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[26385] 2021-03-07_如何阅读《深入理解计算机系统》（包邮送书）

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-03-07_如何阅读《深入理解计算机系统》（包邮送书） 如 何 阅 读 《 深 入 理 解 计 算 机 系 统 》 （ 包 邮 送 书 ） 华 章 妹   L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 3 - 0 7 作 者 ： R a n d a l   E .   B r y a n t ， D a v i d   R .   O ' H a l l a r o n 来 源 ： 华 章 计 算 机 （ h z b o o k _ j s j ）   《 深 入 理 解 计 算 机 系 统 》 （ 简 称 C S : A P P ） 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 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 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 。
0 1 读 者 应 具 备 的 背 景 知 识 读 者 应 具 备 的 背 景 知 识 本 书 的 重 点 是 执 行 x 8 6 - 6 4 机 器 代 码 的 系 统 。 对 英 特 尔 及 其 竞 争 对 手 而 言 ， x 8 6 - 6 4 是 他 们 自 1 9 7 8 年 起 ， 以 8 0 8 6 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 “ x 8 6 ” 。 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 1 6 位 字 ， 发 展 到 引 入 I A 3 2 处 理 器 处 理 3 2 位 字 ， 再 到 最 近 的 x 8 6 - 6 4 处 理 6 4 位 字 。   我 们 考 虑 的 是 这 些 机 器 如 何 在 L i n u x 操 作 系 统 上 运 行 C 语 言 程 序 。 L i n u x 是 众 多 继 承 自 最 初 由 贝 尔 实 验 室 开 发 的 U n i x 的 操 作 系 统 中 的 一 种 。 这 类 操 作 系 统 的 其 他 成 员 包 括 S o l a r i s 、 F r e e B S D 和 M a c O S   X 。 近 年 来 ， 由 于 P o s i x 和 标 准 U n i x 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 U n i x ” 操 作 系 统 。   文 中 包 含 大 量 已 在 L i n u x 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 M i c r o s o f t   W i n d o w s 系 统 ， 我 们 建 议 你 选 择 安 装 一 个 虚 拟 机 环 境 （ 例 如 V i r t u a l B o x 或 者 V M W a r e ） ， 以 便 为 一 种 操 作 系 统 （ 客 户 O S ） 编 写 的 程 序 能 在 另 一 种 系 统 （ 宿 主 O S ） 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 J a v a 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 。 J a v a 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 J a v a 中 都 是 没 有 的 。 所 幸 的 是 ， C 是 一 个 较 小 的 语 言 ， 在 B r i a n   K e r n i g h a n 和 D e n n i s   R i t c h i e 经 典 的 “ K & R ” 文 献 中 得 到 了 清 晰 优 美 的 描 述 。 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 P y t h o n 、 R u b y 或 P e r l ， 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 x 8 6 - 6 4 处 理 器 上 的 G N U G C C 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 。   建 议 建 议 给 给 C 语 言 初 学 者 语 言 初 学 者   关 于 关 于 C 编 程 语 言 的 建 议 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 J a v a 。 0 2 如 何 阅 读 此 书 如 何 阅 读 此 书 从 程 序 员 的 角 度 学 习 计 算 机 系 统 是 如 何 工 作 的 会 非 常 有 趣 ， 主 要 是 因 为 你 可 以 主 动 地 做 这 件 事 情 。 无 论 何 时 你 学 到 一 些 新 的 东 西 ， 都 可 以 马 上 试 验 并 且 直 接 看 到 运 行 结 果 。 事 实 上 ， 我 们 相 信 学 习 系 统 的 唯 一 方 法 就 是 做 （ d o ） 系 统 ， 即 在 真 正 的 系 统 上 解 决 具 体 的 问 题 ， 或 是 编 写 和 运 行 程 序 。  
这 个 主 题 观 念 贯 穿 全 书 。 当 引 入 一 个 新 概 念 时 ， 将 会 有 一 个 或 多 个 练 习 题 紧 随 其 后 ， 你 应 该 马 上 做 一 做 来 检 验 你 的 理 解 。 这 些 练 习 题 的 解 答 在 每 章 的 末 尾 。 当 你 阅 读 时 ， 尝 试 自 己 来 解 答 每 个 问 题 ， 然 后 再 查 阅 答 案 ， 看 自 己 的 答 案 是 否 正 确 。 除 第 1 章 外 ， 每 章 后 面 都 有 难 度 不 同 的 家 庭 作 业 。 对 每 个 家 庭 作 业 题 ， 我 们 标 注 了 难 度 级 别 ： 只 需 要 几 分 钟 。 几 乎 或 完 全 不 需 要 编 程 。 可 能 需 要 将 近 2 0 分 钟 。 通 常 包 括 编 写 和 测 试 一 些 代 码 。 （ 许 多 都 源 自 我 们 在 考 试 中 出 的 题 目 。 ） 需 要 很 大 的 努 力 ， 也 许 是 1 ～ 2 个 小 时 。 一 般 包 括 编 写 和 测 试 大 量 的 代 码 。 一 个 实 验 作 业 ， 需 要 将 近 1 0 个 小 时 。 文 中 每 段 代 码 示 例 都 是 由 经 过 G C C 编 译 的 C 程 序 直 接 生 成 并 在 L i n u x 系 统 上 进 行 了 测 试 ， 没 有 任 何 人 为 的 改 动 。 当 然 ， 你 的 系 统 上 G C C 的 版 本 可 能 不 同 ， 或 者 根 本 就 是 另 外 一 种 编 译 器 ， 那 么 可 能 生 成 不 一 样 的 机 器 代 码 ， 但 是 整 体 行 为 表 现 应 该 是 一 样 的 。 所 有 的 源 程 序 代 码 都 可 以 从 c s a p p . c s . c m u . e d u 上 的 C S : A P P 主 页 上 获 取 。 在 本 书 中 ， 源 程 序 的 文 件 名 列 在 两 条 水 平 线 的 右 边 ， 水 平 线 之 间 是 格 式 化 的 代 码 。 比 如 ， 图 1 中 的 程 序 能 在 c o d e / i n t r o / 目 录 下 的 h e l l o . c 文 件 中 找 到 。 当 遇 到 这 些 示 例 程 序 时 ， 我 们 鼓 励 你 在 自 己 的 系 统 上 试 着 运 行 它 们 。   为 了 避 免 本 书 体 积 过 大 、 内 容 过 多 ， 我 们 添 加 了 许 多 网 络 旁 注 旁 注 （ W e b   a s i d e ） ， 包 括 一 些 对 本 书 主 要 内 容 的 补 充 资 料 。 本 书 中 用 C H A P : T O P 这 样 的 标 记 形 式 来 引 用 这 些 旁 注 ， 这 里 C H A P 是 该 章 主 题 的 缩 写 编 码 ， 而 T O P 是 涉 及 的 话 题 的 缩 写 编 码 。 例 如 ， 网 络 旁 注 D A T A : B O O L 包 含 对 第 2 章 中 数 据 表 示 里 面 有 关 布 尔 代 数 内 容 的 补 充 资 料 ； 而 网 络 旁 注 A R C H : V L O G 包 含 的 是 用 V e r i l o g 硬 件 描 述 语 言 进 行 处 理 器 设 计 的 资 料 ， 是 对 第 4 章 中 处 理 器 设 计 部 分 的 补 充 。 所 有 的 网 络 旁 注 都 可 以 从 C S : A P P 的 主 页 上 获 取 。   旁 注 旁 注 什 么 是 旁 注 ？ 什 么 是 旁 注 ？
在 整 本 书 中 ， 你 将 会 遇 到 很 多 以 这 种 形 式 出 现 的 旁 注 。 旁 注 是 附 加 说 明 ， 能 使 你 对 当 前 讨 论 的 主 题 多 一 些 了 解 。 旁 注 可 以 有 很 多 用 处 。 一 些 是 小 的 历 史 故 事 。 例 如 ， C 语 言 、 L i n u x 和 I n t e r n e t 是 从 何 而 来 的 ？ 有 些 旁 注 则 是 用 来 澄 清 学 生 们 经 常 感 到 疑 惑 的 问 题 。 例 如 ， 高 速 缓 存 的 行 、 组 和 块 有 什 么 区 别 ？ 还 有 些 旁 注 给 出 了 一 些 现 实 世 界 的 例 子 。 例 如 ， 一 个 浮 点 错 误 怎 么 毁 掉 了 法 国 的 一 枚 火 箭 ， 或 是 给 出 市 面 上 出 售 的 一 个 磁 盘 驱 动 器 的 几 何 和 运 行 参 数 。 最 后 ， 还 有 一 些 旁 注 仅 仅 就 是 一 些 有 趣 的 内 容 ， 例 如 ， 什 么 是 “ h o i n k y ” ？ 0 3 本 书 概 述 本 书 概 述 本 书 由 1 2 章 组 成 ， 旨 在 阐 述 计 算 机 系 统 的 核 心 概 念 。 内 容 概 述 如 下 ： 第 第 1 章 ： 计 算 机 系 统 漫 游 。 章 ： 计 算 机 系 统 漫 游 。 这 一 章 通 过 研 究 “ h e l l o ， w o r l d ” 这 个 简 单 程 序 的 生 命 周 期 ， 介 绍 计 算 机 系 统 的 主 要 概 念 和 主 题 。 第 第 2 章 ： 信 息 的 表 示 和 处 理 。 章 ： 信 息 的 表 示 和 处 理 。 我 们 讲 述 了 计 算 机 的 算 术 运 算 ， 重 点 描 述 了 会 对 程 序 员 有 影 响 的 无 符 号 数 和 数 的 补 码 表 示 的 特 性 。 我 们 考 虑 数 字 是 如 何 表 示 的 ， 以 及 由 此 确 定 对 于 一 个 给 定 的 字 长 ， 其 可 能 编 码 值 的 范 围 。 我 们 探 讨 有 符 号 和 无 符 号 数 字 之 间 类 型 转 换 的 效 果 ， 还 阐 述 算 术 运 算 的 数 学 特 性 。 菜 鸟 级 程 序 员 经 常 很 惊 奇 地 了 解 到 （ 用 补 码 表 示 的 ） 两 个 正 数 的 和 或 者 积 可 能 为 负 。 另 一 方 面 ， 补 码 的 算 术 运 算 满 足 很 多 整 数 运 算 的 代 数 特 性 ， 因 此 ， 编 译 器 可 以 很 安 全 地 把 一 个 常 量 乘 法 转 化 为 一 系 列 的 移 位 和 加 法 。 我 们 用 C 语 言 的 位 级 操 作 来 说 明 布 尔 代 数 的 原 理 和 应 用 。 我 们 从 两 个 方 面 讲 述 了 I E E E 标 准 的 浮 点 格 式 ： 一 是 如 何 用 它 来 表 示 数 值 ， 一 是 浮 点 运 算 的 数 学 属 性 。 对 计 算 机 的 算 术 运 算 有 深 刻 的 理 解 是 写 出 可 靠 程 序 的 关 键 。 比 如 ， 程 序 员 和 编 译 器 不 能 用 表 达 式 （ x - y < 0 ） 来 替 代 （ x < y ） ， 因 为 前 者 可 能 会 产 生 溢 出 。 甚 至 也 不 能 用 表 达 式 （ - y < - x ） 来 替 代 ， 因 为 在 补 码 表 示 中 负 数 和 正 数 的 范 围 是 不 对 称 的 。 算 术 溢 出 是 造 成 程 序 错 误 和 安 全 漏 洞 的 一 个 常 见 根 源 ， 然 而 很 少 有 书 从 程 序 员 的 角 度 来 讲 述 计 算 机 算 术 运 算 的 特 性 。 第 第 3 章 ： 程 序 的 机 器 级 表 示 。 章 ： 程 序 的 机 器 级 表 示 。 我 们 教 读 者 如 何 阅 读 由 C 编 译 器 生 成 的 x 8 6 - 6 4 机 器 代 码 。 我 们 说 明 为 不 同 控 制 结 构 （ 比 如 条 件 、 循 环 和 开 关 语 句 ） 生 成 的 基 本 指 令 模 式 。 我 们 还 讲 述 过 程 的 实 现 ， 包 括 栈 分 配 、 寄 存 器 使 用 惯 例 和 参 数 传 递 。 我 们 讨 论 不 同 数 据 结 构 （ 如 结 构 、 联 合 和 数 组 ） 的 分 配 和 访 问 方 式 。 我 们 还 说 明 实 现 整 数 和 浮 点 数 算 术 运 算 的 指 令 。 我 们 还 以 分 析 程 序 在 机 器 级 的 样 子 作 为 途 径 ， 来 理 解 常 见 的 代 码 安 全 漏 洞 （ 例 如 缓 冲 区 溢 出 ） ， 以 及 理 解 程 序 员 、 编 译 器 和 操 作 系 统 可 以 采 取 的 减 轻 这 些 威 胁 的 措 施 。 学 习 本 章 的 概 念 能 够 帮 助 读 者 成 为 更 好 的 程 序 员 ， 因 为 你 们 懂 得 程 序 在 机 器 上 是 如 何 表 示 的 。 另 外 一 个 好 处 就 在 于 读 者 会 对 指 针 有 非 常 全 面 而 具 体 的 理 解 。 第 第 4 章 ： 处 理 器 体 系 结 构 。 章 ： 处 理 器 体 系 结 构 。 这 一 章 讲 述 基 本 的 组 合 和 时 序 逻 辑 元 素 ， 并 展 示 这 些 元 素 如 何 在 数 据 通 路 中 组 合 到 一 起 ， 来 执 行 x 8 6 - 6 4 指 令 集 的 一 个 称 为 “ Y 8 6 - 6 4 ” 的 简 化 子 集 。 我 们 从 设 计 单 时 钟 周 期 数 据 通 路 开 始 。 这 个 设 计 概 念 上 非 常 简 单 ， 但 是 运 行 速 度 不 会 太
快 。 然 后 我 们 引 入 流 水 线 的 思 想 ， 将 处 理 一 条 指 令 所 需 要 的 不 同 步 骤 实 现 为 独 立 的 阶 段 。 这 个 设 计 中 ， 在 任 何 时 刻 ， 每 个 阶 段 都 可 以 处 理 不 同 的 指 令 。 我 们 的 五 阶 段 处 理 器 流 水 线 更 加 实 用 。 本 章 中 处 理 器 设 计 的 控 制 逻 辑 是 用 一 种 称 为 H C L 的 简 单 硬 件 描 述 语 言 来 描 述 的 。 用 H C L 写 的 硬 件 设 计 能 够 编 译 和 链 接 到 本 书 提 供 的 模 拟 器 中 ， 还 可 以 根 据 这 些 设 计 生 成 V e r i l o g 描 述 ， 它 适 合 合 成 到 实 际 可 以 运 行 的 硬 件 上 去 。 第 第 5 章 ： 优 化 程 序 性 能 。 章 ： 优 化 程 序 性 能 。 在 这 一 章 里 ， 我 们 介 绍 了 许 多 提 高 代 码 性 能 的 技 术 ， 主 要 思 想 就 是 让 程 序 员 通 过 使 编 译 器 能 够 生 成 更 有 效 的 机 器 代 码 来 学 习 编 写 C 代 码 。 我 们 一 开 始 介 绍 的 是 减 少 程 序 需 要 做 的 工 作 的 变 换 ， 这 些 是 在 任 何 机 器 上 写 任 何 程 序 时 都 应 该 遵 循 的 。 然 后 讲 的 是 增 加 生 成 的 机 器 代 码 中 指 令 级 并 行 度 的 变 换 ， 因 而 提 高 了 程 序 在 现 代 “ 超 标 量 ” 处 理 器 上 的 性 能 。 为 了 解 释 这 些 变 换 行 之 有 效 的 原 理 ， 我 们 介 绍 了 一 个 简 单 的 操 作 模 型 ， 它 描 述 了 现 代 乱 序 处 理 器 是 如 何 工 作 的 ， 然 后 给 出 了 如 何 根 据 一 个 程 序 的 图 形 化 表 示 中 的 关 键 路 径 来 测 量 一 个 程 序 可 能 的 性 能 。 你 会 惊 讶 于 对 C 代 码 做 一 些 简 单 的 变 换 能 给 程 序 带 来 多 大 的 速 度 提 升 。 第 第 6 章 ： 存 储 器 层 次 结 构 。 章 ： 存 储 器 层 次 结 构 。 对 应 用 程 序 员 来 说 ， 存 储 器 系 统 是 计 算 机 系 统 中 最 直 接 可 见 的 部 分 之 一 。 到 目 前 为 止 ， 读 者 一 直 认 同 这 样 一 个 存 储 器 系 统 概 念 模 型 ， 认 为 它 是 一 个 有 一 致 访 问 时 间 的 线 性 数 组 。 实 际 上 ， 存 储 器 系 统 是 一 个 由 不 同 容 量 、 造 价 和 访 问 时 间 的 存 储 设 备 组 成 的 层 次 结 构 。 我 们 讲 述 不 同 类 型 的 随 机 存 取 存 储 器 （ R A M ） 和 只 读 存 储 器 （ R O M ） ， 以 及 磁 盘 和 固 态 硬 盘 　 （ 直 译 应 为 固 态 驱 动 器 ， 但 固 态 硬 盘 一 词 已 经 被 大 家 接 受 ， 所 以 沿 用 。 — — 译 者 注 ） 的 几 何 形 状 和 组 织 构 造 。 我 们 描 述 这 些 存 储 设 备 是 如 何 放 置 在 层 次 结 构 中 的 ， 讲 述 访 问 局 部 性 是 如 何 使 这 种 层 次 结 构 成 为 可 能 的 。 我 们 通 过 一 个 独 特 的 观 点 使 这 些 理 论 具 体 化 ， 那 就 是 将 存 储 器 系 统 视 为 一 个 “ 存 储 器 山 ” ， 山 脊 是 时 间 局 部 性 ， 而 斜 坡 是 空 间 局 部 性 。 最 后 ， 我 们 向 读 者 阐 述 如 何 通 过 改 善 程 序 的 时 间 局 部 性 和 空 间 局 部 性 来 提 高 应 用 程 序 的 性 能 。 第 第 7 章 ： 链 接 。 章 ： 链 接 。 本 章 讲 述 静 态 和 动 态 链 接 ， 包 括 的 概 念 有 可 重 定 位 的 和 可 执 行 的 目 标 文 件 、 符 号 解 析 、 重 定 位 、 静 态 库 、 共 享 目 标 库 、 位 置 无 关 代 码 ， 以 及 库 打 桩 。 大 多 数 讲 述 系 统 的 书 中 都 不 讲 链 接 ， 我 们 要 讲 述 它 是 出 于 以 下 原 因 。 第 一 ， 程 序 员 遇 到 的 最 令 人 迷 惑 的 问 题 中 ， 有 一 些 和 链 接 时 的 小 故 障 有 关 ， 尤 其 是 对 那 些 大 型 软 件 包 来 说 。 第 二 ， 链 接 器 生 成 的 目 标 文 件 是 与 一 些 像 加 载 、 虚 拟 内 存 和 内 存 映 射 这 样 的 概 念 相 关 的 。 第 第 8 章 ： 异 常 控 制 流 。 章 ： 异 常 控 制 流 。 在 本 书 的 这 个 部 分 ， 我 们 通 过 介 绍 异 常 控 制 流 （ 即 除 正 常 分 支 和 过 程 调 用 以 外 的 控 制 流 的 变 化 ） 的 一 般 概 念 ， 打 破 单 一 程 序 的 模 型 。 我 们 给 出 存 在 于 系 统 所 有 层 次 的 异 常 控 制 流 的 例 子 ， 从 底 层 的 硬 件 异 常 和 中 断 ， 到 并 发 进 程 的 上 下 文 切 换 ， 到 由 于 接 收 L i n u x 信 号 引 起 的 控 制 流 突 变 ， 到 C 语 言 中 破 坏 栈 原 则 的 非 本 地 跳 转 。 在 这 一 章 ， 我 们 介 绍 进 程 的 基 本 概 念 ， 进 程 是 对 一 个 正 在 执 行 的 程 序 的 一 种 抽 象 。 读 者 会 学 习 进 程 是 如 何 工 作 的 ， 以 及 如 何 在 应 用 程 序 中 创 建 和 操 纵 进 程 。 我 们 会 展 示 应 用 程 序 员 如 何 通 过 L i n u x 系 统 调 用 来 使 用 多 个 进 程 。 学 完 本 章 之 后 ， 读 者 就 能 够 编 写 带 作 业 控 制 的 L i n u x   s h e l l 了 。 同 时 ， 这 里 也 会 向 读 者 初 步 展 示 程 序 的 并 发 执 行 会 引 起 不 确 定 的 行 为 。 第 第 9 章 ： 虚 拟 内 存 。 章 ： 虚 拟 内 存 。 我 们 讲 述 虚 拟 内 存 系 统 是 希 望 读 者 对 它 是 如 何 工 作 的 以 及 它 的 特 性 有 所 了 解 。 我 们 想 让 读 者 了 解 为 什 么 不 同 的 并 发 进 程 各 自 都 有 一 个 完 全 相 同 的 地 址 范 围 ， 能 共 享 某 些 页 ， 而 又 独 占 另 外 一 些 页 。 我 们 还 讲 了 一 些 管 理 和 操 纵 虚 拟 内 存 的 问 题 。 特 别 地 ， 我 们 讨 论 了 存 储 分 配 操 作 ， 就 像 标 准 库 的 m a l l o c 和 f r e e 操 作 。 阐 述 这 些 内 容 是 出 于 下 面 几 个 目 的 。 它 加 强 了 这 样 一 个 概 念 ， 那 就 是 虚 拟 内 存 空 间 只 是 一 个 字 节 数 组 ， 程 序 可 以 把 它 划 分 成 不 同 的 存 储 单 元 。 它 可 以 帮 助 读 者 理 解 当 程 序 包 含 存 储 泄 漏 和 非 法 指 针 引 用 等 内 存 引 用 错 误 时 的 后 果 。 最 后 ， 许 多 应 用 程 序 员 编 写 自 己 的 优 化 了 的 存 储 分 配 操 作 来 满 足 应 用 程 序 的 需 要 和 特 性 。 这 一 章 比 其 他 任 何 一 章 都 更 能 展 现 将 计 算 机 系 统 中 的 硬 件 和 软 件 结 合 起 来 阐 述 的 优 点 。 而 传 统 的 计 算 机 体 系 结 构 和 操 作 系 统 书 籍 都 只 讲 述 虚 拟 内 存 的 某 一 方 面 。
第 第 1 0 章 ： 系 统 级 章 ： 系 统 级 I / O 。 。 我 们 讲 述 U n i x   I / O 的 基 本 概 念 ， 例 如 文 件 和 描 述 符 。 我 们 描 述 如 何 共 享 文 件 ， I / O 重 定 向 是 如 何 工 作 的 ， 还 有 如 何 访 问 文 件 的 元 数 据 。 我 们 还 开 发 了 一 个 健 壮 的 带 缓 冲 区 的 I / O 包 ， 可 以 正 确 处 理 一 种 称 为 s h o r t   c o u n t s 的 奇 特 行 为 ， 也 就 是 库 函 数 只 读 取 一 部 分 的 输 入 数 据 。 我 们 阐 述 C 的 标 准 I / O 库 ， 以 及 它 与 L i n u x   I / O 的 关 系 ， 重 点 谈 到 标 准 I / O 的 局 限 性 ， 这 些 局 限 性 使 之 不 适 合 网 络 编 程 。 总 的 来 说 ， 本 章 的 主 题 是 后 面 两 章 — — 网 络 和 并 发 编 程 的 基 础 。 第 第 1 1 章 ： 网 络 编 程 。 章 ： 网 络 编 程 。 对 编 程 而 言 ， 网 络 是 非 常 有 趣 的 I / O 设 备 ， 它 将 许 多 我 们 前 面 文 中 学 习 的 概 念 （ 比 如 进 程 、 信 号 、 字 节 顺 序 、 内 存 映 射 和 动 态 内 存 分 配 ） 联 系 在 一 起 。 网 络 程 序 还 为 下 一 章 的 主 题 — — 并 发 ， 提 供 了 一 个 很 令 人 信 服 的 上 下 文 。 本 章 只 是 网 络 编 程 的 一 个 很 小 的 部 分 ， 使 读 者 能 够 编 写 一 个 简 单 的 W e b 服 务 器 。 我 们 还 讲 述 位 于 所 有 网 络 程 序 底 层 的 客 户 端 服 务 器 模 型 。 我 们 展 现 了 一 个 程 序 员 对 I n t e r n e t 的 观 点 ， 并 且 教 读 者 如 何 用 套 接 字 接 口 来 编 写 I n t e r n e t 客 户 端 和 服 务 器 。 最 后 ， 我 们 介 绍 超 文 本 传 输 协 议 （ H T T P ） ， 并 开 发 了 一 个 简 单 的 迭 代 式 W e b 服 务 器 。 第 第 1 2 章 ： 并 发 编 程 。 章 ： 并 发 编 程 。 这 一 章 以 I n t e r n e t 服 务 器 设 计 为 例 介 绍 了 并 发 编 程 。 我 们 比 较 对 照 了 三 种 编 写 并 发 程 序 的 基 本 机 制 （ 进 程 、 I / O 多 路 复 用 和 线 程 ） ， 并 且 展 示 如 何 用 它 们 来 建 造 并 发 I n t e r n e t 服 务 器 。 我 们 探 讨 了 用 P 、 V 信 号 量 操 作 来 实 现 同 步 、 线 程 安 全 和 可 重 入 、 竞 争 条 件 以 及 死 锁 等 的 基 本 原 则 。 对 大 多 数 服 务 器 应 用 来 说 ， 写 并 发 代 码 都 是 很 关 键 的 。 我 们 还 讲 述 了 线 程 级 编 程 的 使 用 方 法 ， 用 这 种 方 法 来 表 达 应 用 程 序 中 的 并 行 性 ， 使 得 程 序 在 多 核 处 理 器 上 能 执 行 得 更 快 。 使 用 所 有 的 核 解 决 同 一 个 计 算 问 题 需 要 很 小 心 谨 慎 地 协 调 并 发 线 程 ， 既 要 保 证 正 确 性 ， 又 要 争 取 获 得 高 性 能 。   0 4 本 版 新 增 内 容 本 版 新 增 内 容 本 书 的 第 1 版 于 2 0 0 3 年 出 版 ， 第 2 版 在 2 0 1 1 年 出 版 。 考 虑 到 计 算 机 技 术 发 展 如 此 迅 速 ， 这 本 书 的 内 容 还 算 是 保 持 得 很 好 。 事 实 证 明 I n t e l   x 8 6 的 机 器 上 运 行 L i n u x （ 以 及 相 关 操 作 系 统 ） ， 加 上 采 用 C 语 言 编 程 ， 是 一 种 能 够 涵 盖 当 今 许 多 系 统 的 组 合 。 然 而 ， 硬 件 技 术 、 编 译 器 和 程 序 库 接 口 的 变 化 ， 以 及 很 多 教 师 教 授 这 些 内 容 的 经 验 ， 都 促 使 我 们 做 了 大 量 的 修 改 。 第 2 版 以 来 的 最 大 整 体 变 化 是 ， 我 们 的 介 绍 从 以 I A 3 2 和 x 8 6 - 6 4 为 基 础 ， 转 变 为 完 全 以 x 8 6 - 6 4 为 基 础 。 这 种 重 心 的 转 移 影 响 了 很 多 章 节 的 内 容 。 下 面 列 出 一 些 明 显 的 变 化 ： 第 第 1 章 章 。 我 们 将 第 5 章 对 A m d a h l 定 理 的 讨 论 移 到 了 本 章 。 第 第 2 章 章 。 读 者 和 评 论 家 的 反 馈 是 一 致 的 ， 本 章 的 一 些 内 容 有 点 令 人 不 知 所 措 。 因 此 ， 我 们 澄 清 了 一 些 知 识 点 ， 用 更 加 数 学 的 方 式 来 描 述 ， 使 得 这 些 内 容 更 容 易 理 解 。 这 使 得 读 者 能 先 略 过 数 学 细 节 ， 获 得 高 层 次 的 总 体 概 念 ， 然 后 回 过 头 来 进 行 更 细 致 深 入 的 阅 读 。 第 第 3 章 章 。 我 们 将 之 前 基 于 I A 3 2 和 x 8 6 - 6 4 的 表 现 形 式 转 换 为 完 全 基 于 x 8 6 - 6 4 ， 还 更 新 了 近 期 版 本 G C C 产 生 的 代 码 。 其 结 果 是 大 量 的 重 写 工 作 ， 包 括 修 改 了 一 些 概 念 提 出 的 顺 序 。 同 时 ， 我 们 还 首 次 介 绍 了 对 处 理 浮 点 数 据 的 程 序 的 机 器 级 支 持 。 由 于 历 史 原 因 ， 我 们 给 出 了 一 个 网 络 旁 注 描 述 I A 3 2 机 器 码 。 第 第 4 章 章 。 我 们 将 之 前 基 于 3 2 位 架 构 的 处 理 器 设 计 修 改 为 支 持 6 4 位 字 和 操 作 的 设 计 。 第 第 5 章 章 。 我 们 更 新 了 内 容 以 反 映 最 近 几 代 x 8 6 - 6 4 处 理 器 的 性 能 。 通 过 引 入 更 多 的 功 能 单 元 和 更 复 杂 的 控 制 逻 辑 ， 我 们 开 发 的 基 于 程 序 数 据 流 表 示 的 程 序 性 能 模 型 ， 其 性 能 预 测 变 得 比 之 前 更 加 可 靠 。 第 第 6 章 章 。 我 们 对 内 容 进 行 了 更 新 ， 以 反 映 更 多 的 近 期 技 术 。
第 第 7 章 章 。 针 对 x 8 6 - 6 4 ， 我 们 重 写 了 本 章 ， 扩 充 了 关 于 用 G O T 和 P L T 创 建 位 置 无 关 代 码 的 讨 论 ， 新 增 了 一 节 描 述 更 加 强 大 的 链 接 技 术 ， 比 如 库 打 桩 。 第 第 8 章 章 。 我 们 增 加 了 对 信 号 处 理 程 序 更 细 致 的 描 述 ， 包 括 异 步 信 号 安 全 的 函 数 ， 编 写 信 号 处 理 程 序 的 具 体 指 导 原 则 ， 以 及 用 s i g s u s p e n d 等 待 处 理 程 序 。 第 第 9 章 章 。 本 章 变 化 不 大 。 第 第 1 0 章 章 。 我 们 新 增 了 一 节 说 明 文 件 和 文 件 的 层 次 结 构 ， 除 此 之 外 ， 本 章 的 变 化 不 大 。 第 第 1 1 章 章 。 我 们 介 绍 了 采 用 最 新 g e t a d d r i n f o 和 g e t n a m e i n f o 函 数 的 、 与 协 议 无 关 和 线 程 安 全 的 网 络 编 程 ， 取 代 过 时 的 、 不 可 重 入 的 g e t h o s t b y n a m e 和 g e t h o s t b y a d d r 函 数 。 第 第 1 2 章 章 。 我 们 扩 充 了 利 用 线 程 级 并 行 性 使 得 程 序 在 多 核 机 器 上 更 快 运 行 的 内 容 。 此 外 ， 我 们 还 增 加 和 修 改 了 很 多 练 习 题 和 家 庭 作 业 。   0 5 本 书 的 起 源 本 书 的 起 源 本 书 起 源 于 1 9 9 8 年 秋 季 ， 我 们 在 卡 内 基 梅 隆 （ C M U ） 大 学 开 设 的 一 门 编 号 为 1 5 - 2 1 3 的 介 绍 性 课 程 ： 计 算 机 系 统 导 论 （ I n t r o d u c t i o n   t o C o m p u t e r   S y s t e m ， I C S ） 。 从 那 以 后 ， 每 学 期 都 开 设 了 I C S 这 门 课 程 ， 每 学 期 有 超 过 4 0 0 名 学 生 上 课 ， 这 些 学 生 从 本 科 二 年 级 到 硕 士 研 究 生 都 有 ， 所 学 专 业 也 很 广 泛 。 这 门 课 程 是 卡 内 基 梅 隆 大 学 计 算 机 科 学 系 （ C S ） 以 及 电 子 和 计 算 机 工 程 系 （ E C E ） 所 有 本 科 生 的 必 修 课 ， 也 是 C S 和 E C E 大 多 数 高 级 系 统 课 程 的 先 行 必 修 课 。   I C S 这 门 课 程 的 宗 旨 是 用 一 种 不 同 的 方 式 向 学 生 介 绍 计 算 机 。 因 为 ， 我 们 的 学 生 中 几 乎 没 有 人 有 机 会 亲 自 去 构 造 一 个 计 算 机 系 统 。 另 一 方 面 ， 大 多 数 学 生 ， 甚 至 包 括 所 有 的 计 算 机 科 学 家 和 计 算 机 工 程 师 ， 也 需 要 日 常 使 用 计 算 机 和 编 写 计 算 机 程 序 。 所 以 我 们 决 定 从 程 序 员 的 角 度 来 讲 解 系 统 ， 并 采 用 这 样 的 原 则 过 滤 要 讲 述 的 内 容 ： 我 们 只 讨 论 那 些 影 响 用 户 级 C 语 言 程 序 的 性 能 、 正 确 性 或 实 用 性 的 主 题 。   比 如 ， 我 们 排 除 了 诸 如 硬 件 加 法 器 和 总 线 设 计 这 样 的 主 题 。 虽 然 我 们 谈 及 了 机 器 语 言 ， 但 是 重 点 并 不 在 于 如 何 手 工 编 写 汇 编 语 言 ， 而 是 关 注 C 语 言 编 译 器 是 如 何 将 C 语 言 的 结 构 翻 译 成 机 器 代 码 的 ， 包 括 编 译 器 是 如 何 翻 译 指 针 、 循 环 、 过 程 调 用 以 及 开 关 （ s w i t c h ） 语 句 的 。 更 进 一 步 地 ， 我 们 将 更 广 泛 和 全 盘 地 看 待 系 统 ， 包 括 硬 件 和 系 统 软 件 ， 涵 盖 了 包 括 链 接 、 加 载 、 进 程 、 信 号 、 性 能 优 化 、 虚 拟 内 存 、 I / O 以 及 网 络 与 并 发 编 程 等 在 内 的 主 题 。   这 种 做 法 使 得 我 们 讲 授 I C S 课 程 的 方 式 对 学 生 来 讲 既 实 用 、 具 体 ， 还 能 动 手 操 作 ， 同 时 也 非 常 能 调 动 学 生 的 积 极 性 。 很 快 地 ， 我 们 收 到 来 自 学 生 和 教 职 工 非 常 热 烈 而 积 极 的 反 响 ， 我 们 意 识 到 卡 内 基 梅 隆 大 学 以 外 的 其 他 人 也 可 以 从 我 们 的 方 法 中 获 益 。 因 此 ， 这 本 书 从 I C S 课 程 的 笔 记 中 应 运 而 生 了 ， 而 现 在 我 们 对 它 做 了 修 改 ， 使 之 能 够 反 映 科 学 技 术 以 及 计 算 机 系 统 实 现 中 的 变 化 和 进 步 。   通 过 本 书 的 多 个 版 本 和 多 种 语 言 译 本 ， I C S 和 许 多 相 似 课 程 已 经 成 为 世 界 范 围 内 数 百 所 高 校 的 计 算 机 科 学 和 计 算 机 工 程 课 程 的 一 部 分 。  
本 文 摘 编 自 《 深 入 理 解 计 算 机 系 统 （ 原 书 第 3 版 ） 》 ， 经 出 版 方 授 权 发 布 。 作 者 作 者 ： ： [ 美 ]   兰 德 尔   E . 布 莱 恩 特 （ R a n d a l   E .   B r y a n t ） 大 卫   R .   奥 哈 拉 伦 （ D a v i d   R .   O ' H a l l a r o n ）   译 者 译 者 ： ： 龚 奕 利 、 贺 莲 被 誉 为 “ 价 值 超 过 等 重 量 黄 金 的 无 价 资 源 宝 库 价 值 超 过 等 重 量 黄 金 的 无 价 资 源 宝 库 ” 理 解 计 算 机 系 统 首 选 书 目 ，   十 余 万 程 序 员 的 共 同 选 择 。 本 书 是 一 本 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 。 卡 内 基 - 梅 隆 大 学 、 北 京 大 学 、 上 海 交 大 等 国 内 外 众 多 知 名 高 校 选 用 指 定 教 材 。 本 书 的 最 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 ， 以 及 造 成 效 率 低 下 的 原 因 。   如 何 使 用 本 书 从 程 序 员 的 角 度 来 学 习 计 算 机 系 统 是 如 何 工 作 的 会 非 常 有 趣 。 最 理 想 的 学 习 方 法 是 在 真 正 的 系 统 上 解 决 具 体 的 问 题 ， 或 是 编 写 和 运 行 程 序 。 这 个 主 题 观 念 贯 穿 本 书 始 终 。 因 此 我 们 建 议 你 用 如 下 方 式 学 习 这 本 书 ： 学 习 一 个 新 概 念 时 ， 你 应 该 立 刻 做 一 做 紧 随 其 后 的 一 个 或 多 个 练 习 题 来 检 验 你 的 理 解 。 这 些 练 习 题 的 解 答 在 每 章 的 末 尾 。 要 先 尝 试 自 己 来 解 答 每 个 问 题 ， 然 后 再 查 阅 答 案 。 每 一 章 后 都 有 一 组 难 度 不 同 的 作 业 题 ， 这 些 题 目 需 要 的 时 间 从 十 几 分 钟 到 十 几 个 小 时 ， 但 建 议 你 尝 试 完 成 这 些 作 业 题 ， 完 成 之 后 你 会 发 现 对 系 统 的 理 解 更 加 深 入 。 本 书 中 有 丰 富 的 代 码 示 例 ， 鼓 励 你 在 系 统 上 运 行 这 些 示 例 的 源 代 码 。 向 老 师 或 他 人 请 教 和 交 流 是 很 好 的 学 习 方 式 。
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