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出版者:中国电力

作者:詹仕华

出品人:

页数:151

译者:

出版时间:2008-2

价格:16.00元

装帧:

isbn号码:9787508365787

丛书系列:

图书标签:

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现代系统编程与底层优化实践指南 本书旨在为渴望深入理解计算机底层运作机制、精通系统级编程与性能优化的工程师和高级学生提供一本全面、实用的技术参考与实践手册。 本书聚焦于现代操作系统（如Linux和Windows的内核交互机制）、高性能计算（HPC）的基础理论，以及如何利用现代处理器架构的特性来编写高效、可靠的代码。我们将避开传统汇编语言的纯粹语法教学，转而强调在高级语言（如C/C++）的框架下，如何通过理解和利用底层原理来解决实际工程问题。 全书内容围绕三大核心支柱展开：系统调用与内核交互、内存与缓存优化、以及并行化与并发控制。 第一部分：深入操作系统内核与系统编程接口 (System Interface Deep Dive) 本部分是理解现代软件运行环境的基石。我们不会停留在操作系统的“是什么”层面，而是深入探讨“如何与之高效交互”。 第1章：进程、线程与上下文切换的性能剖析 我们将详细解析操作系统如何管理进程和线程。这包括但不限于： 进程调度算法的内部工作原理：不仅仅是介绍FIFO或Round Robin，而是分析实时调度（如CFS的红黑树实现）对应用程序响应时间的影响。 上下文切换的开销分析：深入硬件层面，探讨寄存器保存、TLB（转换后援缓冲区）失效以及缓存污染带来的性能瓶颈。如何通过优化线程模型（如线程池设计、避免过度同步）来最小化这些开销。 用户态与内核态的边界：系统调用的执行流程、系统调用封装库（如glibc的实现细节）以及“零拷贝”技术在文件I/O中的应用原理。重点讲解如何设计程序以减少不必要的系统调用。 第2章：文件系统与存储I/O的性能调优 现代应用的数据吞吐量往往受限于I/O。本章着重于超越标准`read`/`write`的范畴： 块设备驱动层面的理解：分析I/O调度器（如Deadline、BFQ）对延迟敏感型应用的影响。 异步I/O (AIO) 与事件驱动模型：深入讲解Linux的`io_uring`（作为`epoll`和传统AIO的继任者）的架构、提交环与完成环的工作机制，以及如何利用其低延迟特性构建高性能网络服务。 直接I/O (O_DIRECT)：探讨其在数据库和HPC应用中绕过页缓存（Page Cache）的必要性，以及如何处理数据对齐和缓存一致性问题。 第二部分：处理器架构与内存层级优化 (Processor Architecture and Memory Hierarchy Optimization) 理解现代CPU流水线和内存层次结构是实现“裸金属”性能的关键。本书将侧重于如何将软件设计与硬件特性精确匹配。 第3章：现代CPU流水线与指令集并行 (Instruction Level Parallelism - ILP) 本章将处理器微架构作为性能优化的核心对象： 流水线深度与分支预测：分析乱序执行（Out-of-Order Execution）的原理，以及条件分支和间接跳转对指令流的影响。如何通过代码重构（如使用查找表、避免深层嵌套的条件语句）来提高分支预测的准确率。 SIMD指令集应用（SSE/AVX/Neon）：侧重于C/C++中的矢量化（Vectorization）。我们将讲解编译器如何自动进行矢量化，以及何时需要使用内联汇编（Inline Assembly）或特定的内在函数（Intrinsics）来实现手动矢量化。我们将通过实际的矩阵运算和信号处理案例，展示如何有效利用寄存器宽度。 指令延迟与吞吐量：分析不同微架构（如Intel Skylake vs AMD Zen）上特定指令（如浮点乘法、整数除法）的执行延迟，指导开发者选择最优的算法实现。 第4章：内存访问优化与缓存一致性 缓存是性能的生命线。本书提供比教科书更深入的缓存管理实践： 缓存层级（L1d/L1i/L2/L3）的容量与延迟特性：结合具体的CPU规格，量化访问不同层级缓存的成本。 数据布局与伪共享 (False Sharing)：详细阐述伪共享的危害，提供结构体对齐、填充（Padding）的最佳实践，以及在并发数据结构中避免跨缓存行的访问冲突的技术。 内存访问模式优化：针对顺序访问、跳跃访问（Strided Access）和随机访问，讲解如何通过预取（Prefetching）指令或数据结构重排（如Morton Order）来最大化缓存命中率。 内存分配器的内部机制：分析`malloc`/`free`（如ptmalloc, jemalloc, tcmalloc）的工作原理，指导读者选择或定制高性能的内存池，以应对碎片化和高并发分配/释放的挑战。 第三部分：并发、同步与性能度量 (Concurrency, Synchronization, and Profiling) 编写并行代码容易，编写正确且高效的并行代码极难。本部分聚焦于构建健壮的高性能并发系统。 第5章：无锁（Lock-Free）与低延迟同步原语 锁是性能的瓶颈，本章将介绍现代并发编程的高级技术： 原子操作与内存屏障（Memory Barriers/Fences）：深入讲解`std::atomic`（C++）或C11/C++20原子操作背后的硬件指令（如`LOCK`前缀、`MFENCE`）。分析不同内存模型（Sequential Consistency, Acquire/Release）的性能权衡。 实现无锁数据结构：讲解如何使用CAS（Compare-And-Swap）等原子指令来构建无锁队列、栈和里程表（Rendezvous）机制。重点分析ABA问题及其解决方案。 并发数据结构的性能对比：对基于互斥锁（Mutex）、读写锁（RWLock）和无锁设计的数据结构进行实际吞吐量和延迟测试，提供明确的适用场景指导。 第6章：性能度量、分析与调试工具链 “度量比猜测更重要”。本章教授如何科学地发现和验证性能瓶颈： 火焰图（Flame Graphs）与Call Graphs：如何使用`perf` (Linux) 或 VTune/PIX 等工具对程序进行采样和分析，解读CPU忙碌点、缓存未命中和分支预测失败的分布。 硬件性能计数器（HPCs）的应用：解释如何通过读取特定的CPU寄存器（如LLC Misses, Instructions Retired）来量化硬件层面的瓶颈，而非仅仅依赖CPU时间。 延迟分析技术：介绍直方图（Histograms）和百分位数（Percentiles，如p99, p99.9）在评估尾部延迟（Tail Latency）中的重要性，以及如何设计测试用例来重现最坏情况。 调试并发错误：使用Thread Sanitizer (TSan) 和 Address Sanitizer (ASan) 等工具链，高效定位数据竞争和内存越界问题，确保代码的正确性。 本书的特色在于其极强的实践导向性。每一个理论概念都伴随着具体的代码示例、性能基准测试结果和实际的调优案例。目标是让读者不仅理解“为什么”这样工作，更重要的是掌握“如何”在实际项目中实现极致的性能。

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