本书是将计算机软件和硬件理论结合讲述的经典教程，内容覆盖计算机导论、体系结构和处理器设计等多门课程。本书的最大优点是为程序员描述计算机系统的实现细节，通过描述程序是如何映射到系统上，以及程序是如何执行的，使读者更好地理解程序的行为为什么是这样的，以及造成效率低下的原因。

兰德尔 E.布莱恩特（Randal E. Bryant）　1973年获得密歇根大学学士学位，随即就读麻省理工学院的研究生院，并在1981年获得计算机博士学位。从1984年至今一直任教于卡内基-梅隆大学，现在是卡内基-梅隆大学计算机学院院长、教授，同时受邀任教于电子与计算机工程学院。他还是ACM院士、IEEE院士和美国国家工程院院士。其研究成果获得过数项大奖，其中包括Semiconductor Research Corporation颁发的两个发明荣誉奖和一个技术成就奖，ACM颁发的Kanellakis理论与实践奖，还有IEEE授予的W. R. G. Baker奖、Emmanuel Piore奖和Phil Kaufman奖。

大卫 R. 奥哈拉伦（David R. OHallaron）　在维吉尼亚大学（University of Virginia）获得计算机科学的博士学位，现为Intel匹兹堡实验室主任、卡内基-梅隆大学电子与计算机工程学院副教授。他曾获得卡内基-梅隆大学计算机学院颁发的Herbert Simon杰出教学奖，并同Quake项目中其他成员一起获得了高性能计算领域中的最高国际奖项——Gordon Bell奖。

出版者的话<br />中文版序一<br />中文版序二<br />译者序<br />前言<br />关于作者<br />第1章　计算机系统漫游1<br />　1.1　信息就是位+上下文1<br />　1.2　程序被其他程序翻译成不同的格式3<br />　1.3　了解编译系统如何工作是大有益处的4<br />　1.4　处理器读并解释储存在内存中的指令5<br />　　1.4.1　系统的硬件组成5<br />　　1.4.2　运行hello程序7<br />　1.5　高速缓存至关重要9<br />　1.6　存储设备形成层次结构9<br />　1.7　操作系统管理硬件10<br />　　1.7.1　进程11<br />　　1.7.2　线程12<br />　　1.7.3　虚拟内存12<br />　　1.7.4　文件14<br />　1.8　系统之间利用网络通信14<br />　1.9　重要主题16<br />　　1.9.1　Amdahl定律16<br />　　1.9.2　并发和并行17<br />　　1.9.3　计算机系统中抽象的重要性19<br />　1.10　小结20<br />　参考文献说明20<br />　练习题答案20<br />第一部分<br />程序结构和执行<br />　第2章　信息的表示和处理22<br />　2.1　信息存储24<br />　　2.1.1　十六进制表示法25<br />　　2.1.2　字数据大小27<br />　　2.1.3　寻址和字节顺序29<br />　　2.1.4　表示字符串34<br />　　2.1.5　表示代码34<br />　　2.1.6　布尔代数简介35<br />　　2.1.7　C语言中的位级运算37<br />　　2.1.8　C语言中的逻辑运算39<br />　　2.1.9　C语言中的移位运算40<br />　2.2　整数表示41<br />　　2.2.1　整型数据类型42<br />　　2.2.2　无符号数的编码43<br />　　2.2.3　补码编码44<br />　　2.2.4　有符号数和无符号数之间的转换49<br />　　2.2.5　C语言中的有符号数与无符号数52<br />　　2.2.6　扩展一个数字的位表示54<br />　　2.2.7　截断数字56<br />　　2.2.8　关于有符号数与无符号数的建议58<br />　2.3　整数运算60<br />　　2.3.1　无符号加法60<br />　　2.3.2　补码加法62<br />　　2.3.3　补码的非66<br />　　2.3.4　无符号乘法67<br />　　2.3.5　补码乘法67<br />　　2.3.6　乘以常数70<br />　　2.3.7　除以2的幂71<br />　　2.3.8　关于整数运算的最后思考74<br />　2.4　浮点数75<br />　　2.4.1　二进制小数76<br />　　2.4.2　IEEE浮点表示78<br />　　2.4.3　数字示例79<br />　　2.4.4　舍入83<br />　　2.4.5　浮点运算85<br />　　2.4.6　C语言中的浮点数86<br />　2.5　小结87<br />　参考文献说明88<br />　家庭作业88<br />　练习题答案97<br />第3章　程序的机器级表示109<br />　3.1　历史观点110<br />　3.2　程序编码113<br />　　3.2.1　机器级代码113<br />　　3.2.2　代码示例114<br />　　3.2.3　关于格式的注解117<br />　3.3　数据格式119<br />　3.4　访问信息119<br />　　3.4.1　操作数指示符121<br />　　3.4.2　数据传送指令122<br />　　3.4.3　数据传送示例125<br />　　3.4.4　压入和弹出栈数据127<br />　3.5　算术和逻辑操作128<br />　　3.5.1　加载有效地址129<br />　　3.5.2　一元和二元操作130<br />　　3.5.3　移位操作131<br />　　3.5.4　讨论131<br />　　3.5.5　特殊的算术操作133<br />　3.6　控制135<br />　　3.6.1　条件码135<br />　　3.6.2　访问条件码136<br />　　3.6.3　跳转指令138<br />　　3.6.4　跳转指令的编码139<br />　　3.6.5　用条件控制来实现条件分支…141<br />　　3.6.6　用条件传送来实现条件分支…145<br />　　3.6.7　循环149<br />　　3.6.8　switch语句159<br />　3.7　过程164<br />　　3.7.1　运行时栈164<br />　　3.7.2　转移控制165<br />　　3.7.3　数据传送168<br />　　3.7.4　栈上的局部存储170<br />　　3.7.5　寄存器中的局部存储空间172<br />　　3.7.6　递归过程174<br />　3.8　数组分配和访问176<br />　　3.8.1　基本原则176<br />　　3.8.2　指针运算177<br />　　3.8.3　嵌套的数组178<br />　　3.8.4　定长数组179<br />　　3.8.5　变长数组181<br />　3.9　异质的数据结构183<br />　　3.9.1　结构183<br />　　3.9.2　联合186<br />　　3.9.3　数据对齐189<br />　3.10　在机器级程序中将控制与数据结合起来192<br />　　3.10.1　理解指针192<br />　　3.10.2　应用：使用GDB调试器193<br />　　3.10.3　内存越界引用和缓冲区溢出194<br />　　3.10.4　对抗缓冲区溢出攻击198<br />　　3.10.5　支持变长栈帧201<br />　3.11　浮点代码204<br />　　3.11.1　浮点传送和转换操作205<br />　　3.11.2　过程中的浮点代码209<br />　　3.11.3　浮点运算操作210<br />　　3.11.4　定义和使用浮点常数212<br />　　3.11.5　在浮点代码中使用位级操作212<br />　　3.11.6　浮点比较操作213<br />　　3.11.7　对浮点代码的观察结论215<br />　3.12　小结216<br />　参考文献说明216<br />　家庭作业216<br />　练习题答案226<br />第4章　处理器体系结构243<br />　4.1　Y86-64指令集体系结构245<br />　　4.1.1　程序员可见的状态245<br />　　4.1.2　Y86-64指令245<br />　　4.1.3　指令编码246<br />　　4.1.4　Y86-64异常250<br />　　4.1.5　Y86-64程序251<br />　　4.1.6　一些Y86-64指令的详情255<br />　4.2　逻辑设计和硬件控制语言HCL256<br />　　4.2.1　逻辑门257<br />　　4.2.2　组合电路和HCL布尔表达式257<br />　　4.2.3　字级的组合电路和HCL整数表达式258<br />　　4.2.4　集合关系261<br />　　4.2.5　存储器和时钟262<br />　4.3　Y86-64的顺序实现264<br />　　4.3.1　将处理组织成阶段264<br />　　4.3.2　SEQ硬件结构272<br />　　4.3.3　SEQ的时序274<br />　　4.3.4　SEQ阶段的实现277<br />　4.4　流水线的通用原理282<br />　　4.4.1　计算流水线282<br />　　4.4.2　流水线操作的详细说明284<br />　　4.4.3　流水线的局限性284<br />　　4.4.4　带反馈的流水线系统287<br />　4.5　Y86-64的流水线实现288<br />　　4.5.1　SEQ+：重新安排计算阶段288<br />　　4.5.2　插入流水线寄存器289<br />　　4.5.3　对信号进行重新排列和标号292<br />　　4.5.4　预测下一个PC293<br />　　4.5.5　流水线冒险295<br />　　4.5.6　异常处理306<br />　　4.5.7　PIPE各阶段的实现308<br />　　4.5.8　流水线控制逻辑314<br />　　4.5.9　性能分析322<br />　　4.5.10　未完成的工作323<br />　4.6　小结325<br />　参考文献说明326<br />　家庭作业327<br />　练习题答案331<br />第5章　优化程序性能341<br />　5.1　优化编译器的能力和局限性342<br />　5.2　表示程序性能345<br />　5.3　程序示例347<br />　5.4　消除循环的低效率350<br />　5.5　减少过程调用353<br />　5.6　消除不必要的内存引用354<br />　5.7　理解现代处理器357<br />　　5.7.1　整体操作357<br />　　5.7.2　功能单元的性能361<br />　　5.7.3　处理器操作的抽象模型362<br />　5.8　循环展开366<br />　5.9　提高并行性369<br />　　5.9.1　多个累积变量370<br />　　5.9.2　重新结合变换373<br />　5.10　优化合并代码的结果小结377<br />　5.11　一些限制因素378<br />　　5.11.1　寄存器溢出378<br />　　5.11.2　分支预测和预测错误处罚379<br />　5.12　理解内存性能382<br />　　5.12.1　加载的性能382<br />　　5.12.2　存储的性能383<br />　5.13　应用：性能提高技术387<br />　5.14　确认和消除性能瓶颈388<br />　　5.14.1　程序剖析388<br />　　5.14.2　使用剖析程序来指导优化390<br />　5.15　小结392<br />　参考文献说明393<br />　家庭作业393<br />　练习题答案395<br />第6章　存储器层次结构399<br />　6.1　存储技术399<br />　　6.1.1　随机访问存储器400<br />　　6.1.2　磁盘存储406<br />　　6.1.3　固态硬盘414<br />　　6.1.4　存储技术趋势415<br />　6.2　局部性418<br />　　6.2.1　对程序数据引用的局部性418<br />　　6.2.2　取指令的局部性419<br />　　6.2.3　局部性小结420<br />　6.3　存储器层次结构421<br />　　6.3.1　存储器层次结构中的缓存422<br />　　6.3.2　存储器层次结构概念小结424<br />　6.4　高速缓存存储器425<br />　　6.4.1　通用的高速缓存存储器组织结构425<br />　　6.4.2　直接映射高速缓存427<br />　　6.4.3　组相联高速缓存433<br />　　6.4.4　全相联高速缓存434<br />　　6.4.5　有关写的问题437<br />　　6.4.6　一个真实的高速缓存层次结构的解剖438<br />　　6.4.7　高速缓存参数的性能影响439<br />　6.5　编写高速缓存友好的代码440<br />　6.6　综合：高速缓存对程序性能的影响444<br />　　6.6.1　存储器山444<br />　　6.6.2　重新排列循环以提高空间局部性447<br />　　6.6.3　在程序中利用局部性450<br />　6.7　小结450<br />　参考文献说明451<br />　家庭作业451<br />　练习题答案459<br />第二部分<br />在系统上运行程序<br />　第7章　链接464<br />　7.1　编译器驱动程序465<br />　7.2　静态链接466<br />　7.3　目标文件466<br />　7.4　可重定位目标文件467<br />　7.5　符号和符号表468<br />　7.6　符号解析470<br />　　7.6.1　链接器如何解析多重定义的全局符号471<br />　　7.6.2　与静态库链接475<br />　　7.6.3　链接器如何使用静态库来解析引用477<br />　7.7　重定位478<br />　　7.7.1　重定位条目479<br />　　7.7.2　重定位符号引用479<br />　7.8　可执行目标文件483<br />　7.9　加载可执行目标文件484<br />　7.10　动态链接共享库485<br />　7.11　从应用程序中加载和链接共享库487<br />　7.12　位置无关代码489<br />　7.13　库打桩机制492<br />　　7.13.1　编译时打桩492<br />　　7.13.2　链接时打桩492<br />　　7.13.3　运行时打桩494<br />　7.14　处理目标文件的工具496<br />　7.15　小结496<br />　参考文献说明497<br />　家庭作业497<br />　练习题答案499<br />第8章　异常控制流501<br />　8.1　异常502<br />　　8.1.1　异常处理503<br />　　8.1.2　异常的类别504<br />　　8.1.3　Linux/x86-64系统中的异常505<br />　8.2　进程508<br />　　8.2.1　逻辑控制流508<br />　　8.2.2　并发流509<br />　　8.2.3　私有地址空间509<br />　　8.2.4　用户模式和内核模式510<br />　　8.2.5　上下文切换511<br />　8.3　系统调用错误处理512<br />　8.4　进程控制513<br />　　8.4.1　获取进程ID513<br />　　8.4.2　创建和终止进程513<br />　　8.4.3　回收子进程516<br />　　8.4.4　让进程休眠521<br />　　8.4.5　加载并运行程序521<br />　　8.4.6　利用fork和execve运行程序524<br />　8.5　信号526<br />　　8.5.1　信号术语527<br />　　8.5.2　发送信号528<br />　　8.5.3　接收信号531<br />　　8.5.4　阻塞和解除阻塞信号532<br />　　8.5.5　编写信号处理程序533<br />　　8.5.6　同步流以避免讨厌的并发错误540<br />　　8.5.7　显式地等待信号543<br />　8.6　非本地跳转546<br />　8.7　操作进程的工具550<br />　8.8　小结550<br />　参考文献说明550<br />　家庭作业550<br />　练习题答案556<br />第9章　虚拟内存559<br />　9.1　物理和虚拟寻址560<br />　9.2　地址空间560<br />　9.3　虚拟内存作为缓存的工具561<br />　　9.3.1　DRAM缓存的组织结构562<br />　　9.3.2　页表562<br />　　9.3.3　页命中563<br />　　9.3.4　缺页564<br />　　9.3.5　分配页面565<br />　　9.3.6　又是局部性救了我们565<br />　9.4　虚拟内存作为内存管理的工具565<br />　9.5　虚拟内存作为内存保护的工具567<br />　9.6　地址翻译567<br />　　9.6.1　结合高速缓存和虚拟内存570<br />　　9.6.2　利用TLB加速地址翻译570<br />　　9.6.3　多级页表571<br />　　9.6.4　综合：端到端的地址翻译573<br />　9.7　案例研究：Intel Core i7/Linux内存系统576<br />　　9.7.1　Core i7地址翻译576<br />　　9.7.2　Linux虚拟内存系统580<br />　9.8　内存映射582<br />　　9.8.1　再看共享对象583<br />　　9.8.2　再看fork函数584<br />　　9.8.3　再看execve函数584<br />　　9.8.4　使用mmap函数的用户级内存映射585<br />　9.9　动态内存分配587<br />　　9.9.1　malloc和free函数587<br />　　9.9.2　为什么要使用动态内存分配589<br />　　9.9.3　分配器的要求和目标590<br />　　9.9.4　碎片591<br />　　9.9.5　实现问题592<br />　　9.9.6　隐式空闲链表592<br />　　9.9.7　放置已分配的块593<br />　　9.9.8　分割空闲块594<br />　　9.9.9　获取额外的堆内存594<br />　　9.9.10　合并空闲块594<br />　　9.9.11　带边界标记的合并595<br />　　9.9.12　综合：实现一个简单的分配器597<br />　　9.9.13　显式空闲链表603<br />　　9.9.14　分离的空闲链表604<br />　9.10　垃圾收集605<br />　　9.10.1　垃圾收集器的基本知识606<br />　　9.10.2　Mark&Sweep垃圾收集器607<br />　　9.10.3　C程序的保守Mark&Sweep608<br />　9.11　C程序中常见的与内存有关的错误609<br />　　9.11.1　间接引用坏指针609<br />　　9.11.2　读未初始化的内存609<br />　　9.11.3　允许栈缓冲区溢出610<br />　　9.11.4　假设指针和它们指向的对象是相同大小的610<br />　　9.11.5　造成错位错误611<br />　　9.11.6　引用指针，而不是它所指向的对象611<br />　　9.11.7　误解指针运算611<br />　　9.11.8　引用不存在的变量612<br />　　9.11.9　引用空闲堆块中的数据612<br />　　9.11.10　引起内存泄漏613<br />　9.12　小结613<br />　参考文献说明613<br />　家庭作业614<br />　练习题答案617<br />第三部分<br />程序间的交互和通信<br />　第10章　系统级I/O622　10.1　Unix I/O622<br />　10.2　文件623<br />　10.3　打开和关闭文件624<br />　10.4　读和写文件625<br />　10.5　用RIO包健壮地读写626<br />　　10.5.1　RIO的无缓冲的输入输出函数627<br />　　10.5.2　RIO的带缓冲的输入函数627<br />　10.6　读取文件元数据632<br />　10.7　读取目录内容633<br />　10.8　共享文件634<br />　10.9　I/O重定向637<br />　10.10　标准I/O638<br />　10.11　综合：我该使用哪些I/O函数？638<br />　10.12　小结640<br />　参考文献说明640<br />　家庭作业640<br />　练习题答案641<br />第11章　网络编程642<br />　11.1　客户端服务器编程模型642<br />　11.2　网络643<br />　11.3　全球IP因特网646<br />　　11.3.1　IP地址647<br />　　11.3.2　因特网域名649<br />　　11.3.3　因特网连接651<br />　11.4　套接字接口652<br />　　11.4.1　套接字地址结构653<br />　　11.4.2　socket函数654<br />　　11.4.3　connect函数654<br />　　11.4.4　bind函数654<br />　　11.4.5　listen函数655<br />　　11.4.6　accept函数655<br />　　11.4.7　主机和服务的转换656<br />　　11.4.8　套接字接口的辅助函数660<br />　　11.4.9　echo客户端和服务器的示例662<br />　11.5　Web服务器665<br />　　11.5.1　Web基础665<br />　　11.5.2　Web内容666<br />　　11.5.3　HTTP事务667<br />　　11.5.4　服务动态内容669<br />　11.6　综合：TINY Web服务器671<br />　11.7　小结678<br />　参考文献说明678<br />　家庭作业678<br />　练习题答案679<br />第12章　并发编程681<br />　12.1　基于进程的并发编程682<br />　　12.1.1　基于进程的并发服务器683<br />　　12.1.2　进程的优劣684<br />　12.2　基于I/O多路复用的并发编程684<br />　　12.2.1　基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器686<br />　　12.2.2　I/O多路复用技术的优劣690<br />　12.3　基于线程的并发编程691<br />　　12.3.1　线程执行模型691<br />　　12.3.2　Posix线程691<br />　　12.3.3　创建线程692<br />　　12.3.4　终止线程693<br />　　12.3.5　回收已终止线程的资源693<br />　　12.3.6　分离线程694<br />　　12.3.7　初始化线程694<br />　　12.3.8　基于线程的并发服务器694<br />　12.4　多线程程序中的共享变量696<br />　　12.4.1　线程内存模型696<br />　　12.4.2　将变量映射到内存697<br />　　12.4.3　共享变量698<br />　12.5　用信号量同步线程698<br />　　12.5.1　进度图701<br />　　12.5.2　信号量702<br />　　12.5.3　使用信号量来实现互斥703<br />　　12.5.4　利用信号量来调度共享资源704<br />　　12.5.5　综合：基于预线程化的并发服务器708<br />　12.6　使用线程提高并行性710<br />　12.7　其他并发问题716<br />　　12.7.1　线程安全716<br />　　12.7.2　可重入性717<br />　　12.7.3　在线程化的程序中使用已存在的库函数718<br />　　12.7.4　竞争719<br />　　12.7.5　死锁721<br />　12.8　小结722<br />　参考文献说明723<br />　家庭作业723<br />　练习题答案726<br />附录A　错误处理729<br />参考文献733