Elements of Compiler Design

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出版者:
作者:Meduna, Alexnader
出品人:
页数:286
译者:
出版时间:
价格:764.00 元
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isbn号码:9781420063233
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机科学
  • 计算机
  • 编译
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  • 语义分析
  • 代码生成
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具体描述

深度解析与实践:现代软件构造的基石——系统级编程与高级算法实现 图书简介 本书旨在为追求卓越工程实践和底层系统理解的读者提供一本深度、广博且极具前瞻性的指南。我们聚焦于构建高效、可靠且可维护的复杂软件系统的核心技术栈,而非特定领域的编译原理。本书将系统地剖析现代计算架构的深层机制、先进算法的设计范式以及如何将这些理论转化为高性能、可扩展的实际代码。 全书内容被精心划分为四个相互关联的宏大模块:底层计算架构解析、高性能算法的数学基础与实现、内存与并发管理的艺术,以及面向未来的分布式系统构建。我们相信,理解这些基础,是任何顶尖软件工程师能够驾驭复杂性的前提。 --- 第一部分:底层计算架构解析——超越抽象层 本部分将带领读者深入操作系统的核心,理解硬件与软件交互的实际机制。我们抛弃对虚拟机的表面讨论,直接面对实时操作系统的调度、中断处理以及内核态与用户态的边界。 第一章:现代CPU流水线与指令集架构(ISA)的细微之处 本章将详细探讨现代乱序执行(OoOE)处理器的内部结构,包括前端获取、指令解码、重命名、调度队列和重排序缓冲(ROB)。我们将分析分支预测单元(BTB、PHT)的复杂性,并探讨如何通过编写“友好”于硬件的代码来最大化指令级并行性(ILP)。读者将学习如何利用性能计数器(如PMC)来诊断代码中的实际瓶颈——是L1/L2缓存未命中,还是指令停顿。 第二章:内存层次结构与缓存一致性协议 理解内存访问延迟是性能优化的关键。本章将深入探讨多级缓存(L1、L2、L3)的组织方式(组相联、写回/写穿)、缓存行填充机制,以及对程序局部性的利用。更进一步,我们将详细解析多核系统中的缓存一致性协议,如MESI、MOESI及其变种。我们将展示虚假共享(False Sharing)如何成为并发程序中的隐形杀手,并提供规避策略,例如数据结构的分离与填充字节(Padding)。 第三章:虚拟内存、TLB与I/O机制 本章深入探讨虚拟地址到物理地址的转换过程,重点剖析了转换后援缓冲器(TLB)的工作原理及其对性能的影响。我们将解析缺页中断(Page Fault)的处理流程,并讨论映射与非映射内存区域的区别。此外,我们将覆盖现代I/O模型,包括中断驱动I/O、DMA(直接内存访问)以及基于事件的I/O复用技术(如epoll/io_uring)的底层实现逻辑。 --- 第二部分:高性能算法的数学基础与实现 本部分侧重于如何将高效的数学模型转化为优化的代码,强调算法选择背后的复杂度和时间/空间权衡。 第四章:数值计算的稳定性与精度控制 本章关注浮点运算的内在不确定性。我们将探讨IEEE 754标准,理解单精度与双精度的差异,并深入讨论误差传播、舍入误差的累积效应。重点在于如何设计对数值摄动鲁棒的算法,例如,如何使用Kahan求和算法来最小化累加误差,以及在迭代求解器中选择合适的收敛标准。 第五章:图算法的现代优化与稀疏矩阵处理 针对大规模数据集,传统的图遍历算法需要重新审视。本章将专注于稀疏图的表示法(CSR、COO、LIL),并讨论如何利用这些结构进行高效的矩阵向量乘法(SpMV)。我们将分析PageRank、最短路径算法(Dijkstra/SPFA)在高度并行化环境下的优化策略,包括如何利用SIMD指令集加速邻接列表的扫描操作。 第六章:快速傅里叶变换(FFT)与卷积的并行实现 FFT是信号处理和许多现代计算任务(如快速多项式乘法)的核心。本章将详细推导Cooley-Tukey算法,并侧重于其实际的并行化挑战。我们将展示如何使用Divide-and-Conquer策略,结合OpenMP或CUDA,实现不同数据布局下的高效FFT,并讨论周期性边界条件的影响。 --- 第三部分:内存与并发管理的艺术 本部分是构建健壮、高并发系统的核心。我们关注如何安全、高效地管理共享状态和系统资源。 第七章:现代操作系统中的内存分配器剖析 我们将超越标准库中的`malloc`/`free`,深入分析高性能内存分配器的内部机制,例如jemalloc、tcmalloc的工作原理。重点分析它们如何处理多线程隔离(Thread Caching)、小块分配的开销,以及如何通过伙伴系统(Buddy System)或slab分配来减少外部/内部碎片。读者将学会何时以及如何设计自定义的内存池。 第八章:细粒度并发控制与无锁数据结构 本章聚焦于在高竞争环境下实现高性能同步。我们将深入探讨原子操作(CAS、Fetch-and-Add)的底层硬件支持。核心内容是设计和实现复杂的无锁或等待无关(Wait-Free)数据结构,如无锁队列(Ring Buffer)和基于ABA问题的解决方案。我们将详细对比使用互斥锁、读写锁与原子操作在实际场景中的性能权衡。 第九章:内存屏障与指令重排的精确控制 本章是理解并发安全性的最后一块拼图。我们将揭示编译器和CPU如何为了性能而重新排序指令。我们将详细介绍各种内存屏障(Load Barrier, Store Barrier, Full Barrier)的语义,并展示在C++内存模型(C++11/17)中,如何使用`std::atomic`的内存顺序(Sequential Consistency, Acquire/Release)来保证跨核操作的正确可见性,避免不必要的性能惩罚。 --- 第四部分:面向未来的分布式系统构建 本部分将视角扩展到多机环境,探讨如何构建大规模、容错的服务。 第十章:一致性模型与共识算法 分布式系统的核心挑战在于状态同步。本章将细致对比因果一致性、顺序一致性与最终一致性。我们将深入解析Paxos和Raft算法的内部状态机复制、日志截断与领导者选举机制,重点分析它们在网络分区和节点故障下的鲁棒性保证。 第十一章:高性能网络传输层与序列化协议 构建快速服务的关键在于最小化网络延迟和数据开销。本章将对比TCP/IP协议栈的拥塞控制机制,并探讨零拷贝(Zero-Copy)技术(如`sendfile`)的应用。此外,我们将评估不同序列化格式(如Protocol Buffers, FlatBuffers, Cap’n Proto)在序列化速度、数据体积和查询效率上的优缺点,并指导读者根据应用场景进行选择。 第十二章:容错与故障注入测试 一个健壮的系统必须在压力下证明其可靠性。本章介绍故障注入(Chaos Engineering)的哲学与实践。我们将探讨如何设计系统以优雅地降级,以及使用分布式追踪工具(如OpenTelemetry/Jaeger)来诊断跨服务调用的延迟来源。最终目标是构建一个能够从任意单点故障中快速恢复的生产级系统。 --- 本书目标读者 本书适合有扎实C/C++或类C语言编程经验,并希望深入理解软件构造底层原理的资深工程师、系统架构师、高性能计算(HPC)研究人员,以及对操作系统、计算机体系结构有浓厚兴趣的研究生。本书的每一章都包含了大量的代码示例、性能分析报告和设计权衡的深入讨论,旨在将理论知识转化为可操作的工程技能。阅读本书后,您将不再满足于停留在API层面,而是能真正洞察并优化您所构建的每一个软件组件。

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读后感

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用户评价

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当我第一次看到《Elements of Compiler Design》这本书时,它的名字就吸引了我。我一直认为,一个优秀的开发者,不仅要懂得如何“写代码”,更要理解代码是如何被“执行”的。编译器,正是连接这两者之间的关键。我希望这本书能够为我揭示 compiler design 的核心原理,让我能够从更深层次上理解编程语言的本质。我期待书中能够详细讲解词法分析、语法分析、语义分析等编译器的基本阶段,并且能够深入探讨各种分析方法背后的算法和理论。同时,我也对代码优化部分非常感兴趣,希望能够学习到如何通过各种优化技术来提升程序的运行效率。这本书的“Elements”让我觉得它会聚焦于compiler design中最基础、最核心的知识点,帮助我构建一个坚实的理论基础,而不是只停留在某个特定编译器的实现细节上。我希望通过阅读这本书,能够培养出一种“编译器视角”,能够更好地理解和设计高效、健壮的程序。

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我购买《Elements of Compiler Design》这本书,是因为我对计算机科学底层原理的深深着迷。我始终相信,理解一个系统的基础,是真正掌握它的关键。编译器,作为将我们编写的高级语言转化为机器可执行代码的“翻译官”,其设计过程本身就是一门精妙的艺术和严谨的科学。我希望这本书能够带我深入到 compiler design 的核心,从词法分析器识别“词语”,到语法分析器构建“句子”,再到语义分析器检查“含义”,以及最终生成优化的机器码。我尤其期待书中能够详细讲解各种分析算法背后的数学原理和逻辑,例如,不同的语法分析方法(如递归下降、LL、LR)是如何工作的,以及它们各自的优缺点。同时,我也对代码优化部分充满期待,希望能够了解各种经典的优化技术,如常量折叠、循环展开、死代码消除等,以及它们如何协同作用来提升程序的性能。这本书的“Elements”让我相信,它会提炼出 compiler design 中最本质、最基础的构成要素,为我打下坚实的基础。

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之所以会选择《Elements of Compiler Design》这本书,很大程度上是因为我希望能够更深入地理解我所编写的代码是如何在计算机上运行的。作为一个长期的开发者,我发现对编译原理的理解,能够极大地提升我对程序性能的洞察力,以及对语言设计和使用的理解。我期待这本书能够为我揭示 compiler design 的核心要素,从最基础的词法分析,逐步深入到语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化,直到最终的目标代码生成。我希望它不仅仅是理论的堆砌,而是能够提供清晰的解释和恰当的例子,帮助我理解每一步背后的逻辑和权衡。我尤其对代码优化部分抱有浓厚的兴趣,希望能够学习到各种常见的优化技术,以及它们是如何作用于代码,从而提升程序的运行效率。此外,我也想了解不同编程语言在设计时,是如何考虑编译器的实现,以及一些语言特性是如何影响编译过程的。这本书的“Elements”这个词,让我相信它会为我提供一个全面而扎实的 compiler design 基础。

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我购买《Elements of Compiler Design》的动机,源于我对程序语言本质的探求。我们每天都在使用各种编程语言,但很少有人真正去思考,这些语言是如何被计算机理解并执行的。编译器,作为连接高级语言和机器码的桥梁,其设计过程蕴含着丰富的计算机科学理论和工程实践。我希望这本书能够深入剖析编译器的各个组成部分,从词法分析、语法分析,到语义分析、中间代码生成,再到代码优化和目标代码生成,为我构建一个清晰完整的编译原理图景。我尤其期待书中能够详细讲解各种分析算法的原理和优劣,例如,不同类型的语法分析器(LL, LR, LALR)在实际应用中的适用性,以及它们背后的数学原理。同时,我也希望书中能够涵盖一些重要的编译优化技术,例如常量折叠、死代码消除、循环优化等,并解释这些优化是如何实现的,以及它们对程序性能的影响。此外,对于不同体系结构的目标代码生成,以及如何处理函数调用、变量作用域等问题,我也希望能有深入的阐述。这本书的“Elements”这一词,让我感觉到它会聚焦于compiler design中最核心、最基础的知识,而不是流于表面的工具介绍。

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我选择《Elements of Compiler Design》这本书,很大程度上是出于对程序语言底层运行机制的好奇。我们每天都在使用编程语言,但很少有人深入思考,这些语言是如何被计算机理解和执行的。编译器,作为这一转化过程的关键,其设计原理对我来说一直充满着神秘感。我希望这本书能够揭示 compiler design 的核心要素,让我能够从词法分析、语法分析、语义分析,到中间代码生成、代码优化,再到目标代码生成,全面了解编译器的运作流程。我尤其期待书中能够深入讲解各种分析技术背后的理论基础,例如,不同类型的语法分析器(LL, LR, LALR)的原理和适用场景,以及它们是如何保证程序的正确性。同时,我也对代码优化部分抱有浓厚的兴趣,希望能够学习到各种经典的优化技术,例如常量折叠、循环优化、内联展开等,并了解它们是如何在保证程序语义不变的前提下,提升程序的执行效率。这本书的“Elements”一词,预示着它将聚焦于compiler design中最根本、最核心的概念,为我构建一个扎实的知识体系。

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购买《Elements of Compiler Design》这本书,纯粹是出于对计算机底层运行机制的好奇心。我总是觉得,如果我们能够理解代码是如何被“翻译”成机器指令的,那么我们对编程语言的理解就会上升到一个全新的维度。这个过程就像是在学习一门外语,知道单词和语法规则只是第一步,真正深入理解一门语言的精髓,是去了解它背后的文化和思维方式。编译器设计,在我看来,就是编程语言的“文化根基”。我希望这本书能够带我走进这个神秘的领域,让我了解从我们编写的易于理解的高级语言,到计算机硬件执行的二进制指令,这个漫长而复杂的转化过程是如何一步步完成的。我期待它能够解释清楚词法分析器是如何识别代码中的“单词”(token)的,语法分析器又是如何根据这些“单词”构建出程序的结构,以及语义分析器如何检查程序的逻辑是否合理。更重要的是,我希望它能阐述编译器是如何进行优化,让程序运行得更快、更省资源,以及如何生成机器代码,让程序在特定的硬件平台上执行。我希望这本书不是一本枯燥的教科书,而是能够通过生动的例子和清晰的逻辑,让我领略到 compiler design 的魅力。

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我一直觉得,对于任何一门计算机科学的学科,要想真正掌握它,就必须理解其“为什么”以及“如何做”。《Elements of Compiler Design》这个书名,恰好满足了我对这种深度探索的渴望。它不像一些更偏向实践的书籍,可能只会告诉你如何使用某个工具或库来构建一个简单的编译器,而这本书,我预感它会花大量笔墨去解释 compiler design 背后的原理和思想。比如,为什么我们需要抽象语法树(AST)?它在编译过程中扮演着什么样的核心角色?不同的语法分析方法(如 LL、LR)各自的优缺点是什么?为什么有些优化技术能显著提升程序性能,而另一些则可能得不偿失?这些都是我迫切想弄清楚的问题。这本书的标题中“Elements”这个词,也让我觉得它不是在罗列大量的技巧或技巧,而是提炼出 compiler design 中最本质、最基础的构成要素。我希望能从中学习到如何将一个高层次的程序语言,经过一系列严谨的转换,最终变成机器能够理解和执行的低级代码。这其中涉及到的形式语言、自动机理论等基础知识,我希望这本书能够以一种清晰易懂的方式进行阐述,并且能够有效地将它们与编译器的具体实现联系起来。我非常期待它能够展示出 compiler design 的严谨性和艺术性,以及如何在抽象的理论和具体的工程实现之间找到一个平衡点。

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我选择《Elements of Compiler Design》这本书,是因为我一直对计算机科学的“基础设施”部分充满了好奇。我们所使用的各种软件、操作系统、编程语言,其背后都有一个复杂而精密的“幕后团队”,而编译器,无疑是这个团队中至关重要的一员。它将我们用人类语言编写的指令,转化为机器能够理解的二进制代码,这个过程本身就充满了智慧和创造力。我希望这本书能够带我深入了解这个转化过程的每一个细节。从词法分析器如何“阅读”源代码,到语法分析器如何“理解”代码的结构,再到语义分析器如何“审查”代码的意义。我特别想了解,编译器是如何处理各种复杂的语言特性,比如递归、多态、异常处理等等。同时,我也对代码优化部分非常感兴趣,希望书中能够详细讲解各种优化技术,以及这些技术是如何平衡编译时间和运行效率的。这本书的标题“Elements”让我相信,它会从最根本的原理出发,为我构建一个坚实的 compiler design 知识体系,而不是停留在某个特定语言或工具的表面。

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我之所以会选择《Elements of Compiler Design》这本书,是因为我一直深信,要成为一名优秀的软件工程师,就必须对程序的运行机制有深刻的理解。编译器,正是实现这一理解的关键。它将我们用高级语言编写的指令,转化成机器能够理解的二进制代码,这个过程本身就包含了丰富的理论和工程实践。我希望这本书能够带领我深入 compiler design 的核心,从词法分析、语法分析、语义分析,到中间代码生成、代码优化,再到最终的目标代码生成,为我构建一个清晰而完整的编译原理图景。我尤其期待书中能够详细讲解各种分析算法的原理和优劣,例如,不同类型的语法分析器(LL, LR, LALR)在实际应用中的适用性,以及它们背后的数学原理。同时,我也希望书中能够涵盖一些重要的编译优化技术,例如常量折叠、死代码消除、循环优化等,并解释这些优化是如何实现的,以及它们对程序性能的影响。这本书的“Elements”这一词,让我感觉到它会聚焦于compiler design中最核心、最基础的知识,而不是流于表面的工具介绍。

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这本书的封面设计就带着一种沉静的学术气息,不是那种花哨的、试图抓住眼球的风格,而是一种扎实、内敛的质感,仿佛在告诉你,这里面承载的是经过千锤百炼的知识。《Elements of Compiler Design》这个书名本身就充满了重量感,它不是在谈论某个特定编译器的实现细节,也不是在兜售某种“快速入门”的捷径,而是直指编译器的“要素”,这暗示着它将深入到 compiler design 的核心概念,为读者打下坚实的基础。拿到手里,我第一个印象就是这本书的厚度,虽然不是令人望而却步的鸿篇巨著,但足够让你感受到内容的深度。纸张的质感也很不错,适合长时间翻阅,而且印刷清晰,没有让人阅读疲劳的毛刺或模糊。我当时购买这本书的初衷,是想系统地梳理一下自己对编译原理的理解,因为在实际开发中,虽然不直接编写编译器,但对语言的底层运行机制、性能优化、甚至是一些奇特的语言特性,都离不开对编译过程的深刻洞察。我希望这本书能够提供一个清晰的脉络,让我能够从宏观上理解编译器的各个组成部分是如何协同工作的,它们各自承担着什么样的职责,以及在设计时需要考虑哪些关键的权衡。我对这本书的期望,不仅仅是学习理论知识,更希望它能帮助我建立一种“编译器思维”,能够在遇到复杂问题时,能够从编译器的角度去分析和定位,从而找到更有效的解决方案。我期待它能从词法分析开始,一步步深入到语法分析、语义分析、中间代码生成,再到目标代码生成和优化,每一个环节都能够有详尽的阐述,并且能够辅以恰当的图示和示例,让抽象的概念变得具体可触。

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