深入理解计算机系统（原书第3版）_[美] 兰德尔 E.布莱恩特_9787111544937

本书是将计算机软件和硬件理论结合讲述的经典教程，内容覆盖计算机导论、体系结构和处理器设计等多门课程。本书的大优点是为程序员描述计算机系统的实现细节，通过描述程序是如何映射到系统上，以及程序是如何执行的，使读者更好地理解程序的行为为什么是这样的，以及造成效率低下的原因。

　　前言

　　本书（简称CS:APP）的主要读者是计算机科学家、计算机工程师，以及那些想通过学习计算机系统的内在运作而能够写出更好程序的人。

　　我们的目的是解释所有计算机系统的本质概念，并向你展示这些概念是如何实实在在地影响应用程序的正确性、性能和实用性的。其他的系统类书籍都是从构建者的角度来写的，讲述如何实现硬件或系统软件，包括操作系统、编译器和网络接口。而本书是从程序员的角度来写的，讲述应用程序员如何能够利用系统知识来编写出更好的程序。当然，学习一个计算机系统应该做些什么，是学习如何构建一个计算机系统的很好的出发点，所以，对于希望继续学习系统软硬件实现的人来说，本书也是一本很有价值的介绍性读物。大多数系统书籍还倾向于重点关注系统的某一个方面，比如：硬件架构、操作系统、编译器或者网络。本书则以程序员的视角统一覆盖了上述所有方面的内容。

　　如果你研究和领会了这本书里的概念，你将开始成为极少数的“牛人”，这些“牛人”知道事情是如何运作的，也知道当事情出现故障时如何修复。你写的程序将能够更好地利用操作系统和系统软件提供的功能，对各种操作条件和运行时参数都能正确操作，运行起来更快，并能避免出现使程序容易受到网络攻击的缺陷。同时，你也要做好更深入探究的准备，研究像编译器、计算机体系结构、操作系统、嵌入式系统、网络互联和网络安全这样的高级题目。

　　读者应具备的背景知识

　　本书的重点是执行x86-64机器代码的系统。对英特尔及其竞争对手而言，x86-64是他们自1978年起，以8086微处理器为代表，不断进化的最新成果。按照英特尔微处理器产品线的命名规则，这类微处理器俗称为“x86”。随着半导体技术的演进，单芯片上集成了更多的晶体管，这些处理器的计算能力和内存容量有了很大的增长。在这个过程中，它们从处理16位字，发展到引入IA32处理器处理32位字，再到最近的x86-64处理64位字。

　　我们考虑的是这些机器如何在Linux操作系统上运行C语言程序。Linux是众多继承自最初由贝尔实验室开发的Unix的操作系统中的一种。这类操作系统的其他成员包括Solaris、FreeBSD和MacOS X。近年来，由于Posix和标准Unix规范的标准化努力，这些操作系统保持了高度兼容性。因此，本书内容几乎直接适用于这些“类Unix”操作系统。

　　文中包含大量已在Linux系统上编译和运行过的程序示例。我们假设你能访问一台这样的机器，并且能够登录，做一些诸如切换目录之类的简单操作。如果你的计算机运行的是Microsoft Windows系统，我们建议你选择安装一个虚拟机环境（例如VirtualBox或者VMWare），以便为一种操作系统（客户OS）编写的程序能在另一种系统（宿主OS）上运行。

　　我们还假设你对C和C++有一定的了解。如果你以前只有Java经验，那么你需要付出更多的努力来完成这种转换，不过我们也会帮助你。Java和C有相似的语法和控制语句。不过，有一些C语言的特性（特别是指针、显式的动态内存分配和格式化I/O）在Java中都是没有的。所幸的是，C是一个较小的语言，在Brian Kernighan和Dennis Ritchie经典的“K&R”文献中得到了清晰优美的描述\[61\]。无论你的编程背景如何，都应该考虑将K&R作为个人系统藏书的一部分。如果你只有使用解释性语言的经验，如Python、Ruby或Perl，那么在使用本书之前，需要花费一些时间来学习C。

　　本书的前几章揭示了C语言程序和它们相对应的机器语言程序之间的交互作用。机器语言示例都是用运行在x86-64处理器上的GNU GCC编译器生成的。我们不需要你以前有任何硬件、机器语言或是汇编语言编程的经验。

　　给C语言初学者　　关于C编程语言的建议

　　为了帮助C语言编程背景薄弱（或全无背景）的读者，我们在书中加入了这样一些专门的注释来突出C中一些特别重要的特性。我们假设你熟悉C++或Java。

目录出版者的话中文版序一中文版序二译者序前言关于作者第1章　计算机系统漫游1 　1.1　信息就是位+上下文1 　1.2　程序被其他程序翻译成不同的格式3 　1.3　了解编译系统如何工作是大有益处的4 　1.4　处理器读并解释储存在内存中的指令5 　　1.4.1　系统的硬件组成5 　　1.4.2　运行hello程序7 　1.5　高速缓存至关重要9 　1.6　存储设备形成层次结构9 　1.7　操作系统管理硬件10 　　1.7.1　进程11 　　1.7.2　线程12 　　1.7.3　虚拟内存12 　　1.7.4　文件14 　1.8　系统之间利用网络通信14 　1.9　重要主题16 　　1.9.1　Amdahl定律16 　　1.9.2　并发和并行17 　　1.9.3　计算机系统中抽象的重要性19 　1.10　小结20 　参考文献说明20 　练习题答案20 第一部分程序结构和执行　第2章　信息的表示和处理22 　2.1　信息存储24 　　2.1.1　十六进制表示法25 　　2.1.2　字数据大小27 　　2.1.3　寻址和字节顺序29 　　2.1.4　表示字符串34 　　2.1.5　表示代码34 　　2.1.6　布尔代数简介35 　　2.1.7　C语言中的位级运算37 　　2.1.8　C语言中的逻辑运算39 　　2.1.9　C语言中的移位运算40 　2.2　整数表示41 　　2.2.1　整型数据类型42 　　2.2.2　无符号数的编码43 　　2.2.3　补码编码44 　　2.2.4　有符号数和无符号数之间的转换49 　　2.2.5　C语言中的有符号数与无符号数52 　　2.2.6　扩展一个数字的位表示54 　　2.2.7　截断数字56 　　2.2.8　关于有符号数与无符号数的建议58 　2.3　整数运算60 　　2.3.1　无符号加法60 　　2.3.2　补码加法62 　　2.3.3　补码的非66 　　2.3.4　无符号乘法67 　　2.3.5　补码乘法67 　　2.3.6　乘以常数70 　　2.3.7　除以2的幂71 　　2.3.8　关于整数运算的最后思考74 　2.4　浮点数75 　　2.4.1　二进制小数76 　　2.4.2　IEEE浮点表示78 　　2.4.3　数字示例79 　　2.4.4　舍入83 　　2.4.5　浮点运算85 　　2.4.6　C语言中的浮点数86 　2.5　小结87 　参考文献说明88 　家庭作业88 　练习题答案97 第3章　程序的机器级表示109 　3.1　历史观点110 　3.2　程序编码113 　　3.2.1　机器级代码113 　　3.2.2　代码示例114 　　3.2.3　关于格式的注解117 　3.3　数据格式119 　3.4　访问信息119 　　3.4.1　操作数指示符121 　　3.4.2　数据传送指令122 　　3.4.3　数据传送示例125 　　3.4.4　压入和弹出栈数据127 　3.5　算术和逻辑操作128 　　3.5.1　加载有效地址129 　　3.5.2　一元和二元操作130 　　3.5.3　移位操作131 　　3.5.4　讨论131 　　3.5.5　特殊的算术操作133 　3.6　控制135 　　3.6.1　条件码135 　　3.6.2　访问条件码136 　　3.6.3　跳转指令138 　　3.6.4　跳转指令的编码139 　　3.6.5　用条件控制来实现条件分支…141 　　3.6.6　用条件传送来实现条件分支…145 　　3.6.7　循环149 　　3.6.8　switch语句159 　3.7　过程164 　　3.7.1　运行时栈164 　　3.7.2　转移控制165 　　3.7.3　数据传送168 　　3.7.4　栈上的局部存储170 　　3.7.5　寄存器中的局部存储空间172 　　3.7.6　递归过程174 　3.8　数组分配和访问176 　　3.8.1　基本原则176 　　3.8.2　指针运算177 　　3.8.3　嵌套的数组178 　　3.8.4　定长数组179 　　3.8.5　变长数组181 　3.9　异质的数据结构183 　　3.9.1　结构183 　　3.9.2　联合186 　　3.9.3　数据对齐189 　3.10　在机器级程序中将控制与数据结合起来192 　　3.10.1　理解指针192 　　3.10.2　应用：使用GDB调试器193 　　3.10.3　内存越界引用和缓冲区溢出194 　　3.10.4　对抗缓冲区溢出攻击198 　　3.10.5　支持变长栈帧201 　3.11　浮点代码204 　　3.11.1　浮点传送和转换操作205 　　3.11.2　过程中的浮点代码209 　　3.11.3　浮点运算操作210 　　3.11.4　定义和使用浮点常数212 　　3.11.5　在浮点代码中使用位级操作212 　　3.11.6　浮点比较操作213 　　3.11.7　对浮点代码的观察结论215 　3.12　小结216 　参考文献说明216 　家庭作业216 　练习题答案226 第4章　处理器体系结构243 　4.1　Y86-64指令集体系结构245 　　4.1.1　程序员可见的状态245 　　4.1.2　Y86-64指令245 　　4.1.3　指令编码246 　　4.1.4　Y86-64异常250 　　4.1.5　Y86-64程序251 　　4.1.6　一些Y86-64指令的详情255 　4.2　逻辑设计和硬件控制语言HCL256 　　4.2.1　逻辑门257 　　4.2.2　组合电路和HCL布尔表达式257 　　4.2.3　字级的组合电路和HCL整数表达式258 　　4.2.4　集合关系261 　　4.2.5　存储器和时钟262 　4.3　Y86-64的顺序实现264 　　4.3.1　将处理组织成阶段264 　　4.3.2　SEQ硬件结构272 　　4.3.3　SEQ的时序274 　　4.3.4　SEQ阶段的实现277 　4.4　流水线的通用原理282 　　4.4.1　计算流水线282 　　4.4.2　流水线操作的详细说明284 　　4.4.3　流水线的局限性284 　　4.4.4　带反馈的流水线系统287

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