具体描述
本书共分10章。前8章从最简单的程序入手，通过一系列解决实际问题的小程序，引入程序的3种基本结构——顺序、选择和循环结构，以及数组、函数和主程序，逐步建立包含多个函数调用、能够处理多项功能的程序框架。第9章介绍了模块化程序设计方法，分析了程序模块间的各种结构。最后一章给出了一具完整的程序，是前面各章的综合运用。
本书每一章都有英汉对照的“双语精髓”，方便学生掌握专业术语。本书配有电子教案和所有程序的源代码。
本书适合大专层次的各类型学历教育，包括普通、成人和高职高专类院校计算机类专业的学生，也适合成人自学。
编程启蒙与技术前沿：跨越数字时代的知识地图 一、 操作系统内核与底层原理的深度探索 本书并非聚焦于基础的程序设计语法或初级的逻辑训练，而是直接深入到现代计算系统的核心——操作系统内核的架构与实现。我们将以一个完全不同于“程序设计基础”的视角，剖析操作系统的生命周期、进程与线程的管理机制，以及内存分配的复杂算法。 内核结构解析： 我们将详尽对比Linux内核的模块化设计与Windows NT内核的混合结构。重点将放在系统调用（System Call）的上下文切换过程，如何通过中断描述符表（IDT）和任务状态段（TSS）实现用户态到内核态的无缝转换，以及系统调用接口的设计哲学。 内存管理的高级主题： 传统“程序设计基础”可能会提及虚拟内存概念，但本书将深入探讨页表（Page Table）的多级缓存优化，如Translation Lookaside Buffer (TLB) 的工作机制、TLB 缺失的处理流程，以及现代CPU如何配合操作系统实现内存保护（如NX位/DEP技术）。我们还将分析内存碎片整理的策略，包括伙伴系统（Buddy System）和slab分配器在不同工作负载下的性能权衡。 并发与同步的实战挑战： 跳过简单的互斥锁（Mutex）示例，本书将专注于无锁数据结构（Lock-Free Data Structures） 的构建。我们将详细介绍Compare-and-Swap (CAS) 操作的底层实现，并运用CAS构建高效的无锁队列和栈。同时，对屏障（Memory Barriers/Fences）在多核环境下的作用进行深入剖析，解释它们如何确保指令重排不会破坏程序逻辑的正确性。 二、 分布式系统与大规模数据处理架构 本书的另一核心板块，是构建在现代硬件和网络之上、用于处理PB级数据的分布式系统设计。这完全超出了单机程序设计的范畴。 一致性模型与共识算法： 我们将系统地学习和实践Paxos和Raft协议。重点在于理解它们如何保证在网络分区和节点故障下的状态一致性。我们将详细绘制Raft的Leader选举流程图，并分析日志复制（Log Replication）的同步机制，特别是“安全”（Safety）属性的数学证明基础。 大规模存储系统设计： 我们将研究Google File System (GFS) 和Hadoop Distributed File System (HDFS) 的设计思想，但更侧重于基于内容寻址的存储（Content-Addressed Storage） 架构，如Amazon S3的底层一致性保证。如何设计一个能够容忍99.999%节点失败的持久化层，是本章探讨的重点。 流处理与实时计算： 介绍Apache Flink和Kafka Streams等现代流处理框架的内部工作原理。特别是如何处理事件时间（Event Time）与处理时间（Processing Time）的差异，以及Watermark机制在保证最终一致性时的关键作用。我们将构建一个简单的窗口函数（Windowing Function）处理器，以理解状态管理和容错机制。 三、 编译原理的深度优化与特定领域架构 本书将追溯到代码转化为机器指令的旅程，但目标并非教会如何编写编译器，而是理解高性能代码的生成机制。 中间表示（IR）与优化通道： 我们将以LLVM作为案例，深入研究Static Single Assignment (SSA) 形式的中间表示。重点分析循环展开（Loop Unrolling）、向量化（Vectorization） 和死代码消除（Dead Code Elimination） 等关键优化步骤如何在SSA图上实现。理解这些优化，才能写出真正能被编译器充分利用的高效代码。 特定架构下的性能调优： 抛开通用的C/C++语法，本书会针对特定的指令集架构（如x86-64的AVX-512或ARMv8）进行分析。我们将学习如何使用汇编内嵌（Inline Assembly）来直接控制寄存器，并理解分支预测单元（Branch Predictor） 的工作原理，以及如何通过代码结构来避免分支未命中（Branch Misprediction） 带来的巨大性能惩罚。 四、 计算机网络协议栈的底层实现与安全透视 “程序设计基础”通常只会提及TCP/IP模型，本书则直接潜入数据包的诞生与传输过程。 TCP/IP协议栈的内核实现细节： 我们将研究Linux内核中`struct sock`等核心数据结构的布局，以及TCP拥塞控制算法（如CUBIC或BBR）的数学模型与参数调优。重点在于理解零拷贝（Zero-Copy）技术（如`sendfile()`）如何通过DMA和内核缓冲区避免数据在用户空间和内核空间的多次复制，从而极大地提升I/O性能。 安全协议与加密算法的物理实现： 我们将不满足于使用TLS库，而是探究TLS 1.3握手过程的完整流程，包括密钥交换的椭圆曲线迪菲-赫尔曼（ECDHE）过程。此外，我们会分析现代CPU中硬件加密加速指令集（如Intel AES-NI） 的使用，以理解如何将复杂的加密计算转化为极速的硬件操作。 总结： 本书献给那些已经掌握了基本语法结构，渴望理解现代计算系统如何在底层高效、稳定、安全地运行的工程师。我们关注的是“为什么”和“如何实现”，而非仅仅是“如何使用”。它是一张通往系统架构、高性能计算和复杂分布式难题的进阶路线图。
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