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深入理解計算機系統（原書第3版）

為了解決固態硬盤的問題，作者（美）蘭德爾 E.布萊恩特，大衛 R.奧哈拉倫 這樣論述：

和第2版相比，本版內容上最大的變化是，從以IA32和x86-64為基礎轉變為完全以x86-64為基礎。主要更新如下：•基於x86-64，大量地重寫代碼，首次介紹對處理浮點數據的程序的機器級支持。•處理器體系結構修改為支持64位字和操作的設計。•引入更多的功能單元和更復雜的控制邏輯，使基於程序數據流表示的程序性能模型預測更加可靠。•擴充關於用GOT和PLT創建與位置無關代碼的討論，描述了更加強大的鏈接技術（比如庫打樁）。•增加了對信號處理程序更細致的描述，包括異步信號安全的函數等。•采用最新函數，更新了與協議無關和線程安全的網絡編程。Randal E. Bryant 1981年於麻省理工學院獲得

計算機博士學位，1984年至今一直任教於卡內基-梅隆大學。現任卡內基-梅隆大學計算機科學學院院長、教授，同時還受邀任教於電子和計算機工程系。他從事本科生和研究生計算機系統方面課程的教學近40年。他和O』Hallaron教授一起在卡內基梅隆大學開設了15-213課程「計算機系統導論」，那便是本書的基礎。他還是ACM院士、IEEE院士、美國國家工程院院士和美國人文與科學研究院院士。其研究成果被Intel、IBM、Fujitsu和Microsoft等主要計算機制造商使用，他還因研究獲得過Semiconductor Research Corporation、ACM、IEEE頒發的多項大獎。David

R. O』Hallaron卡內基梅隆大學電子和計算機工程系教授。在弗吉尼亞大學（University of Virginia）獲得計算機科學的博士學位，2007年-2010年為Intel匹茲堡實驗室主任。他教授本科生和研究生的計算機系統方面的課程已有20余年，並和Bryant教授一起開設了「計算機系統導論」課程。曾獲得CMU計算機學院頒發的Herbert Simon傑出教學獎。他主要從事計算機系統領域的研究，與Quake項目成員一起獲得過高性能計算領域中的最高國際獎項——Gordon Bell獎。他目前的工作重點是研究自動分級（autograding）概念，即評價其他程序質量的程序。

出版者的話中文版序一中文版序二譯者序前言關於作者第1章 計算機系統漫游11.1 信息就是位+上下文11.2 程序被其他程序翻譯成不同的格式31.3 了解編譯系統如何工作是大有益處的41.4 處理器讀並解釋儲存在內存中的指令51.4.1 系統的硬件組成51.4.2 運行hello程序71.5 高速緩存至關重要91.6 存儲設備形成層次結構91.7 操作系統管理硬件101.7.1 進程111.7.2 線程121.7.3 虛擬內存121.7.4 文件141.8 系統之間利用網絡通信141.9 重要主題161.9.1 Amdahl定律161.9.2 並發和並行171.9.3 計算機系統中抽

象的重要性191.10 小結20參考文獻說明20練習題答案20部分程序結構和執行第2章 信息的表示和處理222.1 信息存儲242.1.1 十六進制表示法252.1.2 字數據大小272.1.3 尋址和字節順序292.1.4 表示字符串342.1.5 表示代碼342.1.6 布爾代數簡介352.1.7 C語言中的位級運算372.1.8 C語言中的邏輯運算392.1.9 C語言中的移位運算402.2 整數表示412.2.1 整型數據類型422.2.2 無符號數的編碼432.2.3 補碼編碼442.2.4 有符號數和無符號數之間的轉換492.2.5 C語言中的有符號數與無符號數522.2.6 擴展

一個數字的位表示542.2.7 截斷數字562.2.8 關於有符號數與無符號數的建議582.3 整數運算602.3.1 無符號加法602.3.2 補碼加法622.3.3 補碼的非662.3.4 無符號乘法672.3.5 補碼乘法672.3.6 乘以常數702.3.7 除以2的冪712.3.8 關於整數運算的后思考742.4 浮點數752.4.1 二進制小數762.4.2 IEEE浮點表示782.4.3 數字示例792.4.4 舍入832.4.5 浮點運算852.4.6 C語言中的浮點數862.5 小結87參考文獻說明88家庭作業88練習題答案97第3章 程序的機器級表示1093.1 歷史觀點1

103.2 程序編碼1133.2.1 機器級代碼1133.2.2 代碼示例1143.2.3 關於格式的注解1173.3 數據格式1193.4 訪問信息1193.4.1 操作數指示符1213.4.2 數據傳送指令1223.4.3 數據傳送示例1253.4.4 壓入和彈出棧數據1273.5 算術和邏輯操作1283.5.1 加載有效地址1293.5.2 一元和二元操作1303.5.3 移位操作1313.5.4 討論1313.5.5 特殊的算術操作1333.6 控制1353.6.1 條件碼1353.6.2 訪問條件碼1363.6.3 跳轉指令1383.6.4 跳轉指令的編碼1393.6.5 用條件控制

來實現條件分支3.6.6 用條件傳送來實現條件分支3.6.7 循環1493.6.8 switch語句1593.7 過程1643.7.1 運行時棧1643.7.2 轉移控制1653.7.3 數據傳送1683.7.4 棧上的局部存儲1703.7.5 寄存器中的局部存儲空間1723.7.6 遞歸過程1743.8 數組分配和訪問1763.8.1 基本原則1763.8.2 指針運算1773.8.3 嵌套的數組1783.8.4 定長數組1793.8.5 變長數組1813.9 異質的數據結構1833.9.1 結構1833.9.2 聯合1863.9.3 數據對齊1893.10 在機器級程序中將控制與數據結合起

來1923.10.1 理解指針1923.10.2 應用：使用GDB調試器1933.10.3 內存越界引用和緩沖區溢出1943.10.4 對抗緩沖區溢出攻擊1983.10.5 支持變長棧幀2013.11 浮點代碼2043.11.1 浮點傳送和轉換操作2053.11.2 過程中的浮點代碼2093.11.3 浮點運算操作2103.11.4 定義和使用浮點常數2123.11.5 在浮點代碼中使用位級操作2123.11.6 浮點比較操作2133.11.7 對浮點代碼的觀察結論2153.12 小結216參考文獻說明216家庭作業216練習題答案226第4章 處理器體系結構2434.1 Y86—64指令集體

系結構2454.1.1 程序員可見的狀態2454.1.2 Y86—64指令2454.1.3 指令編碼2464.1.4 Y86—64異常2504.1.5 Y86—64程序2514.1.6 一些Y86—64指令的詳情2554.2 邏輯設計和硬件控制語言HCL2564.2.1 邏輯門2574.2.2 組合電路和HCL布爾表達式2574.2.3 字級的組合電路和HCL整數表達式2584.2.4 集合關系2614.2.5 存儲器和時鍾2624.3 Y86—64的順序實現2644.3.1 將處理組織成階段2644.3.2 SEQ硬件結構2724.3.3 SEQ的時序2744.3.4 SEQ階段的實現277

4.4 流水線的通用原理2824.4.1 計算流水線2824.4.2 流水線操作的詳細說明2844.4.3 流水線的局限性2844.4.4 帶反饋的流水線系統2874.5 Y86—64的流水線實現2884.5.1 SEQ+：重新安排計算階段2884.5.2 插入流水線寄存器2894.5.3 對信號進行重新排列和標號2924.5.4 預測下一個PC2934.5.5 流水線冒險2954.5.6 異常處理3064.5.7 PIPE各階段的實現3084.5.8 流水線控制邏輯3144.5.9 性能分析3224.5.10 未完成的工作3234.6 小結325參考文獻說明326家庭作業327練習題答案33

1第5章 優化程序性能3415.1 優化編譯器的能力和局限性3425.2 表示程序性能3455.3 程序示例3475.4 消除循環的低效率3505.5 減少過程調用3535.6 消除不必要的內存引用3545.7 理解現代處理器3575.7.1 整體操作3575.7.2 功能單元的性能3615.7.3 處理器操作的抽象模型3625.8 循環展開3665.9 提高並行性3695.9.1 多個累積變量3705.9.2 重新結合變換3735.10 優化合並代碼的結果小結3775.11 一些限制因素3785.11.1 寄存器溢出3785.11.2 分支預測和預測錯誤處罰3795.12 理解內存性能382

5.12.1 加載的性能3825.12.2 存儲的性能3835.13 應用：性能提高技術3875.14 確認和消除性能瓶頸3885.14.1 程序剖析3885.14.2 使用剖析程序來指導優化3905.15 小結392參考文獻說明393家庭作業393練習題答案395第6章 存儲器層次結構3996.1 存儲技術3996.1.1 隨機訪問存儲器4006.1.2 磁盤存儲4066.1.3 固態硬盤4146.1.4 存儲技術趨勢4156.2 局部性4186.2.1 對程序數據引用的局部性4186.2.2 取指令的局部性4196.2.3 局部性小結4206.3 存儲器層次結構4216.3.1 存儲器層次

結構中的緩存4226.3.2 存儲器層次結構概念小結4246.4 高速緩存存儲器4256.4.1 通用的高速緩存存儲器組織結構4256.4.2 直接映像高速緩存4276.4.3 組相聯高速緩存4336.4.4 全相聯高速緩存4346.4.5 有關寫的問題4376.4.6 一個真實的高速緩存層次結構的解剖4386.4.7 高速緩存參數的性能影響4396.5 編寫高速緩存友好的代碼4406.6 綜合：高速緩存對程序性能的影響4446.6.1 存儲器山4446.6.2 重新排列循環以提高空間局部性4476.6.3 在程序中利用局部性4506.7 小結450參考文獻說明451家庭作業451練習題答案4

59第二部分在系統上運行程序第7章 鏈接4647.1 編譯器驅動程序4657.2 靜態鏈接4667.3 目標文件4667.4 可復位位目標文件4677.5 符號和符號表4687.6 符號解析4707.6.1 鏈接器如何解析多復位義的全局符號4717.6.2 與靜態庫鏈接4757.6.3 鏈接器如何使用靜態庫來解析引用4777.7 復位位4787.7.1 復位位條目4797.7.2 復位位符號引用4797.8 可執行目標文件4837.9 加載可執行目標文件4847.10 動態鏈接共享庫4857.11 從應用程序中加載和鏈接共享庫4877.12 位置無關代碼4897.13 庫打樁機制4927.13

.1 編譯時打樁4927.13.2 鏈接時打樁4927.13.3 運行時打樁4947.14 處理目標文件的工具4967.15 小結496參考文獻說明497家庭作業497練習題答案499第8章 異常控制流5018.1 異常5028.1.1 異常處理5038.1.2 異常的類別5048.1.3 Linux／x86—64系統中的異常5058.2 進程5088.2.1 邏輯控制流5088.2.2 並發流5098.2.3 私有地址空間5098.2.4 用戶模式和內核模式5108.2.5 上下文切換5118.3 系統調用錯誤處理5128.4 進程控制5138.4.1 獲取進程ID5138.4.2 創建和終

止進程5138.4.3 回收子進程5168.4.4 讓進程休眠5218.4.5 加載並運行程序5218.4.6 利用fork和execve運行程序5248.5 信號5268.5.1 信號術語5278.5.2 發送信號5288.5.3 接收信號5318.5.4 阻塞和解除阻塞信號5328.5.5 編寫信號處理程序5338.5.6 同步流以避免討厭的並發錯誤5408.5.7 顯式地等待信號5438.6 非本地跳轉5468.7 操作進程的工具5508.8 小結550參考文獻說明550家庭作業550練習題答案556第9章 虛擬內存5599.1 物理和虛擬尋址5609.2 地址空間5609.3 虛擬內存

作為緩存的工具5619.3.1 DRAM緩存的組織結構5629.3.2 頁表5629.3.3 頁命中5639.3.4 缺頁5649.3.5 分配頁面5659.3.6 又是局部性救了我們5659.4 虛擬內存作為內存管理的工具5659.5 虛擬內存作為內存保護的工具5679.6 地址翻譯5679.6.1 結合高速緩存和虛擬內存5709.6.2 利用TLB加速地址翻譯5709.6.3 多級頁表5719.6.4 綜合：端到端的地址翻譯5739.7 案例研究：Intel Core i7／Linux內存系統5769.7.1 Core i7地址翻譯5769.7.2 Linux虛擬內存系統5809.8 內存

映射5829.8.1 再看共享對象5839.8.2 再看fork函數5849.8.3 再看execve函數5849.8.4 使用mmap函數的用戶級內存映射5859.9 動態內存分配5879.9.1 malloc和free函數5879.9.2 為什麼要使用動態內存分配5899.9.3 分配器的要求和目標5909.9.4 碎片5919.9.5 實現問題5929.9.6 隱式空閑鏈表5929.9.7 放置已分配的塊5939.9.8 分割空閑塊5949.9.9 獲取額外的堆內存5949.9.10 合並空閑塊5949.9.11 帶邊界標記的合並5959.9.12 綜合：實現一個簡單的分配器5979.9

.13 顯式空閑鏈表6039.9.14 分離的空閑鏈表6049.10 垃圾收集6059.10.1 垃圾收集器的基本知識6069.10.2 Mark&Sweep垃圾收集器6079.10.3 C程序的保守Mark&Sweep6089.11 C程序中常見的與內存有關的錯誤6099.11.1 間接引用壞指針6099.11.2 讀未初始化的內存6099.11.3 允許棧緩沖區溢出6109.11.4 假設指針和它們指向的對象是相同大小的6109.11.5 造成錯位錯誤6119.11.6 引用指針，而不是它所指向的對象6119.11.7 誤解指針運算6119.11.8 引用不存在的變量6129.11.9 引

用空閑堆塊中的數據6129.11.10 引起內存泄漏6139.12 小結613參考文獻說明613家庭作業614練習題答案617第三部分程序間的交互和通信第10章 系統級I／O62210.1 Unix I／O62210.2 文件62310.3 打開和關閉文件62410.4 讀和寫文件62510.5 用RIO包健壯地讀寫62610.5.1 RIO的無緩沖的輸入輸出函數62710.5.2 RIO的帶緩沖的輸入函數62710.6 讀取文件元數據63210.7 讀取目錄內容63310.8 共享文件63410.9 I／O復位向63710.10 標准I／O63810.11 綜合：我該使用哪些I／O函數？63

810.12 小結640參考文獻說明640家庭作業640練習題答案641第11章 網絡編程64211.1 客戶端服務器編程模型64211.2 網絡64311.3 全球IP因特網64611.3.1 IP地址64711.3.2 因特網域名64911.3.3 因特網連接65111.4 套接字接口65211.4.1 套接字地址結構65311.4.2 socket函數65411.4.3 connect函數65411.4.4 bind函數65411.4.5 listen函數65511.4.6 accept函數65511.4.7 主機和服務的轉換65611.4.8 套接字接口的輔助函數66011.4.9 e

cho客戶端和服務器的示例66211.5 Web服務器66511.5.1 Web基礎66511.5.2 Web內容66611.5.3 事務66711.5.4 服務動態內容66911.6 綜合：TINY Web服務器67111.7 小結678參考文獻說明678家庭作業678練習題答案679第12章 並發編程68112.1 基於進程的並發編程68212.1.1 基於進程的並發服務器68312.1.2 進程的優劣68412.2 基於I／O多路復用的並發編程68412.2.1 基於I／O多路復用的並發事件驅動服務器68612.2.2 I／O多路復用技術的優劣69012.3 基於線程的並發編程69112

.3.1 線程執行模型69112.3.2 Posix線程69112.3.3 創建線程69212.3.4 終止線程69312.3.5 回收已終止線程的資源69312.3.6 分離線程69412.3.7 初始化線程69412.3.8 基於線程的並發服務器69412.4 多線程程序中的共享變量69612.4.1 線程內存模型69612.4.2 將變量映射到內存69712.4.3 共享變量69812.5 用信號量同步線程69812.5.1 進度圖70112.5.2 信號量70212.5.3 使用信號量來實現互斥70312.5.4 利用信號量來調度共享資源70412.5.5 綜合：基於預線程化的並發服務

器70812.6 使用線程提高並行性71012.7 其他並發問題71612.7.1 線程安全71612.7.2 可重入性71712.7.3 在線程化的程序中使用已存在的庫函數71812.7.4 競爭71912.7.5 死鎖72112.8 小結722參考文獻說明723家庭作業723練習題答案726附錄A 錯誤處理729參考文獻733

固態硬盤進入發燒排行的影片

基於非揮發性記憶儲存系統壽命提升之高效能 索引管理策略

為了解決固態硬盤的問題，作者唐 吉 這樣論述：

近年來非揮發性記憶體已逐漸成熟，而其良好的特性（如：高儲存密度、低靜態功耗等）為大數據儲存系統開闢了新的可能性。然而，非揮發性記憶體的耐久度與傳統記憶體相比十分有限，甚至持續惡化，因此利用磨損平衡技術來增加非揮發性記憶體的壽命已成為非揮發性存儲系統設計中的一個主要問題。更糟的是，由於嵌入式系統的資料管理系統通常使用索引方案來維護小數據，這使得非揮發性記憶體的耐久度問題更加嚴重；也就是說非揮發性記憶體的壽命在嵌入式系統中很快就會耗盡。因此，許多先前的文獻著重於重新思考基於非揮發性記憶體的系統上的索引和資料管理方案。而先前多數的研究主要集中在減少記憶體和儲存裝置中的寫入次數及降低寫入放大問題。不

幸的是，僅考慮寫入次數並無法有效延長非揮發性記憶體的使用壽命，因為這樣的解決方案無法在設備中均勻分配寫入流量。基於這樣的觀察，本研究為非揮發性記憶體和固態硬碟系統提出了兩種替代索引方案，分別為waB+tree 以及waLSM-tree。其中waB+tree 的設計考慮了B+-tree 結構內每個節點的更新頻率，從而將寫入流量均勻地分散到非揮發性記憶體的單元中。另一方面，waLSM 則考慮LSM 樹中的每個級別之間的不同數據溫度，進而在整個固態硬碟中均勻擦除所有塊。根據我們的實驗結果，本研究所提出的索引方案可有效提升裝置的耐久度，進而延長裝置的壽命

數據恢復技術深度揭秘（第二版）

為了解決固態硬盤的問題，作者劉偉 這樣論述：

新增了大量實戰案例的分析和講解，本書從邏輯類恢復和物理類恢復兩個層面全面講解當前最實用的數據恢復技術。在邏輯類數據恢復方面，包括MBR磁盤分區、動態磁盤分區、GPT磁盤分區、Solaris分區、APM分區、BSD分區的恢復技術；Windows平台的FAT32、FAT16文件系統、NTFS文件系統、Ex FAT文件系統的恢復技術；UNIX平台的UFS1、UFS2文件系統恢復技術；Apple平台的HFS+文件系統恢復技術；Linux平台的EXT3、EXT4文件系統恢復技術；還包括Windows、UNIX、Apple、Linux平台的RAID-0、RAID-1、RAID-1E、R

AID-5、RAID-5EE、RAID-6、HP雙循環等磁盤陣列恢復技術。在物理類數據恢復方面，包括各大品牌硬盤出現電路故障、磁頭故障、電機故障、扇區讀取故障、固件故障后數據恢復的方法，還包括優盤無法識別的恢復方法。劉偉，原北京信息科技大學數據恢復研究所數據恢復專家，國內外多家數據恢復公司的高級顧問，長期從事數據恢復技術的研究，工作在數據恢復實踐和教學一線，理論基礎扎實、實踐經驗豐富。從2004年3月開始受聘於國家信息產業部（現國家工業和信息化部），獲「信息產業部數據恢復技術培訓特聘專家顧問」稱號，負責信息產業部數據恢復技術培訓的課程研發及教學工作，在授課過程中很好的將高深的理論演繹得形象化、

簡單化，以便於學生充分理解，受到了各地學員的一致好評。着有《數據恢復高級技術》、《數據恢復方法及案例分析》、《數據恢復技術深度揭秘》（一版）、《RAID數據恢復技術揭秘》等數據恢復專業書籍，並且均被信息產業部數據恢復培訓指定為專用培訓教材。

以Trim資訊進行資料配置增進固態硬碟之GC效能

為了解決固態硬盤的問題，作者蘇新允 這樣論述：

SSD全名為Solid-state drive，是基於NAND-Flash做為永久儲存裝置。NAND-Flash具有容量較大，改寫速度快等優點，近年來隨著NAND快閃記憶體的成本降低，SSD固態硬碟的應用範圍也就跟著增加。相較於傳統硬碟，SSD有隨機存取的速度很快、且存取時間固定、體積小等優點，但相對也有損壞時資料不可挽救、Cell讀寫次數有限制的缺點。　　為了管理這些限制，SSD會有一個FTL（Flash Translation Layer）來管理Cell下次要寫到哪個地方，避免一直寫到同個地方以延長Cell的壽命，稱為Wear Leveling。然而為了更好的資料回收，Trim告訴SSD

哪些資料為無效的資料，並適時刪除，可以用來提升GC（Garbage Collection）效率。然而Trim在過去只被用來做GC效率的提升，較少的研究將它作為資料配置的依據。因此本篇論文提出了選擇write pointer機制來透過Trim資訊的方式進行資料配置，從源頭增進GC效率。