CSAPP 信息存储

大多数计算机使用 8 位的块，或者字节，作为最小的可寻址的内存地址，而不是访问内存中单独的位。机器级程序将内存视为一个非常大的字节数组，称为虚拟内存，内存中每个字节都来自唯一的数字标识，称为它的地址，所有可能地址的集合就是虚拟内存地址空间。简而言之，这个虚拟内存地址空间只是一个展现给机器级程序的概念性映像。实际的实现包括，动态随机访问存储器，闪存，磁盘存储器，特殊硬件和 *** 作系统结合起来，为程序提供一个看上去统一的字节数组。

每台计算机都有一个字长，指明指针数据的标称大小。因为虚拟地址是以这样的一个字来编码的，所以字长决定的最重要的系统参数就是虚拟地址空间的最大大小。也就是说，对于一个字长为 w 的机器而言，虚拟地址的范围0~2的w次方，程序最多访问2 的w 次方个字节。

虚拟地址和物理内存：

字节顺序：内存中如何排列字节。排列表示一个对象有两种方法，大端法和小端法。

例：一个 8 位的整数，大端法表示内存中的排列 [ 7,6,5....2,1,0] ，其中 7 是最高有效位，0是最低有效位。小端法表示完全相反。某些机器在内存中按照从低到高的顺序存储对象，称为小端法。另一些机器则按照从最高到最低的字节顺序存储，称为大端法。

字节顺序产生的问题：

1）、小端产生的数据发送到大端，字里的字节变成反序

2）、当阅读表示整数数据的字节顺序时，字节顺序也很重要。

3）、当编写规避正常的类型系统的程序时。

①、布尔运算 ~ 对应逻辑运算非。也就是取反的意思，假设 p 是0，那么~p 就是1；反之亦然。

②、布尔运算 &对应逻辑运算与。有且只有 p 和 q 都为 1 时，p &q 才等于1。

③、布尔运算 | 对应逻辑运算或。p 和 q 只要有一个为 1，那么 p | q 都等于1。

④、布尔运算 ^ 对应逻辑运算异或。如果p、q两个值不相同，则异或结果为1。如果p、q两个值相同，异或结果为0。

上面说的规则都是单个二进制进行运算。如果将其扩大到w位二进制。比如两个二进制[aw,aw-1...a1]和[bw,bw-1...b1]，它们的四种运算则是对两者每一个相对应的位上做相应的运算。这里我们给个例子：假设 w=4，a=[0110]，b=[1100]。那么四种运算 a&b、a|b、a^b、~b 结果分别如下：

C 语言是支持按位布尔运算的。也就是我们上面所讲的四种布尔运算符其实也是 C 语言所使用的。在 C 语言中，这些运算符能运用到任何 “ 整型” 的数据类型。也就是声明为 char 或者 int 的数据类型，无论它们有没有 short、long或者 unsigned。下面给出对 char 数据类型表达式求值的例子：

1 A Tour of Computer Systems

1.1 Information is Bits + Context

1.2 Programs Are Translated by Other Programs into Different Forms

1.3 It Pays to Understand How Compilation Systems Work

1.4 Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory

1.5 Caches Matter

1.6 Storage Devices Form a Hierarchy

1.7 The Operating System Manages the Hardware

1.8 Systems CommunicateWith Other Systems Using Networks

1.9 The Next Step

1.10 Summary

Bibliographics Notes

Part I Program Structure and Execution

2 Representing and Manipulating Information

2.1 Information Storage

2.2 Integer Representations

2.3 Integer Arithmetic

2.4 Floating Point

2.5 Summary

Bibliographic Notes

Homework Problems

Solution to Practice Problems

3 Machine-Level Representation of Programs

3.1 A Historical Perspective

3.2 Program Encodings

3.3 Data Formats

3.4 Accessing Information

3.5 Arithmetic and Logical Operations

3.6 Control

3.7 Procedures

3.8 Array Allocation and Access

3.9 Heterogeneous Data Structures

3.10 Alignment

3.11 Putting it Together: Understanding Pointers

3.12 Life in the RealWorld: Using the GDB Debugger

3.13 Out-of-Bounds Memory References and Buffer Over

3.14 *Floating-Point Code

3.15 *Embedding Assembly Code in C Programs

3.16 Summary

Bibliographic Notes

Homework Problems

Solutions to Practice Problems

4 Processor Architecture

5 Optimizing Program Performance

6 The Memory Hierarchy

Part Ⅱ Running Programs on a System

7 Linking

8 Exceptional Control Flow

9 Measuring Program Execution Time

10 Virtual Memory

Part Ⅲ Interaction and Communication Between Programs

11 System-Level I/O

12 Network Programming

13 Concurrent Programming

A HCL Descriptions of Processor Control Logic

B Error Handling

Bibliography

Index

目录：

第1章 计算机系统漫游

1.1 信息就是比特+上下文

1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式

1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的

1.4 处理器读并解释储存在存储器中的指令

1.4.1 系统的硬件组成

1.4.2 执行hello程序

1.5 高速缓存

1.6 形成层次结构的存储设备

1.7 *** 作系统管理硬件

1.7.1 进程

1.7.2 线程

1.7.3 虚拟存储器

1.7.4 文件

1.8 利用网络系统和其他系统通信

1.9 下一步

1.10 小结

参考文献说明

第2章 信息的表示和处理

2.1 信息存储

2.2 整数表示

2.3 整数运算

2.4 浮点

2.5 小结

参考文献说明

家庭作业

练习题答案

第3章 程序的机器级表示

3.1 历史观点

3.2 程序编码

3.3 数据格式

3.4 访问信息

3.5 算术和逻辑 *** 作

3.6 控制

3.7 过程

3.8 数组分配和访问

3.9 异类的数据结构

3.10 对齐（alignment）

3.11 综合：理解指针

3.12 现实生活：使用GDB调试器

3.13 存储器的越界引用和缓冲区溢出

3.14 *浮点代码

3.15 *在C程序中嵌入汇编代码

3.16 小结

第4章 处理器体系结构

4.1 Y86指令集体系结构

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL 271

4.3 Y86的顺序（sequential）实现

4.4 流水线的通用原理

4.5 Y86的流水线实现

4.6　小结

第5章 优化程序性能

5.1 优化编译器的能力和局限性

5.2 表示程序性能

5.3 程序示例

5.4 消除循环的低效率

5.5 减少过程调用

5.6 消除不必要的存储器引用

5.7 理解现代处理器

5.8 降低循环开销

5.9 转换到指针代码

5.10 提高并行性

5.11 综合：优化合并代码的效果小结

5.12 分支预测和预测错误处罚

5.13 理解存储器性能

5.14 现实生活：性能提高技术

5.15 确认和消除性能瓶颈

5.16 小结

第6章 存储器层次结构

6.1 存储技术

6.2 局部性

6.3 存储器层次结构

6.4 高速缓冲存储器

6.5 编写高速缓存友好的代码

6.6 综合：高速缓存对程序性能的影响

6.7 综合：利用你程序中的局部性

6.8 小结

参考文献说明

家庭作业

练习题答案

第7章　链接

7.1　编译器驱动程序

7.2　静态链接

7.3　目标文件

7.4　可重定位目标文件

7.5　符号和符号表

7.6　符号解析

7.7　重定

7.8　可执行目标文件

7.9　加载可执行目标文件

7.10　动态链接共享库

7.11　从应用程序中加载和链接共享库

7.12　*与位置无关的代码（PIC）

7.13　处理目标文件的工具

7.14　小结

第8章 异常控制流

8.1　异常

8.2　进程

8.3　系统调用和错误处理

8.4　进程控制

8.5　信号

8.6　非本地跳转

8.7　 *** 作进程的工具

8.8　小结

第9章 测量程序执行时间

9.1　计算机系统上的时间流

9.2　通过间隔计数（interval counting）来测量时间

9.3　周期计数器

9.4　用周期计数器来测量程序执行时间

9.5　于gettimeofday函数的测量

9.6　综合：一个实验协议

9.7　展望未来

9.8　现实生活：K次最优测量方法

9.9　得到的经验教训

9.10　小结

第10章 虚拟存储器

10.1　物理和虚拟寻址

10.2　地址空间

10.3　VM作为缓存的工具

10.4 VM作为存储器管理的工具

10.5 VM作为存储器保护的工具

10.6 地址翻译

10.7 案例研究：Pentium/Linux存储器系统

10.8 存储器映射

10.9 动态存储器分配

10.10 垃圾收集

10.11 C程序中常见的与存储器有关的错误

10.12扼要重述一些有关虚拟存储器的关键概念

10.13 小结

第11章 系统级I/O

11.1 Unix I/O

11.2 打开和关闭文件

11.3 读和写文件

11.4 用RIO包进行健壮地读和写

11.5 读取文件元数据

11.6 共享文件

11.7 I/O重定向

11.8 标准I/O

11.9 综合：我该使用哪些I/O函数？

11.10 小结

第12章 网络编程

12.1 客户端-服务器编程模型

12.2 网络

12.3 全球IP因特网

12.4 套接字接口

12.5 Web服务器

12.6 综合：TINY Web服务器

12.7 小结

第13章 并 发 编 程

13.1 基于进程的并发编程

13.2 基于I/O 多路复用的并发编程

13.3 基于线程的并发编程

13.4 多线程程序中的共享变量

13.5 用信号量同步线程

13.6 综合：基于预线程化的并发服务器

13.7 其他并发性问题

13.8 小结

参考文献说明

家庭作业习题

练习题答案

附录A 处理器控制逻辑的 HCL描述

A.1 HCL参考手册

A.2 SEQ

A.3 SEQ+

A.4 PIPE

附录B 错 误 处 理

B.1 Unix系统中的错误处理

B.2 错误处理包装函数

B.3 csapp.h头文件

B.4 csapp.c源文件

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