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出版者:Prentice Hall

作者:Y. Daniel Liang

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2007-7-19

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9781405887083

丛书系列:

图书标签:

• Java
• 编程入门
• 面向对象
• 数据结构
• 算法
• 计算机科学
• 编程语言
• 软件开发
• 初学者
• 教程

《深入理解计算机系统：从硬件到软件的统一视角》 图书简介 作者： [此处可以虚构一位资深计算机科学家的名字，例如：亚历山大·科恩] 出版社： [此处可以虚构一家权威学术出版社的名称，例如：普林斯顿大学出版社] ISBN： [此处可以虚构一个ISBN号，例如：978-0-691-21876-5] --- 内容概述 《深入理解计算机系统：从硬件到软件的统一视角》（以下简称《深入理解》）是一部旨在为读者，无论是初入计算机科学领域的学生，还是寻求拓宽知识边界的资深工程师，提供全面而深刻洞察现代计算机系统工作原理的权威著作。本书摒弃了将硬件、操作系统、网络、编译和应用程序割裂开来的传统教学模式，而是采用一种统一的、自底向上深入，又自顶向下贯穿的视角，揭示了驱动我们数字世界的底层机制。 本书的核心理念在于：理解应用程序的性能、正确性和局限性，必须建立在对底层硬件和系统软件交互的深刻认识之上。 全书结构精妙，共分为九个主要部分，每一部分都承接前文，层层递进，构建起一个完整的计算机系统知识图谱。 第一部分：信息的表示与处理（The Foundations of Information） 本部分首先奠定了数字计算的基石。它不仅仅是简单地复述二进制和补码，而是深入探讨了数据在不同抽象层次上的表示方式及其对计算效率的影响。 数字表示的陷阱与精度： 详细分析了浮点数的IEEE 754标准，重点讲解了舍入误差、非规范化数和NaN（非数字）的实际影响，尤其是在科学计算和图形渲染中的应用与规避方法。 字节顺序与内存对齐： 探讨了大小端模式（Endianness）的硬件起源及其对网络通信和跨平台兼容性的挑战。深入剖析了结构体（Struct）的内存对齐规则，解释了为何不恰当的字段排序会导致性能急剧下降，并提供了编译器优化层面的解释。 逻辑与位运算的艺术： 超越基本的布尔代数，本章探讨了位域（Bit Fields）在嵌入式系统和数据压缩中的高效运用，以及利用位操作实现快速乘法、除法和取反的经典技巧。 第二部分：程序的结构与组合（Program Structure and Linking） 此部分将读者的视角提升到汇编语言和链接器的层面，解析了高级语言代码是如何被转化为可在处理器上执行的机器码的。 机器级代码表示： 以一个主流的指令集架构（如x86-64或ARM）为例，详细介绍了指令格式、操作数寻址模式。重点分析了条件码寄存器（Condition Codes）和标志位（Flags）在控制流中的作用。 过程间数据流与控制流： 对函数调用机制进行了彻底解构。深入讲解了栈帧（Stack Frame）的建立与销毁、参数传递约定（Calling Conventions），以及递归调用在栈上的具体表现。 目标文件与链接： 详尽描述了ELF（Executable and Linkable Format）或Mach-O等目标文件格式的结构，包括代码段（.text）、数据段（.data, .bss）和符号表。特别强调了静态链接和动态链接（共享库、加载器）的工作机制，以及地址重定位（Relocation）的实现过程，解释了“链接时错误”的本质。 第三部分：处理器架构与性能优化（Processor Architecture and Performance） 本部分是全书技术深度最集中的部分之一，它探讨了现代CPU如何通过复杂的硬件技术来加速程序执行，并指导读者如何编写“处理器友好型”的代码。 数据通路与指令级并行： 详细描述了单周期、多周期和流水线CPU的设计演进。重点剖析了数据冒险、控制冒险以及它们如何通过分支预测和乱序执行（Out-of-Order Execution）等硬件技术来缓解。 内存访问的层次结构： 深入研究了高速缓存（Cache）的工作原理。剖析了直接映射、组相联和全相联缓存的组织方式，以及写分配、写回和写穿透等写入策略。通过具体的性能实验，量化了缓存未命中（Misses）的代价。 向量化与SIMD： 讲解了现代CPU如何利用单指令多数据（SIMD）扩展（如SSE/AVX）来同时处理多个数据元素，并提供了C/C++代码中利用编译器自动向量化或手动intrinsics来提升计算密集型任务性能的实践案例。 第四部分：存储器体系结构：从寄存器到主存（Memory Hierarchy） 本章将焦点集中在存储器系统，揭示了为什么程序中的“局部性”原则对性能至关重要。 局部性原理的量化： 区分了时间局部性和空间局部性，并通过矩阵转置、矩阵乘法等经典案例，演示了如何通过优化循环的数据访问模式来将缓存命中率从极低提升到接近100%。 虚拟内存的抽象： 详细解释了虚拟内存如何为每个进程提供一个私有的、连续的地址空间。阐述了页表（Page Tables）的结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用，以及操作系统如何利用缺页中断（Page Fault）机制实现内存的动态管理和进程隔离。 持久化存储： 概述了固态硬盘（SSD）的底层结构（闪存原理、磨损均衡），并与传统机械硬盘（HDD）的寻道延迟进行了对比，解释了I/O操作性能瓶颈的根本差异。 第五部分：操作系统作为资源管理者（The Operating System as Resource Manager） 本书将操作系统视为一个复杂的软件抽象层，专注于它如何管理硬件资源以支持并发执行。 进程与线程模型： 明确区分了进程（Process）和线程（Thread）的概念差异，及其在内核中的表示（PCB/TCB）。分析了用户级线程与内核级线程的调度机制。 并发控制与同步： 深入探讨了竞态条件（Race Conditions）的危害。详细介绍了使用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）和条件变量（Condition Variables）来保护共享资源的关键技术，并强调了死锁（Deadlock）的预防、检测和恢复策略。 调度算法的权衡： 对先到先服务（FCFS）、最短剩余时间优先（SRTF）、时间片轮转（Round Robin）等调度策略进行了性能分析，重点讨论了它们在吞吐量、延迟和公平性之间的权衡。 第六部分：虚拟化与容器化（Virtualization and Containerization） 随着云计算的兴起，理解如何安全有效地隔离和运行多个系统变得至关重要。 全虚拟化与硬件辅助： 解释了全虚拟化（Full Virtualization）如何通过硬件支持（如Intel VT-x/AMD-V）来捕获敏感指令，实现对客户操作系统的透明运行。 半虚拟化与操作系统修改： 对比了半虚拟化（Para-virtualization）的实现方式及其对客户机性能的影响。 容器技术（如Docker/LXC）： 详细分析了命名空间（Namespaces）和控制组（cgroups）技术如何实现轻量级的进程隔离和资源限制，解释了容器与传统虚拟机的根本区别。 第七部分：网络编程与协议栈（Networking and the Protocol Stack） 本部分将视野扩展到跨机器的通信，剖析了TCP/IP协议栈的实现细节。 Socket 编程模型： 从应用程序角度出发，详细讲解了基于套接字（Sockets）的客户端-服务器编程范式，包括`socket()`、`bind()`、`listen()`、`accept()`和`connect()`等关键系统调用的流程。 传输层协议的深入解析： 聚焦于TCP的可靠性机制。深入分析了三次握手、四次挥手的细节，拥塞控制算法（如Tahoe/Reno）的工作原理，以及滑动窗口协议如何保证数据不丢失、不重复。 HTTP的演进： 不仅停留在请求/响应模式，还分析了HTTP/1.1的持久连接、管线化（Pipelining）及其局限性，并展望了HTTP/2和HTTP/3（QUIC）在减少延迟和提升并发性方面的设计创新。 第八部分：并发编程的挑战与实践（Advanced Concurrency） 本章回到程序内部，探讨了在多核处理器上编写高效、无锁（Lock-Free）代码的复杂性。 原子操作与内存模型： 详细介绍了C++11/Java并发包中提供的原子变量（Atomic Variables）。重点讲解了C++内存模型，解析了`std::memory_order`（顺序一致性、释放/获取语义）如何与底层硬件的缓存一致性协议（如MESI协议）交互。 无锁数据结构设计： 介绍了如何使用CAS（Compare-and-Swap）等原子指令来构建高效的无锁栈、无锁队列，并分析了ABA问题及其解决方案。 并发的性能陷阱： 分析了伪共享（False Sharing）对多线程程序性能的隐蔽影响，并指导读者如何通过填充（Padding）技术来规避这一问题。 第九部分：编译与优化基础（Compiler and Optimization Fundamentals） 最后一部分将视角导向编译器前端，解释了代码优化是如何在编译阶段被应用的。 中间表示（IR）： 概述了LLVM IR等现代编译器中间表示的结构，解释了它如何在不同的优化阶段提供统一的接口。 经典优化技术： 剖析了常量折叠、死代码消除、循环展开（Loop Unrolling）以及函数内联（Inlining）等技术如何在IR级别被识别和执行，以及这些优化如何直接影响到处理器流水线的效率。 --- 本书特色 《深入理解计算机系统》的独特价值在于其统一的系统思维模型。本书通过大量的真实代码示例、汇编级追踪、性能测量工具（如Valgrind, perf）的实际输出，以及贯穿全书的“为什么会这样？”的追问，引导读者建立起从高级语言函数调用到晶体管开关之间清晰的、可验证的逻辑链条。它不仅仅是知识的罗列，更是思维方式的培养，确保读者在面对任何新的硬件架构或软件框架时，都能迅速定位问题的系统根源。 本书是追求极致软件性能、系统级调试能力和对计算机科学有深刻热忱的开发者的必备参考手册。

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我对编程的热情主要源于对构建复杂系统的兴趣，因此，我一直寻找一本能够平衡理论深度和实际操作性的读物。这本书在面向对象编程（OOP）的讲解上，可以说是达到了一个令人信服的平衡点。它没有陷入过度复杂的UML图解，而是通过一个贯穿始终的、不断迭代的例子——比如设计一个小型库存管理系统——来循序渐进地展示封装、继承和多态的实际威力。特别是多态的讲解，作者通过不同形状（圆形、方形）如何响应同一个“绘制”命令，生动地展示了其强大之处，这比单纯的代码示例更有助于理解其设计哲学。让我印象深刻的是，书中对Java集合框架（Collections Framework）的介绍部分，它不仅罗列了List、Set、Map的区别，更关键的是，它解释了在何种性能需求下应该选择ArrayList而不是LinkedList，或者何时使用HashMap而非TreeMap。这种“根据场景选择数据结构”的指导，是教科书上常常缺失的、但对于职业开发至关重要的能力。这本书的实用价值，远超出了它作为一本“入门”读物的预期定位。

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这本书简直是为我这种对编程世界充满好奇、但又有点不知所措的新手量身定做的指南。从最基础的变量、数据类型开始，作者就展现出了非凡的耐心和清晰的逻辑。我尤其欣赏它在讲解概念时采用的类比方式，那些复杂的编程术语一下子就变得生动起来，不再是冷冰冰的代码符号。比如，它用搭建乐高积木来比喻面向对象编程中的类和对象，让我瞬间抓住了核心思想。后续章节对控制流的阐述也极其到位，那些循环和条件语句的嵌套，在作者的细致拆解下，不再是令人望而生畏的“意大利面条式代码”，而是清晰可循的逻辑路径。更不用说，每当引入一个新的知识点，紧随其后的就是一系列精心设计的、由浅入深的练习题，这些练习迫使你必须动手实践，而不是停留在理论层面空想。这本书的排版也让人感觉非常舒服，代码示例的着色清晰，易于阅读，这在长时间的编程学习中，能有效减轻视觉疲劳，让人更专注于代码本身的逻辑。它没有试图一步到位把我变成高手，而是脚踏实地地为我铺设了一条坚实的编程基础之路，每走一步都让我感到自信和充实。

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坦率地说，市面上关于Java的书籍多如牛毛，很多都是陈词滥调，或者版本滞后。但这本让我眼前一亮，它似乎捕捉到了现代Java编程的核心脉搏，尽管它可能侧重于基础，但其选择的示例和讨论的主题，明显具有前瞻性。它对字符串处理的讲解，就非常贴合实际开发中对性能优化的关注，清晰地对比了使用`+`操作符与`StringBuilder`/`StringBuffer`的效率差异，这在处理大量文本操作的场景中是极其重要的知识点。我发现，这本书的作者在内容组织上采用了“先实现功能，后优化结构”的策略，这非常符合软件开发的真实迭代过程。一开始，我们先让代码能跑起来（实现基础功能），然后才是思考如何让它更优雅、更高效（面向对象和结构优化）。这种步步深入的教学节奏，极大地增强了读者的成就感，避免了在一开始就被过于复杂的理论压垮。总而言之，它不仅教会了我如何使用Java语法，更重要的是，它植入了一种结构化、注重效率的编程思维。

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我是一个有着多年其他语言编程经验的开发者，这次尝试转向Java，原本担心会因为思维定势而感到晦涩难懂。然而，这本书在处理从其他语言过渡到Java的这个环节上，处理得相当高明。它没有过度纠缠于初学者才会遇到的基本概念，而是迅速将重点放在了Java特有的范式和强大的标准库上。特别是关于内存管理和垃圾回收机制的那几章，作者没有用过于学术化的语言堆砌，而是用实际的例子展示了JVM是如何工作的，这对于我这种关注性能和底层实现的程序员来说，简直是醍醐灌顶。书中对接口（Interface）和抽象类（Abstract Class）的深入剖析，以及对设计模式初步概念的引入，都恰到好处地提升了代码的抽象层次。我惊喜地发现，它对并发编程的介绍也相当扎实，虽然只是入门级别，但其对`synchronized`关键字和`volatile`的解释，精准地指出了多线程编程中常见的陷阱。这本书成功地在保持其作为“入门”读物定位的同时，也为有经验的开发者提供了有价值的、关于Java生态系统的深刻洞察，成功地让我以一个更“Javaic”的视角重新审视编程。

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对于自学者来说，最怕的就是遇到那种“只说是什么，不说为什么”的书籍，让人学了等于没学。这本书完全避开了这个雷区。它不仅仅是技术手册的堆砌，更像是一位经验丰富的导师在耳边细语。我非常欣赏作者在讲解异常处理机制时所展现的哲学思考——为什么我们需要try-catch？良好的错误处理如何影响程序的健壮性？这种追根溯源的讲解方式，让我不仅仅是学会了如何捕获异常，而是真正理解了在软件设计中，优雅地处理失败的重要性。此外，书中对文件I/O操作的讲解细致入微，从基本的字节流到字符流的转换，每一步的底层原理都被描绘得清清楚楚，这极大地帮助我理解数据是如何在内存和磁盘之间流动的。更值得称赞的是，它对工具链的使用也进行了讲解，如何使用IDE进行调试、如何编译运行，这些实际操作层面的指导，极大地缩短了理论知识到实际应用之间的鸿沟。读完后，我感觉自己不再是简单地敲击键盘，而是开始真正地“构建”软件系统了。

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