深入理解計算機系統(tǒng)（原書第3版）

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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　處理器讀并解釋儲存在內存中的指令5
1.4.1　系統(tǒng)的硬件組成5
1.4.2　運行hello程序7
1.5　高速緩存至關重要9
1.6　存儲設備形成層次結構9
1.7　操作系統(tǒng)管理硬件10
1.7.1　進程11
1.7.2　線程12
1.7.3　虛擬內存12
1.7.4　文件14
1.8　系統(tǒng)之間利用網(wǎng)絡通信14
1.9　重要主題16
1.9.1　Amdahl定律16
1.9.2　并發(fā)和并行17
1.9.3　計算機系統(tǒng)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
程序結構和執(zhí)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(shù)據(jù)大小27
2.1.3　尋址和字節(jié)順序29
2.1.4　表示字符串34
2.1.5　表示代碼34
2.1.6　布爾代數(shù)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(shù)表示41
2.2.1　整型數(shù)據(jù)類型42
2.2.2　無符號數(shù)的編碼43
2.2.3　補碼編碼44
2.2.4　有符號數(shù)和無符號數(shù)之間的轉換49
2.2.5　C語言中的有符號數(shù)與無符號數(shù)52
2.2.6　擴展一個數(shù)字的位表示54
2.2.7　截斷數(shù)字56
2.2.8　關于有符號數(shù)與無符號數(shù)的建議58
2.3　整數(shù)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(shù)70
2.3.7　除以2的冪71
2.3.8　關于整數(shù)運算的最后思考74
2.4　浮點數(shù)75
2.4.1　二進制小數(shù)76
2.4.2　IEEE浮點表示78
2.4.3　數(shù)字示例79
2.4.4　舍入83
2.4.5　浮點運算85
2.4.6　C語言中的浮點數(shù)86
2.5　小結87
參考文獻說明88
家庭作業(yè)88
練習題答案97
第3章　程序的機器級表示109
3.1　歷史觀點110
3.2　程序編碼113
3.2.1　機器級代碼113
3.2.2　代碼示例114
3.2.3　關于格式的注解117
3.3　數(shù)據(jù)格式119
3.4　訪問信息119
3.4.1　操作數(shù)指示符121
3.4.2　數(shù)據(jù)傳送指令122
3.4.3　數(shù)據(jù)傳送示例125
3.4.4　壓入和彈出棧數(shù)據(jù)127
3.5　算術和邏輯操作128
3.5.1　加載有效地址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(xiàn)條件分支…141
3.6.6　用條件傳送來實現(xiàn)條件分支…145
3.6.7　循環(huán)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(shù)據(jù)傳送168
3.7.4　棧上的局部存儲170
3.7.5　寄存器中的局部存儲空間172
3.7.6　遞歸過程174
3.8　數(shù)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(shù)組178
3.8.4　定長數(shù)組179
3.8.5　變長數(shù)組181
3.9　異質的數(shù)據(jù)結構183
3.9.1　結構183
3.9.2　聯(lián)合186
3.9.3　數(shù)據(jù)對齊189
3.10　在機器級程序中將控制與數(shù)據(jù)結合起來192
3.10.1　理解指針192
3.10.2　應用：使用GDB調試器193
3.10.3　內存越界引用和緩沖區(qū)溢出194
3.10.4　對抗緩沖區(qū)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(shù)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(yè)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　程序員可見的狀態(tài)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程序251
4.1.6　一些Y86-64指令的詳情255
4.2　邏輯設計和硬件控制語言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(shù)表達式258
4.2.4　集合關系261
4.2.5　存儲器和時鐘262
4.3　Y86-64的順序實現(xiàn)264
4.3.1　將處理組織成階段264
4.3.2　SEQ硬件結構272
4.3.3　SEQ的時序274
4.3.4　SEQ階段的實現(xiàn)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(tǒng)287
4.5　Y86-64的流水線實現(xiàn)288
4.5.1　SEQ+：重新安排計算階段288
4.5.2　插入流水線寄存器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(xiàn)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(yè)327
練習題答案331
第5章　優(yōu)化程序性能341
5.1　優(yōu)化編譯器的能力和局限性342
5.2　表示程序性能345
5.3　程序示例347
5.4　消除循環(huán)的低效率350
5.5　減少過程調用353
5.6　消除不必要的內存引用354
5.7　理解現(xiàn)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(huán)展開366
5.9　提高并行性369
5.9.1　多個累積變量370
5.9.2　重新結合變換373
5.10　優(yōu)化合并代碼的結果小結377
5.11　一些限制因素378
5.11.1　寄存器溢出378
5.11.2　分支預測和預測錯誤處罰379
5.12　理解內存性能382
5.12.1　加載的性能382
5.12.2　存儲的性能383
5.13　應用：性能提高技術387
5.14　確認和消除性能瓶頸388
5.14.1　程序剖析388
5.14.2　使用剖析程序來指導優(yōu)化390
5.15　小結392
參考文獻說明393
家庭作業(yè)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　磁盤存儲406
6.1.3　固態(tài)硬盤414
6.1.4　存儲技術趨勢415
6.2　局部性418
6.2.1　對程序數(shù)據(jù)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緩存422
6.3.2　存儲器層次結構概念小結424
6.4　高速緩存存儲器425
6.4.1　通用的高速緩存存儲器組織結構425
6.4.2　直接映射高速緩存427
6.4.3　組相聯(lián)高速緩存433
6.4.4　全相聯(lián)高速緩存434
6.4.5　有關寫的問題437
6.4.6　一個真實的高速緩存層次結構的解剖438
6.4.7　高速緩存參數(shù)的性能影響439
6.5　編寫高速緩存友好的代碼440
6.6　綜合：高速緩存對程序性能的影響444
6.6.1　存儲器山444
6.6.2　重新排列循環(huán)以提高空間局部性447
6.6.3　在程序中利用局部性450
6.7　小結450
參考文獻說明451
家庭作業(yè)451
練習題答案459
第二部分
在系統(tǒng)上運行程序
第7章　鏈接464
7.1　編譯器驅動程序465
7.2　靜態(tài)鏈接466
7.3　目標文件466
7.4　可重定位目標文件467
7.5　符號和符號表468
7.6　符號解析470
7.6.1　鏈接器如何解析多重定義的全局符號471
7.6.2　與靜態(tài)庫鏈接475
7.6.3　鏈接器如何使用靜態(tài)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(zhí)行目標文件483
7.9　加載可執(zhí)行目標文件484
7.10　動態(tài)鏈接共享庫485
7.11　從應用程序中加載和鏈接共享庫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　鏈接時打樁492
7.13.3　運行時打樁494
7.14　處理目標文件的工具496
7.15　小結496
參考文獻說明497
家庭作業(yè)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(tǒng)中的異常505
8.2　進程508
8.2.1　邏輯控制流508
8.2.2　并發(fā)流509
8.2.3　私有地址空間509
8.2.4　用戶模式和內核模式510
8.2.5　上下文切換511
8.3　系統(tǒng)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(chuàng)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　加載并運行程序521
8.4.6　利用fork和execve運行程序524
8.5　信號526
8.5.1　信號術語527
8.5.2　發(fā)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　編寫信號處理程序533
8.5.6　同步流以避免討厭的并發(fā)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(yè)550
練習題答案556
第9章　虛擬內存559
9.1　物理和虛擬尋址560
9.2　地址空間560
9.3　虛擬內存作為緩存的工具561
9.3.1　DRAM緩存的組織結構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　虛擬內存作為內存管理的工具565
9.5　虛擬內存作為內存保護的工具567
9.6　地址翻譯567
9.6.1　結合高速緩存和虛擬內存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內存系統(tǒng)576
9.7.1　Core i7地址翻譯576
9.7.2　Linux虛擬內存系統(tǒng)580
9.8　內存映射582
9.8.1　再看共享對象583
9.8.2　再看fork函數(shù)584
9.8.3　再看execve函數(shù)584
9.8.4　使用mmap函數(shù)的用戶級內存映射585
9.9　動態(tài)內存分配587
9.9.1　malloc和free函數(shù)587
9.9.2　為什么要使用動態(tài)內存分配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(xiàn)問題592
9.9.6　隱式空閑鏈表592
9.9.7　放置已分配的塊593
9.9.8　分割空閑塊594
9.9.9　獲取額外的堆內存594
9.9.10　合并空閑塊594
9.9.11　帶邊界標記的合并595
9.9.12　綜合：實現(xiàn)一個簡單的分配器597
9.9.13　顯式空閑鏈表603
9.9.14　分離的空閑鏈表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程序的保守Mark&Sweep608
9.11　C程序中常見的與內存有關的錯誤609
9.11.1　間接引用壞指針609
9.11.2　讀未初始化的內存609
9.11.3　允許棧緩沖區(qū)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　引用不存在的變量612
9.11.9　引用空閑堆塊中的數(shù)據(jù)612
9.11.10　引起內存泄漏613
9.12　小結613
參考文獻說明613
家庭作業(yè)614
練習題答案617
第三部分
程序間的交互和通信
第10章　系統(tǒng)級I/O622　10.1　Unix I/O622
10.2　文件623
10.3　打開和關閉文件624
10.4　讀和寫文件625
10.5　用RIO包健壯地讀寫626
10.5.1　RIO的無緩沖的輸入輸出函數(shù)627
10.5.2　RIO的帶緩沖的輸入函數(shù)627
10.6　讀取文件元數(shù)據(jù)632
10.7　讀取目錄內容633
10.8　共享文件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函數(shù)？638
10.12　小結640
參考文獻說明640
家庭作業(yè)640
練習題答案641
第11章　網(wǎng)絡編程642
11.1　客戶端服務器編程模型642
11.2　網(wǎng)絡643
11.3　全球IP因特網(wǎng)646
11.3.1　IP地址647
11.3.2　因特網(wǎng)域名649
11.3.3　因特網(wǎng)連接651
11.4　套接字接口652
11.4.1　套接字地址結構653
11.4.2　socket函數(shù)654
11.4.3　connect函數(shù)654
11.4.4　bind函數(shù)654
11.4.5　listen函數(shù)655
11.4.6　accept函數(shù)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數(shù)660
11.4.9　echo客戶端和服務器的示例662
11.5　Web服務器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(tài)內容669
11.6　綜合：TINY Web服務器671
11.7　小結678
參考文獻說明678
家庭作業(yè)678
練習題答案679
第12章　并發(fā)編程681
12.1　基于進程的并發(fā)編程682
12.2　基于I/O多路復用的并發(fā)編程684
12.3　基于線程的并發(fā)編程691
12.4　多線程程序中的共享變量696
12.5　用信號量同步線程698
12.6　使用線程提高并行性710
12.7　其他并發(fā)問題716
12.8　小結722
參考文獻說明723
家庭作業(yè)723
練習題答案726
附錄A　錯誤處理729
參考文獻733