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出版者:Free Software Foundation

作者:Richard Stallman

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1996-12

價格:USD 20.00

裝幀:Paperback

isbn號碼:9781882114092

叢書系列:

圖書標籤:

• GDB
• 調試
• Debugging
• GNU
• Linux
• C++
• C
• 開發工具
• 程序員
• 軟件開發
• 開源軟件
• 技術書籍

《深入理解計算機係統：從硬件到軟件的全麵解析》 書籍簡介 在這部宏大而深入的著作中，我們將帶領讀者穿越現代計算機係統的復雜迷宮，從最底層的硬件架構到用戶可感知的應用軟件層麵，進行一次全麵而透徹的探索。本書旨在構建一座堅實的橋梁，連接理論知識與實際操作，讓讀者不僅“知道”計算機是如何工作的，更能“理解”其背後的設計哲學和運行機製。 第一部分：數字世界的基礎——硬件與數據錶示 本書的起點是數字世界的基石。我們將從最基本的邏輯門和布爾代數齣發，逐步構建起復雜的組閤邏輯和時序邏輯電路。深入剖析現代處理器（CPU）的核心架構，包括指令集架構（ISA）的設計原則，如RISC與CISC的權衡，以及流水綫技術（Pipelining）如何實現指令並行執行的性能飛躍。 數據錶示方麵，本書將詳盡闡述二進製、八進製和十六進製的轉換機製，並聚焦於浮點數的IEEE 754標準。我們不僅會展示如何存儲和計算實數，還會深入探討因精度限製可能導緻的陷阱和溢齣問題，這對於編寫高精度計算代碼至關重要。內存層次結構是性能的關鍵所在，我們將詳細分析寄存器、高速緩存（Cache）的工作原理，包括多級緩存的組織、替換策略（如LRU）以及緩存一緻性協議（Cache Coherence Protocols）在多核係統中的作用。理解緩存的組織方式，是優化任何程序性能的第一步。 第二部分：機器級代碼與程序執行 在理解瞭硬件基礎後，我們將進入程序執行的微觀世界。本部分重點剖析匯編語言——連接高級語言與機器指令的橋梁。我們將選擇主流的x86-64架構作為主要分析對象，講解寄存器的作用、指令格式、尋址模式，以及如何將C語言的結構體和數組映射到內存布局中。 棧（Stack）和堆（Heap）是動態內存管理的核心。本書將細緻入微地展示函數調用過程，包括棧幀的建立與銷毀、參數傳遞機製、返迴地址的保存，以及局部變量和臨時變量的存儲。同時，我們將深入探討動態內存分配器（如`malloc`和`free`）的內部工作機製，分析其如何處理內存碎片化問題，並對比不同分配算法的效率與局限性。理解這些底層機製，是編寫安全、高效且無內存泄漏程序的先決條件。 第三部分：操作係統——資源的管理者 操作係統（OS）是現代計算係統的核心管理層。本部分將係統性地介紹操作係統的主要功能和設計理念。 進程與綫程管理： 我們將探討進程與綫程的區彆、上下文切換的開銷，以及操作係統如何通過調度算法（如分時、優先級調度）來管理並發執行的任務，確保係統的公平性和響應性。 虛擬內存： 虛擬內存是現代操作係統最偉大的發明之一。本書將詳述分頁（Paging）和分段（Segmentation）機製如何為每個進程提供一個獨立的、連續的地址空間，並解釋TLB（Translation Lookaside Buffer）在加速地址翻譯中的關鍵作用。同時，我們會深入研究缺頁中斷（Page Fault）的處理流程，以及如何利用交換空間（Swap Space）來處理內存壓力。 I/O係統與文件係統： 輸入/輸齣操作的效率直接影響用戶體驗。我們將剖析中斷驅動I/O、DMA（直接內存訪問）的工作方式。文件係統方麵，我們將探究日誌文件係統（如ext4, NTFS）的結構、數據塊的分配策略，以及如何保證數據在係統崩潰後的持久性和一緻性。 第四部分：編譯、鏈接與加載 高級語言代碼如何轉化為可執行文件是一個復雜而精妙的過程。本部分將跟蹤源代碼的生命周期。 編譯器： 介紹預處理、詞法分析、語法分析、語義分析和代碼生成的完整流程。重點分析優化技術，例如循環展開、常量摺疊和死代碼消除，這些優化如何影響最終機器代碼的執行效率。 鏈接器與加載器： 靜態鏈接與動態鏈接的對比是本部分的重點。我們將詳細解析目標文件（Object Files）的格式（如ELF），重定位（Relocation）的過程，以及庫文件（靜態庫.a和動態庫.so/.dll）如何在運行時解析符號引用。理解動態鏈接的好處（共享庫、延遲加載）和潛在的依賴問題，是構建復雜軟件係統的基礎。 第五部分：網絡通信與分布式計算 在當今互聯的世界中，理解網絡協議棧至關重要。本書將係統地梳理TCP/IP協議簇。 網絡基礎： 從以太網幀到IP尋址，再到路由器的工作原理，我們為網絡通信打下堅實基礎。 傳輸層： 重點分析TCP的可靠性保證機製，包括三次握手、四次揮手、滑動窗口協議、擁塞控製算法（如慢啓動和擁塞避免），以及UDP的無連接特性。 應用層協議： 簡要介紹HTTP協議的請求/響應模型，以及如何利用這些底層機製構建高效的網絡應用。 第六部分：並發編程與係統安全 隨著多核處理器的普及，並發編程成為衡量軟件質量的重要標準。本部分將探討並發帶來的挑戰。 並發模型： 介紹多綫程編程中的共享數據訪問問題，深入分析互斥鎖（Mutex）、信號量（Semaphore）、條件變量等同步原語的正確使用方法，以及如何避免死鎖和活鎖。 係統安全基礎： 我們將探討緩衝區溢齣（Buffer Overflow）攻擊是如何利用棧或堆的結構弱點進行代碼注入的。同時，介紹防禦性編程實踐，如輸入驗證、棧保護（Stack Canaries）以及地址空間布局隨機化（ASLR）等操作係統層麵的安全機製，以期構建更健壯的係統。 總結 《深入理解計算機係統：從硬件到軟件的全麵解析》不僅是一本教科書，更是一張通往計算機科學核心知識體係的地圖。它要求讀者具備一定的編程基礎，但承諾將迴報以對計算過程的深刻洞察力。掌握這些知識，將使讀者有能力調試性能瓶頸、診斷復雜的係統級錯誤，並設計齣高效、可靠且安全的下一代軟件係統。本書旨在培養能夠站在係統視角思考問題的工程師和研究人員。

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說實話，這本書的開篇節奏稍顯緩慢，可能對於那些急於上手、隻想復製粘貼命令的“速食型”讀者來說，會有些不耐煩。但請相信我，這種“慢”，恰恰是它最精妙之處。作者並沒有急著把你拽入那些眼花繚亂的命令行世界，而是先為你打下堅實的理論地基，讓你明白每一個調試動作背後的原理。例如，書中對信號處理機製的詳盡剖析，我過去在其他資料中看到的都是一筆帶過，而這裏卻用瞭整整一個單元進行深度挖掘，從信號的産生、傳遞到最終的處理流程，絲絲入扣。讀完之後，我再去看係統日誌，那些原本模糊不清的異常提示，現在都變得邏輯分明，仿佛被作者的魔杖點亮瞭一般。它教會瞭我如何預判潛在的崩潰點，而不是等到程序“咣當”一聲倒地後再去收拾殘局。這本書的價值在於其體係的完整性，它構建瞭一個完整的調試知識框架，讓你在麵對任何復雜場景時，都能找到立足點。

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我購買這本書的初衷，其實是想解決一個睏擾我三個月的多綫程死鎖問題。市麵上關於並發編程的書很多，但專門針對並發調試的深度資料卻鳳毛麟角。這本書的“並發調試”章節，簡直就是為我量身定做的救命稻草。作者用非常生動的語言描述瞭競態條件（Race Condition）的隱蔽性和危害性，並通過一係列精心設計的代碼片段，演示瞭如何利用高級斷點和條件觸發機製，精準定位那些“幽靈般的”時間依賴錯誤。最讓我震撼的是，書中介紹的那些非侵入式調試技巧，比如如何遠程附加到正在運行的生産環境進程上進行分析而又不影響服務可用性，這些都是教科書上看不到的實戰絕學。讀這本書，我感覺自己正在跟隨一位身經百戰的老兵，他不僅僅是展示瞭工具的使用，更是在傳授如何在壓力之下保持冷靜和清晰的頭腦，這對於任何涉及高性能或高可靠性係統的開發者來說，都是無價的財富。

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從一個純粹的工具手冊的角度來看，這本書的覆蓋麵廣度令人咋舌。它似乎不僅僅局限於某個特定平颱或特定語言的調試，而是深入挖掘瞭底層工具鏈的工作原理，使得所學知識具有極強的遷移性。我過去在Linux環境下使用得心應手的調試技巧，讀完這本書後，我發現自己能更高效地將其應用於跨平颱開發中，因為我已經理解瞭背後核心的操作係統交互機製。書中對調試器內部工作原理的剖析，比如如何與內核進行交互以設置硬件斷點，這些內容讓我對整個軟件工程的深度有瞭全新的認識。這本書不是那種讀完一遍就能束之高閣的參考書，更像是一本需要反復翻閱、隨時在項目瓶頸期拿齣來“對癥下藥”的寶典。它的價值，在於它能讓你在麵對那些“無法重現”的、隨機發生的崩潰時，不再感到無助和恐慌，而是胸有成竹地開始係統性的排查。

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這本書，光是拿到手裏，那種厚重感就讓人肅然起敬，封麵設計得極其專業，沒有花裏鬍哨的裝飾，直奔主題——效率和深度。我花瞭整整一周的時間，纔把前幾章啃完，每一次深入，都感覺像是走進瞭一個錯綜復雜的迷宮，但作者的引導又異常清晰，仿佛手裏握著一張精確的地圖。尤其是關於內存泄漏的章節，那些晦澀難懂的指針操作和地址解析，居然被闡述得如同散文一般流暢易懂。我過去一直對某些底層調試機製感到頭疼，總覺得隔著一層厚厚的玻璃看不真切，而這本書像是為我架起瞭一座透明的橋梁，讓我能夠直接“觸摸”到程序運行的脈絡。它不僅僅是羅列命令，更像是在傳授一種“調試哲學”，教你如何像偵探一樣去觀察、去假設、去驗證。書中穿插的那些實際案例，無一不貼近真實世界的開發痛點，讀起來讓人拍案叫絕，感嘆作者的經驗之豐富。如果你真的想告彆那種“猜謎式”的調試，這本書絕對是你的終極武器，它提升的不是你解決問題的速度，而是你理解問題本質的能力。

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這本書的排版和索引設計，體現瞭齣版方對讀者的尊重。雖然內容極其硬核，但整體閱讀體驗卻齣奇地流暢。我特彆喜歡它在關鍵概念後設置的“深入思考”欄目，這些小小的提示往往能引導你從完全不同的角度去審視問題。比如，在講解棧迴溯（Stack Trace）的解析時，作者不僅關注瞭函數調用順序，還擴展到瞭寄存器狀態的分析，這對於理解編譯器優化對調試過程的影響至關重要。我過去一直認為，隻要能看到函數名和行號就足夠瞭，但這本書讓我明白，真正的專傢會去探究寄存器裏到底存瞭什麼“秘密”。而且，書中的示例代碼都是精簡且高度可復現的，我每讀到一個新的技巧，都會立刻在自己的開發環境中進行嘗試和修改，這種即時反饋機製極大地鞏固瞭學習效果。可以說，它將晦澀的技術文檔轉化成瞭一份可執行的行動指南。

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