計算機系統實踐教程：基於x86+Linux平臺

蘇豐 現任南京大學計算機學院副教授。承擔“計算機系統基礎”“計算機網絡”等課程的教學工作， “101計劃”計算機系統導論課程及虛擬教研室建設牽頭單位主要成員，主持 產學合作協同育人項目“計算機系統導論編程與調試實踐”，作為主編之一編寫出版《計算機系統導論實踐教程》。研究領域為多媒體計算和計算機視覺，主持或參與承擔多項 和江蘇省自然科學基金項目，發表科研論文50余篇。獲 自然科學獎二等獎一項、江蘇省教學成果獎二等獎一項，參與主講的“計算機系統基礎”課程獲選江蘇省線下 課程。<br />汪亮 現任南京大學計算機學院、計算機軟件新技術全國重點實驗室副教授，博士生導師。主要從事軟件方法學、群體智能以及計算機教育相關研究工作。主持 自然科學基金青年項目、面上項目，參與科技創新2030“新一代人工智能”重大項目等多項 項目。2024年度南京市中青年拔尖人才、微軟學者、南京大學“十百千”百層次課程青年教師代表，獲得2019年度南京大學 教學團隊獎、2017年度江蘇省教學成果二等獎、2020年度南京大學魅力導師獎、2021年度和2023年度南京大學計算機學院本科畢業生“我心目中的好課程”等校級和省部級獎項。發表教育和科研論文40余篇，獲得發明專利授權10余項。<br />劉傑 現任南京大學計算機學院助理研究員，獲得南京大學計算機學院本科、碩士和博士學位。目前承擔“計算機系統基礎”課程教學工作，主要負責該課程綜合實驗。研究方向為計算機視覺、圖像視頻的覆原與增強等。主持 自然科學基金青年項目和江蘇省自然科學基金青年項目，作為骨幹參與 重點研發項目。以 作者或通訊作者在CVPR、ICCV、ECCV、ACM MM、AAAI、IJCAI等高水平會議上發表論文十余篇，榮獲2020年ECCV高效圖像超分辨率挑戰賽 。 <br /> 王慧妍 現任南京大學軟件學院助理教授。承擔“計算機系統基礎”課程教學三年，主要負責該課程綜合實驗。主要研究方向為智能化軟件工程、泛在操作系統數據保障以及軟件輔助工具鏈研究等。在TSE、ICSE、ESEC/FSE、ISSRE等 外 期刊或會議上發表學術論文10余篇，獲2023年度江蘇省計算機學會 博士學位論文獎。擔任ICSE 2025、SANER 2024、ASE 2023等會議程序委員會成員與TOSEM、TSE等 期刊審稿專家。主持 自然科學基金青年項目與江蘇省青年基金項目，參與 重點研發計劃課題與自然科學基金重點項目等。<br />朱光輝 南京大學計算機學院特聘研究員、助理教授，江蘇省計算機學會優博，江蘇省“雙創博士”，華為“難題揭榜”火花獎獲得者，英特爾中國學術英才計劃榮譽學者， -華為“智能基座”先鋒教師、產教融合協同育人基地 課件獎勵計劃獲得者，南京大學“師德師風” 團隊核心成員。長期從事“計算機系統基礎”“大數據處理綜合實驗”“智能計算系統”等系統類課程教學工作，作為主編之一編寫出版“101計劃”核心教材和江蘇“十四五”普通高等教育本科省級規劃教材——《計算機系統：基於x86+Linux平臺》。研究方向為大數據與智能計算，在 外 會議/期刊發表高水平論文30余篇，主持 自然科學基金項目、江蘇省自然科學基金項目、江蘇省科技廳重點研發計劃課題、之江實驗室開放課題、 產學合作協同育人項目以及企業橫向合作項目多項，研究成果在 人工智能自動化AI建模大賽中6次獲得前三名，並榮獲第五屆中國“互聯網+”創新創業大賽全國金獎，相關技術已落地應用於華為、奇虎360等IT企業。

目 錄<br />出版說明<br />前言<br />第一部分 基礎級驗證實驗<br />第1章 實驗系統的安裝和工具軟件<br />的使用 2<br />實驗1 實驗系統的安裝和配置 2<br />實驗2 常用命令和工具軟件的使用 16<br />第2章 程序調試命令和指令系統基礎 25<br />實驗1 程序調試命令 25<br />實驗2 IA-32指令系統基礎 30<br />*實驗3 在C程序中嵌入匯編指令 37<br />第3章 數據的機器級表示實驗 45<br />實驗1 整型數據的真值與機器數 45<br />實驗2 浮點型數據的真值與機器數 50<br />實驗3 數據的寬度與存放順序 57<br />實驗4 不同整型數據之間的轉換 62<br />實驗5 整型數據與浮點型數據之間<br />的轉換 70<br />第4章 數據的基本運算實驗 76<br />實驗1 整數加減運算 76<br />實驗2 整數乘運算 85<br />實驗3 整數除運算 92<br />實驗4 浮點數運算 101<br />第5章 程序的機器級表示實驗 109<br />實驗1 過程調用的實現和棧幀結構 109<br />實驗2 流程控制語句的實現 119<br />實驗3 覆雜數據類型的分配和訪問 127<br />*實驗4 緩沖區溢出攻擊 133<br />*實驗5 x86-64架構中程序的機器級表示 150<br />第二部分 模塊級分析實驗<br />第6章 二進制程序分析與逆向工程 160<br />實驗1 字符串比較 161<br />實驗2 浮點數的表示 164<br />實驗3 循環控制語句 167<br />實驗4 選擇–分支控制語句 171<br />實驗5 過程的遞歸調用 175<br />實驗6 數組類型變量的處理 180<br />實驗7 指針類型變量的處理 186<br />實驗8 結構體類型變量與鏈表的處理 194<br />第7章 緩沖區溢出攻擊 202<br />實驗1 獲得對程序的控制 206<br />實驗2 植入攻擊代碼 211<br />實驗3 模擬過程調用 217<br />實驗4 應對棧地址隨機化 224<br />實驗5 ROP攻擊 232<br />第8章 程序鏈接與ELF目標文件 241<br />實驗1 數據與ELF數據節 243<br />實驗2 指令與ELF代碼節 248<br />實驗3 符號解析 256<br />實驗4 switch語句與鏈接 260<br />實驗5 重定位 269<br />實驗6 位置無關代碼 286<br />第三部分 系統級設計實驗<br />第9章 實驗工具和實驗環境設置 302<br />9.1 方案1：下載並運行Docker鏡像 302<br />9.2 方案2：導入虛擬機 303<br />9.3 方案3：安裝並配置虛擬機 303<br />9.4 瀏覽框架代碼 305<br />9.5 線上資源 306<br />第10章 數據表示和運算的模擬 307<br />10.1 PA1–1通用寄存器和主存的模擬 307<br />10.2 PA1–2整數的表示和運算 310<br />10.3 PA1–3浮點數的表示和運算 313<br />第11章 程序加載執行的模擬 319<br />11.1 PA2–1指令解碼與執行 319<br />11.2 PA2–2 Kernel加載ELF文件 333<br />第12章 存儲系統的模擬 338<br />12.1 PA3–1高速緩存的模擬 338<br />12.2 PA3–2實現分段機制 340<br />12.3 PA3–3實現分頁機制 346<br />第13章 異常/中斷與I/O子系統<br />的模擬 351<br />13.1 PA4–1異常和中斷的處理 351<br />13.2 PA4–2外設與I/O處理 356<br />*13.3 PA4–3可選任務：遊戲移植 361<br />第四部分 高階綜合編程與分析實驗<br />第14章 堆棧的使用及堆分配器<br />的實現 366<br />*實驗1 堆空間的使用 366<br />*實驗2 堆分配器的實現 372<br />*實驗3 運行時棧的使用 379<br />第15章 程序正確性與程序性能優化 390<br />*實驗1 大整數的乘及取模運算 390<br />*實驗2 x86-64內聯匯編 393<br />*實驗3 程序性能調優 398<br />第16章 網絡編程與並發編程 404<br />*實驗1 基於客戶–服務器模式的遠程<br />計算器 404<br />*實驗2 基於並發編程的遠程計算器 408<br />*實驗3 基於線程池的遠程計算器性能<br />優化 411