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[C++语言书籍][电子书籍] 代码揭秘——从C/C++的角度探秘计算机系统 DOC

楼主#
更多 发布于：2011-10-06 12:38

本书从程序设计角度出发，以C/C++为描述语言，以Visual C++为形式工具，将隐藏在代码背后的关于计算机组成原理、计算机操作系统等方面的机制和知识娓娓道来，不仅让读者知其然，更要让读者知其所以然。并让这些知识再反作用于编程实践，从而帮助读者写出更适合机器优化的高质量代码。揭开代码背后鲜为人知的秘密，具体说来，全书主要讨论了包括计算机底层编码、内存与指针、计算机指令与代码系统、函数调用的机制、多级存储系统、线程与进程的概念以及代码优化等多个方面的话题。
本书既可作为大专院校相关专业师生的教学参考书，也可供计算机及其相关领域的工程技术人员查阅之用，对于普通计算机爱好者，本书也不失为帮助他们理解计算机底层机制的一本深入浅出的计算机读物。
谈谈“如何选书” ——代序
现在文化产业蓬勃发展，图书出版业也呈现百家争鸣、百花齐放的态势。写书的人多了，书店里的书也多了。读者可选择的空间更大了，但读者淘到一本好书的难度也大了。作者抱怨着写本好书真难啊，读者也对歌似的叫嚷道找到一本好书真不容易啊。在读者正式下决心去买这本书之前，我想从一个读者的角度来和大家谈谈“如何选择一本好书”这个问题。
首先读者应该明确的一个问题是：一本技术类或者科普类的书籍之所以存在，必然有它的道理，毕竟知识本身没有优劣好坏之分，只是看这些知识适不适合你。别人认为好的书对于你来说未必好，这个阶段对你作用大的书未必对你永远都有那么大的作用。本文之前曾在笔者博客上发表过，很多网友都觉得此文之言较为中肯，很具参考意义。唯独这句貌似表述“书籍没有好坏之分，只有适不适合你”之意的句子稍稍引起了一些争议。对此我想说的是，一方面，我的原句是“知识没有优劣好坏”而非“书籍没有好坏”，所以理解上还应对我的话做进一步的思辨。另一方面，这也是一个态度问题。尽管目前图书市场的确存在良莠不齐的现象，但如果你最开始就以一种批判的态度去审视手中的书，那试问即使书中有黄金，恐怕你也都会视而不见了吧。况且买书的人是你自己，你也当然应该勇于为自己的行为承担责任啊。所以我希望下面的文字能够对正在阅读本书的读者有所启迪，帮助他们擦亮眼睛，选出真正适合自己的好书。
选书还是得先看看书名、前言和目录之类的东西。我曾经写过一本名叫《Visual C++ 数字图像处理开发入门与编程实践》的书，有的读者写信夸奖说“这书挺好，内容通俗易懂，实例丰富详尽”；而有的读者则批评说这书“太令人失望了，内容太简单，没深度”。书名已经点明“开发入门”，这表明这本书就是面向初学者的一本入门书，如果名叫“入门”，内容却讳莫如深，恐怕有点挂羊头卖狗肉的嫌疑了吧。所以买书还是要先看好书名，看看适不适合自己。当然，目前有些书的名字起得就有点让人误解。比如去年有本书叫《梦断代码》，这确实是一本不错的书，不过这名字起得就太有蛊惑力了，乍看上去总以为是讲程序编码的，但其实这本书是讲历史的！所以这时，读者就必须翻看书籍的前言和目录了。很多读者容易忽略前言和目录，这显然是不明智的。作者往往会在前言中对书籍的主要内容、谋篇布局以及读者对象等信息进行交代，这些信息能够进一步帮助你确定这本书到底适不适合你。
看前言还能获得的一个信息是这本书的参与者有多少。这个非常重要。我就曾在书店翻到一本讲编程的书，书大约有四五百页，但是参与编写书籍的人多达四十余位，真是不禁让人心底发凉。连贯性对于一本书是很重要的，前后风格不一，内容杂糅，这种书想来就让人头疼。四十个厨师炒的一盘菜，这盘菜还能吃不？
另外，如果你想踏踏实实地学好编程，最好不要买国内高校的教材。原因有三。首先，国内高校的教材往往是注重理论，里面的程序最长都不超过100行，这种书学来只能用来去考“计算机二级”之类的考试，实际的编程能力很难以这些书为基础来获得提升。其次，国内高校的计算机教授很多都长时间不编代码，实战经验匮乏，难写出紧跟技术发展又兼具实践意义的书籍。最后，大学教授挂名编书，学生实际操刀的例子屡见不鲜，这种书难保质量。又有可能出现相互抄袭的情况。例如，前不久爆出的中国工程院某院士被六名学者联名检举学术**的事件，其中一个事项就是院士主编的书涉嫌抄袭等问题。后来院士出面解释说被投诉的部分都是由其他作者执笔撰写的，毕竟一本书涉及的内容和方向较多，不可能所有专业都由一个人搞。可见在“一人主编，多人参编”的机制之下，书籍质量的控制并不那么容易，院士尚且若此，其他人更可见一斑。我在写《Visual C++ 数字图像处理开发入门与编程实践》一书时，起初翻阅了来自国内好几所大学不同的教授写的书，结果发现好多章节严重雷同，某些段落竟然一致到标点符号，真是雷死人了！
除了看书名、前言和目录，还要看看出版社和作者。这是非常重要的，有时一字之差，往往谬之千里。原来听过一则趣闻是这样说的，武侠小说大家金庸封笔已久，很多忠实读者都渴望他老人家能有再次出山的那一天。后来市场上出现了一本赫然印着“金庸新著”的书，读者买回去看完后不禁大呼上当，仔细琢磨才发现竟是作者名叫“金庸新”，而非金庸老爷爷重出江湖之“新”作。作者无疑是质量保证的最根本要素。在IT领域，国内也有很多非常优秀的作者，通常的认识是如果一个作者最开始就很负责任，那么他一般都会负责到底；但是如果一个作者最开始就不要脸，那他继续无耻下去也是很正常的。此外，一些大牌出版社还是很注重自身声誉的。出版社在对选题的把握、版面的设计以及印刷质量控制等方面都起着至关重要的作用，所以好的出版社也是优质图书的一项重要保证。
上述原则仅仅是我站在一名普通读者的角度所谈的关于如何选书的一些浅见，如果能对其他读者有所帮助和启发，我将不胜欣喜。
前 言
算下来这本书应该是我奉献给读者的第三本书了。一路写下来，自己也感觉非常庆幸，庆幸有许多读者如此地厚爱于我！更高兴地看到广大读者能够从我的书里汲取知识，获得启迪。在计算机图书的创作过程中，我不禁感慨：写一本好书不容易！更何况千里马常有，而伯乐不常有，能够让一本书找到它真正的读者同样有难度。因此我写下了后面的文字，希望这些介绍性的东西能够帮助读者理解本书要旨，明确所述内容。
本书缘起
我想有一个问题，很多读者都非常关心，那就是如何成为一名编程高手。这是以往很多读者向我写信讨教的话题。关于方法学上的问题本书附录中谈了很多，这里不再赘述。但是这里我想告诉读者的是本书能够帮助你做些什么。
通常认为一个计算机程序设计高手应当具备的条件是熟练掌握至少一门计算机程序设计语言，然后有比较扎实的数据结构与算法功底。这样，基本上他已经可以从一种比较高的视角来抽象现实问题并运用计算机来进行模拟和求解了。但是，这其实还不够，一个高效的计算机程序需要“内外兼修”。内功就是程序所使用的数据结构和算法，这是决定程序效率的根本因素；而外功就是程序编码是否符合计算机系统的口味，是否能够最大程度地调动和运用系统的资源。
这一点的作用是不容忽视的。但是由于目前很多程序员都是半路出家，没有接受过系统的计算机科学理论教育，因为他们不知道有这么回事，所以无法给予足够的重视就无可厚非了。就像古代人们不知道有细菌和病毒的存在，所以那时也就没有消毒的概念一样。
另外，我需要指出的是，很多计算机专业科班出身的学生也未必能够领悟这项“外功”的奥义。就目前中国的计算机教育来说，学校的课程设置仅仅是将各项知识独立地对待，这样对于悟性不是非常高的学生来说，在没有被点化的情况下就没有办法有机地将这么多课程串接起来。一个不能形成完整系统性的知识结构是空洞和脆弱的结构。
国外先进的计算机教育已经注意到了这一点，很多国外的大学都开设了这样一门从程序设计角度来让学生真切感受计算机组织机制和原理的课程。庆幸的是，国内很多人也已经意识到了这个问题，所以相关的课程和有关的书籍也在被逐步引入到国内。但是目前存在的一个问题是，原封不动地将国外的课程和教材搬到国内明显让这洋学问显得有点“水土不服”。
这种水土不服主要表现在三个方面。首先，这些书籍往往都是国外大学的教材，这些教材面向专业学生，这无疑将广大非专业学生和读者拒之门外了。其次，这些书是以国外大学的情况为参照而写作的，没有充分考虑中国的情况——当然，人家干嘛要考虑呀？这就让中国读者学起来非常不顺手。比如，某些例子可能是以UNIX或者Linux下的编程为基础设计的，中国绝大多数使用Windows的读者就很难完成这些实验。这极大地打击了他们继续学习的积极性和后劲。最后，引进版的书明显要比实际技术的发展老几代。现在都是多核时代了，书里可能还在讲奔腾2，这就让中国的读者只能在后面跟着人家跑，却永远没办法超越。
核心内容
基于上面的考虑我写了这样一本《代码揭秘》。或许很多人对这个名字感到困惑并充满疑问，因为直观上好像不能确定这本书的具体内容是什么。接下来我就要告诉读者这本书到底是写什么的。本书从程序设计角度出发（因为这是广大读者最熟悉、最容易接受的出发点），以C/C++为描述语言（因为这是目前最广为使用的计算机语言，另外，C/C++中像指针这样的底层特性也非常适合用来揭示系统深处的东西），以Visual C++为形式工具（因为它也是中国程序员所习惯使用的开发环境），将隐藏在代码背后的关于计算机组成原理、计算机操作系统等方面的原理和知识娓娓道来，不仅让读者知其然，更要让读者知其所以然。并让这些知识再反作用于编程实践，从而帮助读者写出更适合机器优化的高质量代码。揭开代码背后鲜为人知的秘密，让代码开口说话，告诉你一个真实的计算机，从而让你能够写出适合与计算机交流的优秀代码，这就是本书所能为你做到的。
读者对象
接下来我要回答的问题是本书为谁而写。
如果你是一名渴望在编程技艺上有所精进的程序设计爱好者，那么这本书就是助你成为编程高手的制胜法宝；
如果你是一名正苦于无法突破编程瓶颈的程序员，那么这本书就是帮你打通任督二脉的武林秘籍；
如果你是一名感觉书本知识仍然无法内化的计算机专业学生，那么本书就是替你拨云开雾、指点迷津的通天灯塔。
阅读建议
最后，我还希望和读者谈谈阅读及学习本书的建议。
第一，从整体上看全书共分9章，章节之间相关关联、层层递进，本着循序渐进的原则逐渐展开，因此阅读本书时切不可跳跃式地选读，这样非但不能领悟整个体系间的精髓，更会为进一步的阅读带来困难。特别是第2~7章尤不可拆分阅读，务必按其顺序来学习。
第二，为了帮助读者理解，书中绘制了大量图表。这些图表的作用不可小视，如果在文字理解上遇到困难，可以参照图表来学习。为了帮助读者加深理解，书中还设计了大量的实验，尽管书中给出了实验结果，但也请读者务必亲自动手实践一下这些例子，这样才能让知识凝固在你的脑中。
第三，本书所涉及的知识面比较广，在某些时候限于篇幅的考虑而未能把所有问题都展开来深入探究。对于那些并不是非常深入的知识点，如果读者有兴趣，建议读者多多查阅有关方面的资料，这样学习才能更加博文通识。
关于本书
排除前期构思和素材准备的时间，本书的写作时长也将近有一年之久。在这个过程中，笔者力求精益求精，对很多知识点再三推敲，并翻阅了大量资料和文献。这些工作和努力无非是希望能够写一本对得起读者的书。
在早先的两本书出版之后，我也收到了许多热心读者的来信，一部分人表达了对我作品的充分肯定，这当然是我所乐于见到的，能够获得来自读者的认可对于一个负责任的作者来说无疑是莫大的荣耀。而更多的人则向我问询了书中的一些问题，主要是他们在阅读过程中遇到的困难。这也是我非常高兴见到的事情，因为这让我真切地感知到确实有很多人在读我写的书。很多读者同问的一个问题是如何能够学好编程。为了回答这个问题，我特别撰写了一篇题为《浅谈编程能力的培养与提高》的文章附在本书正文之后，希望对那些仍处在迷茫之中的读者能够起到一定的帮助作用。
写一本好书真的很难，写一本没有错误的好书更是难如登天。我闻听计算机科学大师Knuth在《计算机程序设计艺术》丛书出版后也提出如果谁能够从他书中找到一个错误，就能够获得256美分的奖励，事实证明获得这项奖励的人还是大有人在的。这也客观地说明了即使作者很牛，即使作者很用心，书中出现纰漏和欠缺也的确是在所难免的事情，所以我也真心地希望广大读者能够不吝赐教和批评。不过以往的经验着实有点让我失望。给我写信的读者大有人在，但是指出我书中错误的读者却寥寥无几。我想这其中的一个非常重要的原因在于中国的教育更多地是让我们学会一味接受，而非大胆地思辨！我们太过盲从而迷信权威，只会聆听高人教诲，却不想自己思考。这对于学习来说不是一个好现象。古人云：尽信书则不如无书。我也希望广大读者能够以思辨的态度来看书，这样你将会获得更多。如果在这个过程中，读者有什么感想或者问题希望和作者交流的，欢迎给我写信，联系信箱：fzuo@yahoo.cn。
最后诚挚地祝愿每位读者都能够真正感受到编程的快乐，并在编程的路上行得更稳健，走得更长远！
目 录
第1章　绪论 1
1.1 计算机系统初探 2
1.1.1 换个角度看计算机 2
1.1.2 cpu很好很强大 4
1.2 计算机语言与编译技术 ¬8
1.2.1 如何让机器理解你 8
1.2.2 编译技术与开发环境 14
1.2.3 程序开发流程 20
1.3 C语言神话 22
1.3.1 C语言的历史 22
1.3.2 简单说说C语言的特点 23
1.4 奇迹的延续 25
1.4.1 C++的产生与发展 25
1.4.2 C++与面向对象思想 27
1.5 本章小结 31
第2章　揭开数据表示的面纱 32
2.1 进制系统 33
2.1.1 最简单的计数方式 33
2.1.2 计算机里只有黑白 34
2.1.3 压缩表示的二进制 36
2.2 位与位操作 38
2.2.1 计算机存储的单位 38
2.2.2 位操作和位段 39
2.3 计算机中的数值 48
2.3.1 一种最简单的数 48
2.3.2 现实世界需要负数 49
2.3.3 只有整数还不够 51
2.4 让计算机学会写字 56
2.4.1 ASCII码 57
2.4.2 汉字编码 59
2.4.3 更强大的编码 60
2.5 C语言基本数据类型 62
2.5.1 整型 63
2.5.2 字符型 66
2.5.3 注意浮点数陷阱 67
2.6 本章小结 71
第3章　变量与地址 72
3.1 程序都在内存中 73
3.2 很多初学者都怕指针 77
3.3 睁大眼睛看内存 81
3.4 数组与指针是近亲 84
3.5 再谈指针 93
3.6 本章小结 97
第4章　动态内存管理 98
4.1 malloc和free 99
4.2 sizeof并不复杂 101
4.3 内存操作函数 105
4.3.1 memset 105
4.3.2 memcpy和memmove 107
4.4 new和delete 109
4.5 内存错误面面观 113
4.5.1 最怕内存泄漏 113
4.5.2 小心重复释放 115
4.5.3 指针是个坏东西 117
4.5.4 超量写内存 118
4.6 使用Visual C++检查内存泄漏 120
4.7 本章小结 124
第5章　代码与指令系统 125
5.1 还原代码的本来面目 126
5.1.1 内存中的代码 126
5.1.2 指向函数的指针 131
5.1.3 CPU的存储器 136
5.1.4 寄存器变量 143
5.1.5 寄存器组举例 145
5.2 指令——简单or复杂 149
5.2.1 指令格式 149
5.2.2 操作类型 154
5.2.3 操作数类型 155
5.3 如何找到地址 156
5.3.1 下一步该做什么 156
5.3.2 计算机知道自己需要什么 165
5.4 本章小结 172
第6章　函数与函数调用 173
6.1 函数与参数 174
6.1.1 C/C++中的函数 174
6.1.2 参数传递 174
6.1.3 作用域 180
6.2 函数的递归调用 184
6.2.1 到处都是递归 184
6.2.2 小心使用递归 188
6.2.3 递归与非递归 194
6.2.4 内、外部变量分配原理 198
6.3 内存的使用 200
6.3.1 活动记录与栈 200
6.3.2 静态分配 203
6.3.3 有静就有动 205
6.4 程序在内存中的模样 217
6.5 本章小结 219
第7章　多级存储系统 221
7.1 存储系统及层级结构 222
7.1.1 存储器分类 222
7.1.2 存储器的层级结构 225
7.1.3 访问的局部性原理 227
7.1.4 再谈存储器的层级 231
7.2 高速缓存 235
7.2.1 缓存设计策略 235
7.2.2 多级缓存原理 245
7.2.3 实际编码指导 250
7.3 虚拟内存 258
7.3.1 何为虚拟内存 259
7.3.2 虚拟地址 262
7.3.3 页面请求与磁盘缓冲 269
7.3.4 工作集合与系统颠簸 274
7.3.5 虚拟内存与性能影响 276
7.4 本章小结 278
第8章　操作系统交互 279
8.1 多任务 280
8.1.1 串行与并行 280
8.1.2 多任务的实现 282
8.1.3 并发程序设计 283
8.2 进程 284
8.2.1 进程的概念 284
8.2.2 进程的状态 285
8.2.3 进程控制块 288
8.3 Win32进程编程 289
8.3.1 创建进程 289
8.3.2 环境变量 299
8.4 线程 301
8.4.1 线程的概念 301
8.4.2 多线程 302
8.4.3 超线程 303
8.4.4 线程池 304
8.5 调度 305
8.5.1 处理器的调度 305
8.5.2 调度算法准则 306
8.5.3 常见的调度算法 308
8.6 Win32线程编程 313
8.6.1 创建和退出线程 313
8.6.2 挂起和恢复线程 317
8.6.3 远程线程的注入 320
8.7 本章小结 329
第9章　瓶颈与优化 330
9.1 优化还是不优化 331
9.2 测量与分析的内容 333
9.3 测量与分析的方法 334
9.3.1 使用计时器 334
9.3.2 使用Profile 341
9.3.3 使用性能监视器 349
9.4 基本规律 350
9.4.1 二八法则 350
9.4.2 安达尔定律 351
9.5 程序优化路线 354
9.5.1 优化实践的经典案例 354
9.5.2 优化案例的启示 355
9.6 编译器不是万能的 357
9.7 实际优化建议 360
9.7.1 循环条件中的低效 361
9.7.2 注意字符串的操作 363
9.7.3 权衡函数调用需求 364
9.7.4 转换指针形式代码 366
9.7.5 检查存储器的访问 367
9.7.6 使用循环展开技术 372
9.7.7 查表替换复杂运算 375
9.7.8 耗时计算移出循环 377
9.8 本章小结 378
附录A　浅谈编程能力的培养与提高 379
附录B　程序人生 397
参考文献 414



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