计算机底层的秘密

本书以图解的方式通俗易懂的讲解计算机系统中各项技术的本质，包括编程语言的本质是什么、操作系统、进程线程协程等的本质是什么、到底什么是内存、什么是堆区栈区、内存分配等是怎么一回事、怎样从晶体管构建出CPU、I/O是如何实现的等等，从根源出发，一步步讲解一项技术到底是怎么来的，同时内容可视化——辅助大量精心设计的插图，几乎做到了平均一页有一图，把对技术的理解门槛降到。

陆小风（@码农的荒岛求生），硕士毕业于北京航空航天大学计算机学院，先后就职于VMware和，具有多年软件系统研发经验，擅长用通俗易懂的语言讲解计算机技术。

第 1 章 从编程语言到可执行程序，这是怎么一回事 / 1 
1.1 假如你来发明编程语言 / 2 
1.1.1 创世纪： CPU 是个聪明的笨蛋 / 3 
1.1.2 汇编语言出现了 / 3 
1.1.3 底层的细节 vs 高层的抽象 / 4 
1.1.4 套路满满：高级编程语言的雏形 / 6 
1.1.5 《盗梦空间》与递归：代码的本质 / 7 
1.1.6 让计算机理解递归 / 9 
1.1.7 优秀的翻译官：编译器 / 9 
1.1.8 解释型语言的诞生 / 10 
1.2 编译器是如何工作的 / 12 
1.2.1 编译器就是一个普通程序，没什么大不了的 / 12 
1.2.2 提取出每一个符号 / 13 
1.2.3 token 想表达什么含义 / 14 
1.2.4 语法树是不是合理的 / 14 
1.2.5 根据语法树生成中间代码 / 15 
1.2.6 代码生成 / 15 
1.3 链接器不能说的秘密 / 16 
1.3.1 链接器是如何工作的 / 17 
1.3.2 符号决议：供给与需求 / 18 
1.3.3 静态库、动态库与可执行文件 / 20 
1.3.4 动态库有哪些优势及劣势 / 25 
1.3.5 重定位：确定符号运行时地址 / 27 
1.3.6 虚拟内存与程序内存布局 / 29 
1.4 为什么抽象在计算机科学中如此重要 / 32 
1.4.1 编程与抽象 / 32 
1.4.2 系统设计与抽象 / 33 
1.5 总结 / 34 

第 2 章 程序运行起来了，可我对其一无所知 / 35 
2.1 从根源上理解操作系统、进程与线程 / 36 
2.1.1 一切要从 CPU 说起 / 36 
2.1.2 从 CPU 到操作系统 / 37 
2.1.3 进程很好，但还不够方便 / 40 
2.1.4 从进程演变到线程 / 41 
2.1.5 多线程与内存布局 / 44 
2.1.6 线程的使用场景 / 44 
2.1.7 线程池是如何工作的 / 45 
2.1.8 线程池中线程的数量 / 46 
2.2 线程间到底共享了哪些进程资源 / 47 
2.2.1 线程私有资源 / 47 
2.2.2 代码区：任何函数都可放到线程中执行 / 49 
2.2.3 数据区：任何线程均可访问数据区变量 / 49 
2.2.4 堆区：指针是关键 / 50 
2.2.5 栈区：公共的私有数据 / 50 
2.2.6 动态链接库与文件 / 52 
2.2.7 线程局部存储： TLS / 53 
2.3 线程安全代码到底是怎么编写的 / 55 
2.3.1 自由与约束 / 55 
2.3.2 什么是线程安全 / 56 
2.3.3 线程的私有资源与共享资源 / 57 
2.3.4 只使用线程私有资源 / 58 
2.3.5 线程私有资源 函数参数 / 58 
2.3.6 使用全局变量 / 60 
2.3.7 线程局部存储 / 61 
2.3.8 函数返回值 / 62 
2.3.9 调用非线程安全代码 / 63 
2.3.10 如何实现线程安全代码 / 64 
2.4 程序员应如何理解协程 / 65 
2.4.1 普通的函数 / 65 
2.4.2 从普通函数到协程 / 66 
2.4.3 协程的图形化解释 / 68 
2.4.4 函数只是协程的一种特例 / 69 
2.4.5 协程的历史 / 69 
2.4.6 协程是如何实现的 / 70 
2.5 彻底理解回调函数 / 71 
2.5.1 一切要从这样的需求说起 / 72 
2.5.2 为什么需要回调 / 73 
2.5.3 异步回调 / 74 
2.5.4 异步回调带来新的编程思维 / 75 
2.5.5 回调函数的定义 / 77 
2.5.6 两种回调类型 / 78 
2.5.7 异步回调的问题：回调地狱 / 79 
2.6 彻底理解同步与异步 / 80 
2.6.1 辛苦的程序员 / 80 
2.6.2 打电话与发邮件 / 81 
2.6.3 同步调用 / 83 
2.6.4 异步调用 / 84 
2.6.5 同步、异步在网络服务器中的应用 / 86 
2.7 哦！对了，还有阻塞与非阻塞 / 91 
2.7.1 阻塞与非阻塞 / 92 
2.7.2 阻塞的核心问题： I/O / 92 
2.7.3 非阻塞与异步 I/O / 93 
2.7.4 一个类比：点比萨 / 94 
2.7.5 同步与阻塞 / 95 
2.7.6 异步与非阻塞 / 96 
2.8 融会贯通：高并发、高性能服务器是如何实现的 / 97 
2.8.1 多进程 / 97 
2.8.2 多线程 / 98 
2.8.3 事件循环与事件驱动 / 99 
2.8.4 问题 1 ：事件来源与 I/O 多路复用 / 100 
2.8.5 问题 2：事件循环与多线程 / 101 
2.8.6 咖啡馆是如何运作的： Reactor 模式 / 102 
2.8.7 事件循环与 I/O / 103 
2.8.8 异步与回调函数 / 103 
2.8.9 协程：以同步的方式进行异步编程 / 106 
2.8.10 CPU、线程与协程 / 107 
2.9 计算机系统漫游：从数据、代码、回调、闭包到容器、虚拟机 / 108 
2.9.1 代码、数据、变量与指针 / 108 
2.9.2 回调函数与闭包 / 110 
2.9.3 容器与虚拟机技术 / 112 
2.10 总结 / 114 

第 3 章 底层？就从内存这个储物柜开始吧 / 115 
3.1 内存的本质、指针及引用 / 116 
3.1.1 内存的本质是什么？储物柜、比特、字节与对象 / 116 
3.1.2 从内存到变量：变量意味着什么 / 117 
3.1.3 从变量到指针：如何理解指针 / 120 
3.1.4 指针的威力与破坏性：能力与责任 / 122 
3.1.5 从指针到引用：隐藏内存地址 / 123 
3.2 进程在内存中是什么样子的 / 124 
3.2.1 虚拟内存：眼见未必为实 / 125 
3.2.2 页与页表：从虚幻到现实 / 125 
3.3 栈区：函数调用是如何实现的 / 127 
3.3.1 程序员的好帮手：函数 / 128 
3.3.2 函数调用的活动轨迹：栈 / 128 
3.3.3 栈帧与栈区：以宏观的角度看 / 130 
3.3.4 函数跳转与返回是如何实现的 / 131 
3.3.5 参数传递与返回值是如何实现的 / 133 
3.3.6 局部变量在哪里 / 134 
3.3.7 寄存器的保存与恢复 / 134 
3.3.8 Big Picture：我们在哪里 / 134 
3.4 堆区：内存动态分配是如何实现的 / 136 
3.4.1 为什么需要堆区 / 136 
3.4.2 自己动手实现一个 malloc 内存分配器 / 137 
3.4.3 从停车场到内存管理 / 138 
3.4.4 管理空闲内存块 / 139 
3.4.5 跟踪内存分配状态 / 141 
3.4.6 怎样选择空闲内存块：分配策略 / 142 
3.4.7 分配内存 / 144 
3.4.8 释放内存 / 146 
3.4.9 高效合并空闲内存块 / 149 
3.5 申请内存时底层发生了什么 / 150 
3.5.1 三界与 CPU 运行状态 / 150 
3.5.2 内核态与用户态 / 151 
3.5.3 传送门：系统调用 / 152 
3.5.4 标准库：屏蔽系统差异 / 153 
3.5.5 堆区内存不够了怎么办 / 154 
3.5.6 向操作系统申请内存： brk / 155 
3.5.7 冰山之下：虚拟内存才是终极 BOSS / 156 
3.5.8 关于分配内存完整的故事 / 156 
3.6 高性能服务器内存池是如何实现的 / 157 
3.6.1 内存池 vs 通用内存分配器 / 158 
3.6.2 内存池技术原理 / 158 
3.6.3 实现一个极简内存池 / 159 
3.6.4 实现一个稍复杂的内存池 / 160 
3.6.5 内存池的线程安全问题 / 161 
3.7 与内存相关的经典 bug / 162 
3.7.1 返回指向局部变量的指针 / 163 
3.7.2 错误地理解指针运算 / 163 
3.7.3 解引用有问题的指针 / 164 
3.7.4 读取未被初始化的内存 / 165 
3.7.5 引用已被释放的内存 / 166 
3.7.6 数组下标是从 0 开始的 / 167 
3.7.7 栈溢出 / 167 
3.7.8 内存泄漏 / 168 
3.8 为什么 SSD 不能被当成内存用 / 169 
3.8.1 内存读写与硬盘读写的区别 / 169 
3.8.2 虚拟内存的限制 / 171 
3.8.3 SSD 的使用寿命问题 / 171 
3.9 总结 / 171 

第 4 章 从晶体管到 CPU，谁能比我更重要 / 173 
4.1 你管这破玩意叫 CPU / 174 
4.1.1 伟大的发明 / 174 
4.1.2 与、或、非： AND 、OR、NOT / 174 
4.1.3 道生一、一生二、二生三、三生万物 / 175 
4.1.4 计算能力是怎么来的 / 175 
4.1.5 神奇的记忆能力 / 176 
4.1.6 寄存器与内存的诞生 / 177 
4.1.7 硬件还是软件？通用设备 / 178 
4.1.8 硬件的基本功：机器指令 / 179 
4.1.9 软件与硬件的接口：指令集 / 179 
4.1.10 指挥家，让我们演奏一曲

本书以图解的方式通俗易懂的讲解计算机系统中各项技术的本质，包括编程语言的本质是什么、操作系统、进程线程协程等的本质是什么、到底什么是内存、什么是堆区栈区、内存分配等是怎么一回事、怎样从晶体管构建出CPU、I/O是如何实现的等等，从根源出发，一步步讲解一项技术到底是怎么来的，同时内容可视化——辅助大量精心设计的插图，几乎做到了平均一页有一图，把对技术的理解门槛降到。

陆小风（@码农的荒岛求生），硕士毕业于北京航空航天大学计算机学院，先后就职于VMware和，具有多年软件系统研发经验，擅长用通俗易懂的语言讲解计算机技术。