式和內(nèi)核模式488

8.2.5　上下文切換489

8.3　系統(tǒng)調(diào)用錯誤處理491

8.4　進(jìn)程控制492

8.4.1　獲取進(jìn)程ID492

8.4.2　創(chuàng)建和終止進(jìn)程492

8.4.3　回收子進(jìn)程495

8.4.4　讓進(jìn)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(shù)語505

8.5.2　發(fā)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(fā)錯誤517

8.6　非本地跳轉(zhuǎn)521

8.7　操作進(jìn)程的工具524

8.8　小結(jié)524

參考文獻(xiàn)說明525

家庭作業(yè)525

練習(xí)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(jié)構(gòu)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(hù)的工具541

9.6　地址翻譯542

9.6.1　結(jié)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(tǒng)550

9.7.1　Core i7地址翻譯551

9.7.2　Linux虛擬存儲器系統(tǒng)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(shù)558

9.8.3　再看execve函數(shù)559

9.8.4　使用mmap函數(shù)的用戶級存儲器映射559

9.9　動態(tài)存儲器分配561

9.9.1　malloc和free函數(shù)561

9.9.2　為什么要使用動態(tài)存儲器分配563

9.9.3　分配器的要求和目標(biāo)564

9.9.4　碎片565

9.9.5　實現(xiàn)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(biāo)記的合并568

9.9.12　綜合：實現(xiàn)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(guān)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(qū)溢出582

9.11.4　假設(shè)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(shù)據(jù)584

9.11.10　引起存儲器泄漏585

9.12　小結(jié)585

參考文獻(xiàn)說明586

家庭作業(yè)586

練習(xí)題答案589

第三部分　程序間的交互和通信

第10章　系統(tǒng)級I/O596

10.1　Unix I/O596

10.2　打開和關(guān)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(shù)600

10.4.2　RIO的帶緩沖的輸入函數(shù)600

10.5　讀取文件元數(shù)據(jù)604

10.6　共享文件606

10.7　I/O重定向608

10.8　標(biāo)準(zhǔn)I/O609

10.9　綜合：我該使用哪些I/O函數(shù)610

10.10　小結(jié)611

參考文獻(xiàn)說明612

家庭作業(yè)612

練習(xí)題答案612

第11章　網(wǎng)絡(luò)編程614

11.1　客戶端-服務(wù)器編程模型614

11.2　網(wǎng)絡(luò)615

11.3　全球IP因特網(wǎng)618

11.3.1　IP地址619

11.3.2　因特網(wǎng)域名620

11.3.3　因特網(wǎng)連接623

11.4　套接字接口625

11.4.1　套接字地址結(jié)構(gòu)625

11.4.2　socket函數(shù)626

11.4.3　connect函數(shù)626

11.4.4　open_clientfd函數(shù)627

11.4.5　bind函數(shù)628

11.4.6　listen函數(shù)628

11.4.7　open_listenfd函數(shù)628

11.4.8　accept函數(shù)629

11.4.9　echo客戶端和服務(wù)器的示例630

11.5　Web服務(wù)器633

11.5.1　Web基礎(chǔ)633

11.5.2　Web內(nèi)容633

11.5.3　HTTP事務(wù)634

11.5.4　服務(wù)動態(tài)內(nèi)容636

11.6　綜合：TINY Web服務(wù)器639

11.7　小結(jié)645

參考文獻(xiàn)說明645

家庭作業(yè)646

練習(xí)題答案646

第12章　并發(fā)編程648

12.1　基于進(jìn)程的并發(fā)編程649

12.1.1　基于進(jìn)程的并發(fā)服務(wù)器649

12.1.2 關(guān)于進(jìn)程的優(yōu)劣651

12.2　基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)編程651

12.2.1　基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)事件驅(qū)動服務(wù)器653

12.2.2　I/O多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)劣657

12.3　基于線程的并發(fā)編程657

12.3.1　線程執(zhí)行模型657

12.3.2　Posix線程658

12.3.3　創(chuàng)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(fā)服務(wù)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(jìn)度圖667

12.5.2　信號量668

12.5.3　使用信號量來實現(xiàn)互斥669

12.5.4　利用信號量來調(diào)度共享資源670

12.5.5　綜合：基于預(yù)線程化的并發(fā)服務(wù)器674

12.6　使用線程提高并行性676

12.7　其他并發(fā)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(shù)682

12.7.4　競爭683

12.7.5　死鎖685

12.8　小結(jié)687

參考文獻(xiàn)說明687

家庭作業(yè)688

練習(xí)題答案691

附錄Ａ　錯誤處理694

A.1　Unix系統(tǒng)中的錯誤處理694

A.2 　錯誤處理包裝函數(shù)696

參考文獻(xiàn)698

深入理解計算機系統(tǒng)內(nèi)容簡介

本書從程序員的視角詳細(xì)闡述計算機系統(tǒng)的本質(zhì)概念，并展示這些概念如何實實在在地影響應(yīng)用程序的正確性、性能和實用性。全書共12章，主要內(nèi)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(jié)構(gòu)、優(yōu)化程序性能、存儲器層次結(jié)構(gòu)、鏈接、異常控制流、虛擬存儲器、系統(tǒng)級I/O、網(wǎng)絡(luò)編程、并發(fā)編程等。書中提供大量的例子和練習(xí)，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(yōu)點是為程序員描述計算機系統(tǒng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，幫助其在大腦中構(gòu)造一個層次型的計算機系統(tǒng)，從最底層的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的表示到流水線指令的構(gòu)成，到虛擬存儲器，到編譯系統(tǒng)，到動態(tài)加載庫，到最后的用戶態(tài)應(yīng)用。通過掌握程序是如何映射到系統(tǒng)上，以及程序是如何執(zhí)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(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材。

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