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《深入理解计算机系统：从硬件到软件的全面解析》 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且系统化的计算机系统知识体系，内容涵盖从最底层的硬件架构到上层软件实现的各个层面。我们致力于构建一座坚实的桥梁，连接理论概念与实际应用，帮助读者深刻理解现代计算机系统是如何协同工作的，以及如何有效地利用和优化这些系统。 第一部分：数字逻辑与硬件基础 本部分聚焦于计算机最基础的构建单元和工作原理。我们从信息表示入手，详细阐述了二进制、补码、浮点数等核心概念的数学基础和计算机中的具体实现。随后，深入探讨组合逻辑电路与时序逻辑电路的设计与分析，包括逻辑门、加法器、多路复用器、触发器和寄存器等基本组件。 核心章节将对CPU的微架构进行细致剖析。我们将解析指令集架构（ISA），重点介绍RISC-V或x86-64（根据具体版本选择侧重方向）的指令集、数据通路和控制单元的设计。通过对流水线技术的深入讲解，包括气泡的产生与消除、分支预测机制（如BTB和Gshare算法）的原理和实践，读者将清晰地了解如何提升指令吞吐量。此外，本部分还会涉及存储器的层级结构，从SRAM到DRAM的工作原理，为后续的内存系统章节打下坚实的基础。 第二部分：操作系统核心原理与实践 计算机系统的高效运行离不开操作系统的管理。本部分将系统地介绍操作系统的职能、结构以及关键机制。 首先，我们探讨进程与线程管理。详细解析进程的生命周期、上下文切换的开销，以及并发编程中的同步与互斥问题。我们将深入讲解信号量、管程、互斥锁和条件变量等同步原语的实现细节，并通过实际案例展示死锁的检测、预防和避免策略（如银行家算法）。 在内存管理方面，本书超越了简单的虚拟内存概念。我们将详述分页机制的硬件支持（如TLB的工作原理），分段与分页的结合，以及缺页中断的处理流程。重点关注页面置换算法（FIFO、LRU及其近似算法）的性能评估，并介绍现代操作系统中常见的内存分配器（如`malloc`/`free`的内部实现，如Doug Lea的分配器或jemalloc/tcmalloc的结构思想）。 I/O系统的复杂性是本部分的重要课题。我们将分析中断驱动I/O、轮询和DMA（直接内存访问）的工作流程，解释I/O硬件如何与操作系统内核交互。对于文件系统，本书会剖析其在磁盘上的物理布局（如超级块、i节点、数据块），并讨论日志结构文件系统（Journaling File System）如何保证数据一致性。 第三部分：程序的编译、链接与加载 理解程序如何从源代码转变为在硬件上执行的机器码，是系统编程的关键。本部分细致描绘了编译器的整个流程：词法分析、语法分析（LL, LR文法）、语义分析和代码生成与优化。我们将重点讨论中间表示（IR）的使用以及常见的优化技术，如常量折叠、死代码消除和循环展开。 随后，我们转向汇编语言。通过对目标机器（如x86-64）的汇编指令集进行学习，读者将能够直接阅读和理解编译后的代码。核心内容包括函数调用约定（如System V ABI）、栈帧的建立与使用、以及系统调用的机制。 链接与加载的艺术将作为本部分的高潮。我们将区分静态链接和动态链接的差异，深入解析目标文件格式（如ELF或PE格式），包括代码段、数据段、符号表和重定位表的作用。动态链接器（Loader）的工作，特别是GOT/PLT的机制，将是理解共享库（.so文件）加载和地址解析的关键。 第四部分：高性能计算与系统优化 本部分将知识提升到系统性能优化的层面，强调理解硬件特性以编写高效代码。 内存访问性能是优化的重中之重。本书详细分析了缓存存储器的工作原理，包括写策略（Write-through vs. Write-back）、缓存一致性协议（如MESI），以及局部性原理（时间局部性和空间局部性）在实践中的体现。我们将指导读者如何通过数据结构设计和访问模式优化，最大化缓存命中率。 并行与并发是现代计算不可或缺的一部分。本书不仅涵盖了传统的多线程/多进程编程，更深入探讨了多核架构下的挑战，如缓存伪共享（False Sharing）问题及其规避方法。我们将介绍原子操作和内存屏障（Memory Barriers/Fences）的使用，解释它们在保证多处理器环境下数据可见性和顺序性保证中的核心作用。 最后，本书将探讨网络编程基础。从网络协议栈（TCP/IP模型）的抽象层次出发，重点解析TCP协议的可靠性机制（如滑动窗口、流量控制与拥塞控制）以及套接字（Socket）的编程接口。通过对这些底层机制的理解，读者将能更好地设计和调试分布式应用。 目标读者 本书适合于计算机科学与技术、软件工程、信息安全等专业的高年级本科生和研究生，以及希望系统性地巩固和深化计算机系统知识的软件开发工程师和系统架构师。通过本书的学习，读者将具备分析、调试和优化复杂软件系统的核心能力。
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