自己動手做虛擬機器：解析程式語言的設計與實現（iT邦幫忙鐵人賽系列書） (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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蒼時弦也（邱政憲）

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深入探索計算機科學的奧秘：現代系統、編程語言與底層原理 （不含《自己動手做虛擬機器：解析程式語言的設計與實現（iT邦幫忙鐵人賽系列書）》相關內容） --- 第一部分：現代操作系統與內核架構 《深度解構：Linux 內核的運行機制與調優實戰》 本書聚焦於當代操作系統的基石——Linux 內核。我們將不再停留在概念層面，而是深入到代碼的實際執行路徑中，剖析其複雜的內部結構。 進程調度與上下文切換： 詳細解析完全公平調度器（CFS）的運作邏輯，探討其如何平衡系統資源分配，確保高響應性和高吞吐量。書中將包含對不同調度策略（如實時調度）的比較分析，並展示在實際生產環境中，如何透過調整內核參數（如 `sysctl` 配置）來優化特定負載的性能。我們將詳盡描述上下文切換的匯編層面細節，揭示 CPU 寄存器保存與恢復的過程，這對於理解系統調用延遲至關重要。 內存管理單元（MMU）與虛擬內存： 本章深入探討內存分頁機制，包括 TLB（Translation Lookaside Buffer）的緩衝策略、缺頁中斷（Page Fault）的處理流程，以及內核如何實現 KSM（Kernel Samepage Merging）以節省內存。我們將演示如何使用 `gdb` 附加到正在運行的進程，追蹤其虛擬地址到物理地址的映射過程，從而診斷內存訪問異常。 I/O 子系統與異步操作： 涵蓋現代 I/O 棧的演變，從傳統的塊設備層到高性能的 I/O 引擎。重點分析 `io_uring` 框架，解釋其相較於傳統 AIO（異步 I/O）在延遲和資源消耗上的巨大優勢。書中會通過實例代碼展示如何構建高效的非阻塞 I/O 服務，以及如何使用 eBPF 工具來監控和分析 I/O 性能瓶頸。 文件系統的內部構造： 探討 ext4、XFS 等主流文件系統的日誌機制、索引節點（inode）結構、數據塊分配策略。我們將展示文件系統在遭遇突發斷電時，如何利用寫前日誌（Write-Ahead Logging）保證數據一致性，並分析如何調整文件系統掛載選項以適應不同的工作負載（如數據庫或大文件存儲）。 --- 第二部分：高性能計算與並行編程 《鑄就速度：多核架構下的並行與同步原語詳解》 在處理大規模數據和複雜計算的時代，掌握並行編程是核心技能。本書專注於如何安全、高效地利用現代 CPU 的多核能力。 線程同步的陷阱與解決方案： 不僅僅介紹 Mutex 和 Semaphore，而是深入探討無鎖（Lock-Free）數據結構的設計原理。我們將詳細分析 CAS（Compare-and-Swap）操作的底層實現，並探討如何利用它構建高效的隊列、棧和哈希表。書中將通過實際案例，指出淺層並發模型中常見的死鎖、活鎖和驚奇放棄（Starvation）問題，並提供對應的診斷工具和修復方案。 內存模型與一致性： 這是理解並行程序正確性的關鍵。本書將基於 C++11/17 的內存模型（C++ Memory Model），解釋 `volatile` 的局限性，並著重講解 `std::atomic` 的不同順序（Sequentially Consistent, Relaxed, Acquire/Release）。通過分析 x86-TSO（Total Store Order）架構的特性，讀者將能夠準確預測多線程代碼的行為，避免編譯器和 CPU 亂序執行帶來的不可預測性。 向量化與 SIMD 優化： 探討如何利用現代 CPU 的單指令多數據（SIMD）擴展（如 SSE, AVX2, AVX-512）來加速數據密集型計算。書中將結合 intrinsics 函數庫，演示如何將傳統的循環結構重寫為向量操作，從而實現數倍的性能提升。這部分內容特別適合於圖像處理、信號分析和科學計算領域的開發者。 分佈式計算框架基礎： 簡要介紹 MapReduce 和 Spark 等框架的設計哲學，重點在於討論數據分區（Partitioning）、數據傾斜（Skew）的處理機制，以及容錯性如何通過數據冗餘和檢查點（Checkpointing）來實現。 --- 第三部分：編譯器設計與中間表示（IR） 《從源碼到機器：現代編譯器的優化階段與代碼生成》 理解編譯器如何將人類可讀的代碼轉化為高效的機器指令，是掌握計算機系統性能極限的必經之路。本書以 LLVM/Clang 架構為核心範例，探討這一轉化過程的各個階段。 詞法分析與語法分析的現代方法： 回顧經典的 NFA/DFA 構建過程，並介紹如何使用如 ANTLR 或自定義的解析生成器來處理複雜的語言結構。重點在於抽象語法樹（AST）的構建，及其如何作為後續優化階段的基礎數據結構。 中間表示（IR）的深度解析： 詳盡剖析 LLVM 的 SSA（Static Single Assignment）形式 IR。解釋 SSA 如何極大地簡化優化過程，並展示如死代碼消除（Dead Code Elimination）、常量折疊（Constant Folding）和拷貝傳播（Copy Propagation）等優化是如何在 IR 層級實現的。讀者將學習如何使用 LLVM 的 API 構造自己的 IR 轉換通道。 優化階段的藝術： 本部分將系統梳理常見的機器無關優化（Machine-Independent Optimization）和機器相關優化（Machine-Dependent Optimization）。深入探討循環展開（Loop Unrolling）、內聯（Inlining）決策的成本效益分析，以及如何利用數據流分析和控制流圖（CFG）來指導優化決策。 代碼生成與指令選擇： 講解如何將優化後的 IR 映射到特定的目標機器指令集。重點關注寄存器分配的複雜性，以及如何利用圖著色算法（Graph Coloring Algorithm）來最大化寄存器使用效率，從而最小化昂貴的內存訪問。 --- 第四部分：嵌入式系統與底層硬件交互 《裸機開發與硬件抽象層（HAL）的構建》 本書將帶領讀者跳出操作系統的保護層，直接與硬件進行交互，深入理解資源受限環境下的程序設計。 啟動序列與引導加載： 追蹤從按下電源按鈕到第一個用戶級程序執行的完整鏈條。詳細分析 UEFI/BIOS（或 ARM 的 Boot ROM）如何初始化基礎硬件，以及引導加載程序（Bootloader）如何將內核映像從存儲器加載到內存中，並設置初始的 CPU 模式和堆棧。 中斷處理與定時器： 詳解中斷描述符表（IDT）或向量表（Vector Table）的設置，以及中斷服務例程（ISR）的編寫原則。我們將通過編寫基本的實時操作系統（RTOS）計時器驅動程序，展示如何精確控制程序的時間行為，並確保 ISR 的快速、原子性執行。 設備驅動模型： 探討現代操作系統中設備驅動程序的結構，例如 Linux 字符設備模型或 Windows WDM 概念。讀者將學會如何設計一個簡單的總線（如 SPI 或 I2C）的抽象層，使得上層應用無需關心具體的硬件寄存器操作，從而提高代碼的可移植性。 資源受限下的數據結構： 討論在內存極度受限的嵌入式環境中，如何優化數據結構的使用。例如，探討定長隊列、位域（Bit Fields）的使用，以及如何避免堆（Heap）的碎片化問題，確保系統的長期穩定運行。 --- 總結：融會貫通 這套系列書籍旨在提供一個從上層應用邏輯到最底層硬件執行的全景視圖。它強調的不是單一工具的熟練使用，而是對計算機系統工作原理的內在理解。通過對內核、編譯器、並行計算和嵌入式系統的深入探討，讀者將能以更優化的視角設計軟件，真正理解程序在硅片上是如何被執行的。