正版新书]深入理解计算机系统(原书第3版)(美)兰德尔·E.布莱恩特

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 信息就是位+上下文
1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式
1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的
1.4 处理器读并解释储存在内存中的指令
1.4.1 系统的硬件组成
1.4.2 运行hello程序
1.5 高速缓存至关重要
1.6 存储设备形成层次结构
1.7 操作系统管理硬件
1.7.1 进程
1.7.2 线程
1.7.3 虚拟内存
1.7.4 文件
1.8 系统之间利用网络通信
1.9 重要主题
1.9.1 Amdahl定律
1.9.2 并发和并行
1.9.3 计算机系统中抽象的重要性
1.10 小结
参考文献说明
练习题答案
第一部分 程序结构和执行
第2章 信息的表示和处理
2.1 信息存储
2.1.1 十六进制表示法
2.1.2 字数据大小
2.1.3 寻址和字节顺序
2.1.4 表示字符串
2.1.5 表示代码
2.1.6 布尔代数简介
第3章 程序的机器级表示
第4章 处理器体系结构
第5章 优化程序性能
第6章 存储器层次结构
第二部分 在系统上运行程序
第7章 链接
第8章 异常控制流
第9章 虚拟内存
第三部分 程序间的交互和通信
第10章 系统级I/O
第11章 网络编程
第12章 并发编程
附录A 错误处理
参考文献

Randal E.Bryant 1981年于麻省理工学院获得计算机博士学位，1984年至今一直任教于卡内基-梅隆大学。现任卡内基-梅隆大学计算机科学学院院长、教授，同时还受邀任教于电子和计算机工程系。他从事本科生和研究生计算机系统方面课程的教学近40年。他和O’Hallaron教授一起在卡内基梅隆大学开设了15-213课程“计算机系统导论”，那便是本书的基础。他还是ACM院士、IEEE院士、美国国家工程院院士和美国人文与科学研究院院士。其研究成果被Intel、IBM、Fujitsu和Microsoft等主要计算机制造商使用，他还因研究获得过Semiconductor Research Corporation、ACM、IEEE颁发的多项大奖。

David R.O’Hallaron卡内基梅隆大学电子和计算机工程系教授。在弗吉尼亚大学（University of Virginia）获得计算机科学的博士学位，2007年-2010年为Intel匹兹堡实验室主任。他教授本科生和研究生的计算机系统方面的课程已有20余年，并和Bryant教授一起开设了“计算机系统导论”课程。曾获得CMU计算机学院颁发的Herbert Simon杰出教学奖。他主要从事计算机系统领域的研究，与Quake项目成员一起获得过高性能计算领域中的优选靠前奖项——Gordon Bell奖。他目前的工作重点是研究自动分级（autograding）概念，即评价其他程序质量的程序。

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，不断进化的近期新成果。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。 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专享方法就是做（do）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。几乎或接近不需要编程。 可能需要将近20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10个小时。 文中每段代码示例都是由经过GCC编译的C程序直接生成并在Linux系统上进行了测试，没有任何人为的改动。当然，你的系统上GCC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csapp.cs.cmu.edu上的CS:APP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code/intro/目录下的hello.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。 图1  一个典型的代码示例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（Web aside），包括一些对本书主要内容的补充资料。本书中用CHAP:TOP这样的标记形式来引用这些旁注，这里CHAP是该章主题的缩写编码，而TOP是涉及的话题的缩写编码。例如，网络旁注DATA:BOOL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ARCH:VLOG包含的是用Verilog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CS:APP的主页上获取。 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、Linux和Internet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“hoinky”？本书概述本书由12章组成，旨在阐述计算机系统的核心概念。内容概述如下： ●第1章：计算机系统漫游。这一章通过研究“hello，world”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2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IEEE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