读书笔记摘抄新闻资讯
深入理解计算机系统（英文版·第3版）
《深入理解计算机系统（英文版·第3版）》是2017年机械工业出版社出版图书，作者[美] 兰德尔 E.布莱恩特（Randal E. Bryant）大卫 R. 奥哈拉伦（David R. O'Hallaron）。
基本介绍
- 书名：深入理解计算机系统（英文版·第3版）
- 作者：[美] 兰德尔 E.布莱恩特（Randal E. Bryant）大卫 R. 奥哈拉伦（David R. O'Hallaron）
- 出版社：机械工业出版社
- 出版时间：2017年
出版信息
ISBN(书号)：978-7-111-56127-9 |
丛书名：经典原版书库 |
出版日期：2017-04 |
版次：1/1 |
开本：16 |
定价：￥239.00 |
内容简介
本书是一本将计算机软体和硬体理论结合讲述的经典教材，内容涵盖计算机导论、体系结构和处理器设计等多门课程。本书最大的特点是为程式设计师描述计算机系统的实现细节，通过描述程式是如何映射到系统上，以及程式是如何执行的，使读者更好地理解程式的行为，找到程式效率低下的原因。
和第2版相比，本版内容上最大的变化是，从以IA32和x86-64为基础转变为完全以x86-64为基础。主要更新如下：
· 基于x86-64，大量地重写代码，首次介绍对处理浮点数据的程式的机器级支持。
· 处理器体系结构修改为支持64位字和操作的设计。
· 引入更多的功能单元和更複杂的控制逻辑，使基于程式数据流表示的程式性能模型预测更加可靠。
· 扩充关于用GOT和PLT创建与位置无关代码的讨论，描述了更加强大的连结技术（比如库打桩）。
· 增加了对信号处理程式更细緻的描述，包括异步信号安全的函式等。
· 採用最新函式，更新了与协定无关和执行绪安全的网路编程。
和第2版相比，本版内容上最大的变化是，从以IA32和x86-64为基础转变为完全以x86-64为基础。主要更新如下：
· 基于x86-64，大量地重写代码，首次介绍对处理浮点数据的程式的机器级支持。
· 处理器体系结构修改为支持64位字和操作的设计。
· 引入更多的功能单元和更複杂的控制逻辑，使基于程式数据流表示的程式性能模型预测更加可靠。
· 扩充关于用GOT和PLT创建与位置无关代码的讨论，描述了更加强大的连结技术（比如库打桩）。
· 增加了对信号处理程式更细緻的描述，包括异步信号安全的函式等。
· 採用最新函式，更新了与协定无关和执行绪安全的网路编程。
图书目录
Preface xix About the Authors xxxv
1
A Tour of Computer Systems 1
1.1 Information Is Bits + Context 3
1.2 Programs Are Translated by Other Programs into Different Forms 4
1.3 It Pays to Understand How Compilation Systems Work 6
1.4 Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory 7
1.4.1 Hardware Organization of a System 8
1.4.2 Running the helloProgram 10
1.5 Caches Matter 11
1.6 Storage Devices Form a Hierarchy 14
1.7 The Operating System Manages the Hardware 14
1.7.1 Processes 15
1.7.2 Threads 17
1.7.3 Virtual Memory 18
1.7.4 Files 19
1.8 Systems Communicate with Other Systems Using Networks 19
1.9 Important Themes 22
1.9.1 Amdahl’s Law 22
1.9.2 Concurrency and Parallelism 24
1.9.3 The Importance of Abstractions in Computer Systems 26
1.10 Summary 27 Bibliographic Notes 28 Solutions to Practice Problems 28
Part I Program Structure and Execution
2
Representing and Manipulating Information 31
2.1 Information Storage 34
2.1.1 Hexadecimal Notation 36
2.1.2 Data Sizes 39
2.1.3 Addressing and Byte Ordering 42
2.1.4 Representing Strings 49
2.1.5 Representing Code 49
2.1.6 Introduction to Boolean Algebra 50
2.1.7 Bit-Level Operations in C 54
2.1.8 Logical Operations in C 56
2.1.9 Shift Operations in C 57
2.2 Integer Representations 59
2.2.1 Integral Data Types 60
2.2.2 Unsigned Encodings 62
2.2.3 Two’s-Complement Encodings 64
2.2.4 Conversions between Signed and Unsigned 70
2.2.5 Signed versus Unsigned in C 74
2.2.6 Expanding the Bit Representation of a Number 76
2.2.7 Truncating Numbers 81
2.2.8 Advice on Signed versus Unsigned 83
2.3 Integer Arithmetic 84
2.3.1 Unsigned Addition 84
2.3.2 Two’s-Complement Addition 90
2.3.3 Two’s-Complement Negation 95
2.3.4 Unsigned Multiplication 96
2.3.5 Two’s-Complement Multiplication 97
2.3.6 Multiplying by Constants 101
2.3.7 Dividing by Powers of 2 103
2.3.8 Final Thoughts on Integer Arithmetic 107
2.4 Floating Point 108
2.4.1 Fractional Binary Numbers 109
2.4.2 IEEE Floating-Point Representation 112
2.4.3 Example Numbers 115
2.4.4 Rounding 120
2.4.5 Floating-Point Operations 122
2.4.6 Floating Point in C 124
2.5 Summary 126
Bibliographic Notes 127
Homework Problems 128
Solutions to Practice Problems 143
3
Machine-Level Representation of Programs 163
3.1 A Historical Perspective 166
3.2 Program Encodings 169
3.2.1 Machine-Level Code 170
3.2.2 Code Examples 172
3.2.3 Notes on Formatting 175
3.3 Data Formats 177
3.4 Accessing Information 179
3.4.1 Operand Speci.ers 180
3.4.2 Data Movement Instructions 182
3.4.3 Data Movement Example 186
3.4.4 Pushing and Popping Stack Data 189
3.5 Arithmetic and Logical Operations 191
3.5.1 Load Effective Address 191
3.5.2 Unary and Binary Operations 194
3.5.3 Shift Operations 194
3.5.4 Discussion 196
3.5.5 Special Arithmetic Operations 197
3.6 Control 200
3.6.1 Condition Codes 201
3.6.2 Accessing the Condition Codes 202
3.6.3 Jump Instructions 205
3.6.4 Jump Instruction Encodings 207
3.6.5 Implementing Conditional Branches withConditional Control 209
3.6.6 Implementing Conditional Branches withConditional Moves 214
3.6.7 Loops 220
3.6.8 Switch Statements 232
3.7 Procedures 238
3.7.1 The Run-Time Stack 239
3.7.2 Control Transfer 241
3.7.3 Data Transfer 245
3.7.4 Local Storage on the Stack 248
3.7.5 Local Storage in Registers 251
3.7.6 Recursive Procedures 253
3.8 Array Allocation and Access 255
3.8.1 Basic Principles 255
3.8.2 Pointer Arithmetic 257
3.8.3 Nested Arrays 258
3.8.4 Fixed-Size Arrays 260
3.8.5 Variable-Size Arrays 262
3.9 Heterogeneous Data Structures 265
3.9.1 Structures 265
3.9.2 Unions 269
3.9.3 Data Alignment 273
3.10 Combining Control and Data in Machine-Level Programs 276
3.10.1 Understanding Pointers 277
3.10.2 Life in the Real World: Using the gdbDebugger 279
3.10.3 Out-of-Bounds Memory References and Buffer Over.ow 279
3.10.4 Thwarting Buffer Over.ow Attacks 284
3.10.5 Supporting Variable-Size Stack Frames 290
3.11 Floating-Point Code 293
3.11.1 Floating-Point Movement and Conversion Operations 296
3.11.2 Floating-Point Code in Procedures 301
3.11.3 Floating-Point Arithmetic Operations 302
3.11.4 De.ning and Using Floating-Point Constants 304
3.11.5 Using Bitwise Operations in Floating-Point Code 305
3.11.6 Floating-Point Comparison Operations 306
3.11.7 Observations about Floating-Point Code 309
3.12 Summary 309
Bibliographic Notes 310
Homework Problems 311
Solutions to Practice Problems 325
4
Processor Architecture 351
4.1 The Y86-64 Instruction Set Architecture 355
4.1.1 Programmer-Visible State 355
4.1.2 Y86-64 Instructions 356
4.1.3 Instruction Encoding 358
4.1.4 Y86-64 Exceptions 363
4.1.5 Y86-64 Programs 364
4.1.6 Some Y86-64 Instruction Details 370
4.2 Logic Design and the Hardware Control Language HCL 372
4.2.1 Logic Gates 373
4.2.2 Combinational Circuits and HCL Boolean Expressions 374
4.2.3 Word-Level Combinational Circuits and HCLInteger Expressions 376
4.2.4 Set Membership 380
4.2.5 Memory and Clocking 381
4.3 Sequential Y86-64 Implementations 384
4.3.1 Organizing Processing into Stages 384
4.3.2 SEQ Hardware Structure 396
4.3.3 SEQ Timing 400
4.3.4 SEQ Stage Implementations 404
4.4 General Principles of Pipelining 412
4.4.1 Computational Pipelines 412
4.4.2 A Detailed Look at Pipeline Operation 414
4.4.3 Limitations of Pipelining 416
4.4.4 Pipelining a System with Feedback 419
4.5 Pipelined Y86-64 Implementations 421
4.5.1 SEQ+: Rearranging the Computation Stages 421
4.5.2 Inserting Pipeline Registers 422
4.5.3 Rearranging and Relabeling Signals 426
4.5.4 Next PC Prediction 427
4.5.5 Pipeline Hazards 429
4.5.6 Exception Handling 444
4.5.7 PIPE Stage Implementations 447
4.5.8 Pipeline Control Logic 455
4.5.9 Performance Analysis 464
4.5.10 Un.nished Business 468
4.6 Summary 470
4.6.1 Y86-64 Simulators 472
Bibliographic Notes 473
Homework Problems 473
Solutions to Practice Problems 480
5
Optimizing Program Performance 495
5.1 Capabilities and Limitations of Optimizing Compilers 498
5.2 Expressing Program Performance 502
5.3 Program Example 504
5.4 Eliminating Loop Inef.ciencies 508
5.5 Reducing Procedure Calls 512
5.6 Eliminating Unneeded Memory References 514
5.7 Understanding Modern Processors 517
5.7.1 Overall Operation 518
5.7.2 Functional Unit Performance 523
5.7.3 An Abstract Model of Processor Operation 525
5.8 Loop Unrolling 531
5.9 Enhancing Parallelism 536
5.9.1 Multiple Accumulators 536
5.9.2 Reassociation Transformation 541
5.10 Summary of Results for Optimizing Combining Code 547
5.11 Some Limiting Factors 548
5.11.1 Register Spilling 548
5.11.2 Branch Prediction and Misprediction Penalties 549
5.12 Understanding Memory Performance 553
5.12.1 Load Performance 554
5.12.2 Store Performance 555
5.13 Life in the Real World: Performance Improvement Techniques 561
5.14 Identifying and Eliminating Performance Bottlenecks 562
5.14.1 Program Pro.ling 562
5.14.2 Using a Pro.ler to Guide Optimization 565
5.15 Summary 568
Bibliographic Notes 569
Homework Problems 570
Solutions to Practice Problems 573
6
The Memory Hierarchy 579
6.1 Storage Technologies 581
6.1.1 Random Access Memory 581
6.1.2 Disk Storage 589
6.1.3 Solid State Disks 600
6.1.4 Storage Technology Trends 602
6.2 Locality 604
6.2.1 Locality of References to Program Data 606
6.2.2 Locality of Instruction Fetches 607
6.2.3 Summary of Locality 608
6.3 The Memory Hierarchy 609
6.3.1 Caching in the Memory Hierarchy 610
6.3.2 Summary of Memory Hierarchy Concepts 614
6.4 Cache Memories 614
6.4.1 Generic Cache Memory Organization 615
6.4.2 Direct-Mapped Caches 617
6.4.3 Set Associative Caches 624
6.4.4 Fully Associative Caches 626
6.4.5 Issues with Writes 630
6.4.6 Anatomy of a Real Cache Hierarchy 631
6.4.7 Performance Impact of Cache Parameters 631
6.5 Writing Cache-Friendly Code 633
6.6 Putting It Together: The Impact of Caches on Program Performance 639
6.6.1 The Memory Mountain 639
6.6.2 Rearranging Loops to Increase Spatial Locality 643
6.6.3 Exploiting Locality in Your Programs 647
6.7 Summary 648
Bibliographic Notes 648
Homework Problems 649
Solutions to Practice Problems 660
Part II Running Programs on a System
7
Linking 669
7.1 Compiler Drivers 671
7.2 Static Linking 672
7.3 Object Files 673
7.4 Relocatable Object Files 674
7.5 Symbols and Symbol Tables 675
7.6 Symbol Resolution 679
7.6.1 How Linkers Resolve Duplicate Symbol Names 680
7.6.2 Linking with Static Libraries 684
7.6.3 How Linkers Use Static Libraries to Resolve References 688
7.7 Relocation 689
7.7.1 Relocation Entries 690
7.7.2 Relocating Symbol References 691
7.8 Executable Object Files 695
7.9 Loading Executable Object Files 697
7.10 Dynamic Linking with Shared Libraries 698
7.11 Loading and Linking Shared Libraries from Applications 701
7.12 Position-Independent Code (PIC) 704
7.13 Library Interpositioning 707
7.13.1 Compile-Time Interpositioning 708
7.13.2 Link-Time Interpositioning 708
7.13.3 Run-Time Interpositioning 710
7.14 Tools for Manipulating Object Files 713
7.15 Summary 713
Bibliographic Notes 714
Homework Problems 714
Solutions to Practice Problems 717
第8章 异常控制流 721
8.1 异常 723
8.1.1 异常处理 724
8.1.2 异常的类别 726
8.1.3 Linux/x86-64系统中的异常 729
8.2 进程 732
8.2.1 逻辑控制流 732
8.2.2 并发流 733
8.2.3 私有地址空间 734
8.2.4 用户模式和核心模式 734
8.2.5 上下文切换 736
8.3 系统调用错误处理 737
8.4 进程控制 738
8.4.1 获取进程ID 739
8.4.2 创建和终止进程 739
8.4.3 回收子进程 743
8.4.4 让进程休眠 749
8.4.5 载入并运行程式 750
8.4.6 利用fork和execve运行程式 753
8.5 信号 756
8.5.1 信号术语 758
8.5.2 传送信号 759
8.5.3 接收信号 762
8.5.4 阻塞和解除阻塞信号 764
8.5.5 编写信号处理程式 766
8.5.6 同步流以避免讨厌的并发错误 776
8.5.7 显式地等待信号 778
8.6 非本地跳转 781
8.7 操作进程的工具 786
8.8 小结 787
参考文献说明 787
家庭作业 788
练习题答案 795
第9章 虚拟记忆体 801
9.1 物理和虚拟定址 803
9.2 地址空间 804
9.3 虚拟记忆体作为快取的工具 805
9.3.1 DRAM快取的组织结构 806
9.3.2 页表 806
9.3.3 页命中 808
9.3.4 缺页 808
9.3.5 分配页面 810
9.3.6 又是局部性救了我们 810
9.4 虚拟记忆体作为记忆体管理的工具 811
9.5 虚拟记忆体作为记忆体保护的工具 812
9.6 地址翻译 813
9.6.1 结合高速快取和虚拟记忆体 817
9.6.2 利用TLB加速地址翻译 817
9.6.3 多级页表 819
9.6.4 综合：端到端的地址翻译 821
9.7 案例研究：Intel Core i7/Linux记忆体系统 825
9.7.1 Core i7地址翻译 826
9.7.2 Linux虚拟记忆体系统 828
9.8 记忆体映射 833
9.8.1 再看共享对象 833
9.8.2 再看fork函式 836
9.8.3 再看execve函式 836
9.8.4 使用mmap函式的用户级记忆体映射 837
9.9 动态记忆体分配 839
9.9.1 malloc和free函式 840
9.9.2 为什幺要使用动态记忆体分配 843
9.9.3 分配器的要求和目标 844
9.9.4 碎片 846
9.9.5 实现问题 846
9.9.6 隐式空闲鍊表 847
9.9.7 放置已分配的块 849
9.9.8 分割空闲块 849
9.9.9 获取额外的堆记忆体 850
9.9.10 合併空闲块 850
9.9.11 带边界标记的合併 851
9.9.12 综合：实现一个简单的分配器 854
9.9.13 显式空闲鍊表 862
9.9.14 分离的空闲鍊表 863
9.10 垃圾收集 865
9.10.1 垃圾收集器的基本知识 866
9.10.2 Mark&Sweep垃圾收集器 867
9.10.3 C程式的保守Mark&Sweep 869
9.11 C程式中常见的与记忆体有关的错误 870
9.11.1 间接引用坏指针 870
9.11.2 读未初始化的记忆体 871
9.11.3 允许栈缓冲区溢出 871
9.11.4 假设指针和它们指向的对象是相同大小的 872
9.11.5 造成错位错误 872
9.11.6 引用指针，而不是它所指向的对象 873
9.11.7 误解指针运算 873
9.11.8 引用不存在的变数 874
9.11.9 引用空闲堆块中的数据 874
9.11.10 引起记忆体泄漏 875
9.12 小结 875
参考文献说明 876
家庭作业 876
练习题答案 880
第三部分
程式间的互动和通信
第10章 系统级I/O 889
10.1 Unix I/O 890
10.2 档案 891
10.3 打开和关闭档案 893
10.4 读和写档案 895
10.5 用RIO包健壮地读写 897
10.5.1 RIO的无缓冲的输入输出函式 897
10.5.2 RIO的带缓冲的输入函式 898
10.6 读取档案元数据 903
10.7 读取目录内容 905
10.8 已分享档案 906
10.9 I/O重定向 909
10.10 标準I/O 911
10.11 综合：我该使用哪些I/O函式？ 911
10.12 小结 913
参考文献说明 914
家庭作业 914
练习题答案 915
第11章 网路编程 917
11.1 客户端–伺服器编程模型 918
11.2 网路 919
11.3 全球IP网际网路 924
11.3.1 IP位址 925
11.3.2 网际网路域名 927
11.3.3 网际网路连线 929
11.4 套接字接口 932
11.4.1 套接字地址结构 933
11.4.2 socket函式 934
11.4.3 connect函式 934
11.4.4 bind函式 935
11.4.5 listen函式 935
11.4.6 accept函式 936
11.4.7 主机和服务的转换 937
11.4.8 套接字接口的辅助函式 942
11.4.9 echo客户端和伺服器的示例 944
11.5 Web伺服器 948
11.5.1 Web基础 948
11.5.2 Web内容 949
11.5.3 HTTP事务 950
11.5.4 服务动态内容 953
11.6 综合：TINY Web伺服器 956
11.7 小结 964
参考文献说明 965
家庭作业 965
练习题答案 966
第12章 并发编程 971
12.1 基于进程的并发编程 973
12.1.1 基于进程的并发伺服器 974
12.1.2 进程的优劣 975
12.2 基于I/O多路复用的并发编程 977
12.2.1 基于I/O多路复用的并发事件驱动伺服器 980
12.2.2 I/O多路复用技术的优劣 985
12.3 基于执行绪的并发编程 985
12.3.1 执行绪执行模型 986
12.3.2 Posix执行绪 987
12.3.3 创建执行绪 988
12.3.4 终止执行绪 988
12.3.5 回收已终止执行绪的资源 989
12.3.6 分离执行绪 989
12.3.7 初始化执行绪 990
12.3.8 基于执行绪的并发伺服器 991
12.4 多执行绪程式中的共享变数 992
12.4.1 执行绪记忆体模型 993
12.4.2 将变数映射到记忆体 994
12.4.3 共享变数 995
12.5 用信号量同步执行绪 995
12.5.1 进度图 999
12.5.2 信号量 1001
12.5.3 使用信号量来实现互斥 1002
12.5.4 利用信号量来调度共享资源 1004
12.5.5 综合：基于预执行绪化的并发伺服器 1008
12.6 使用执行绪提高并行性 1013
12.7 其他并发问题 1020
12.7.1 执行绪安全 1020
12.7.2 可重入性 1023
12.7.3 线上程化的程式中使用已存在的库函式 1024
12.7.4 竞争 1025
12.7.5 死锁 1027
12.8 小结 1030
参考文献说明 1030
家庭作业 1031
练习题答案 1036
附录A 错误处理 1041
参考文献 1047