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코드 아래 숨겨진 아름답고 놀라운 컴퓨터 아키텍처 대탐험

컴퓨터 시스템은 바다와 비슷합니다. 현대 생명의 기원이 원시 바다 깊은 곳에서 시작됐다고 여겨지듯, 현대의 프로그래밍도 초기 컴퓨터 아키텍처에서 처음 시작됐습니다. 최초의 프로그래머들은 최초의 컴퓨터의 하드웨어 다이어그램을 연구하여 최초의 프로그램을 만들었습니다. 위에서 보면 어둡고 위험해 보이지만, 수면 아래에서 아름답고 놀라운 세계가 펼쳐지는 바다처럼 코드 아래 숨겨진 아름답고 놀라운 컴퓨터 아키텍처를 만나봅시다.

이 책은 C 프로그래밍부터 아키텍처 기초, 어셈블리 언어, 멀티스레딩 등 컴퓨터 시스템과 관련한 다양한 주제를 다룹니다. 컴퓨터 시스템과 여러 시스템이 공통으로 가진 주제, 시스템에서 효율적으로 실행되도록 프로그램을 설계하는 방법을 소개해 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 방식을 이해하도록 돕습니다. 컴퓨터 시스템을 탐구하는 여정에 첫발을 내디뎌봅시다.

효율적인 프로그램을 추구하는 개발자를 위한 컴퓨터 과학 안내서

이 책은 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 방식을 이해할 수 있도록 컴퓨터 시스템 입문 또는 컴퓨터 구조와 같은 컴퓨터 과학의 중급 주제를 주로 다룬다. C 언어로 프로그래밍하는 표면부터 회로가 돌아가는 깊은 바닥까지 한 꺼풀씩 벗겨보며 효율적인 프로그램을 설계하는 데 꼭 필요한 컴퓨터 과학 지식만을 정리해 소개한다. 컴퓨터를 여러 계층으로 나누어 살펴보며 컴퓨터가 회로에서 프로그램을 실행하는 방법과 프로그램의 성능 평가 방법, 병렬 프로그램 작성법 같은 의문을 해결하면 더 효율적인 프로그램을 만들 수 있게 될 것이다.

대상 독자
● 내가 짠 프로그램이 어떻게 실행되는지 궁금한 프로그래밍 입문자
● 시스템 프로그래밍, OS 등 전공 관련 배경 지식이 맛보고 싶은 대학생
● 더 효율적인 프로그램을 설계하고 싶은 주니어 개발자

배우는 내용
● 고수준 언어부터 바이너리 표현, 회로 단계까지 컴퓨터가 프로그램을 실행하는 방법
● C와 어셈블리 언어로 프로그래밍하는 방법
● 컴퓨터 시스템이 프로그램 성능에 미치는 영향
● pthread를 사용하여 공유 메모리 병렬 프로그램을 구현하는 방법

Chapter 0 시작하며
_0.1 컴퓨터 시스템이란 무엇인가?
_0.2 현대의 컴퓨터 시스템은 어떤 모습일까?
_0.3 이 책에서 배울 내용
_0.4 이 책을 시작하기에 앞서
__0.4.1 리눅스, C 및 GNU 컴파일러
__0.4.2 기타 표기법과 설명선

PART I C 프로그래밍 언어

Chapter 1 C 프로그래밍 기초
_1.1 C 프로그래밍 시작하기
__1.1.1 C 프로그램의 컴파일과 실행
__1.1.2 변수와 C의 숫자 타입
__1.1.3 C의 데이터 타입
_1.2 입력과 출력
__1.2.1 printf
__1.2.2 scanf
_1.3 조건문과 반복문
__1.3.1 C의 부울값
__1.3.2 C의 반복문
_1.4 함수
__1.4.1 스택
_1.5 배열과 문자열
__1.5.1 배열 소개
__1.5.2 배열 접근 방법
__1.5.3 배열과 함수
__1.5.4 문자열과 C 문자열 라이브러리 소개
_1.6 구조체
__1.6.1 구조체 타입의 정의
__1.6.2 구조체 타입의 변수 선언
__1.6.3 필드 값 접근
__1.6.4 함수에 구조체 전달
_1.7 정리

Chapter 2 C 프로그래밍 심화
_2.1 프로그램 메모리와 범위
_2.2 C의 포인터 변수
__2.2.1 포인터 변수
_2.3 포인터와 함수
_2.4 동적 메모리 할당
__2.4.1 힙 메모리
__2.4.2 malloc과 free
__2.4.3 동적 할당된 배열과 문자열
__2.4.4 힙 메모리와 함수를 위한 포인터
_2.5 C의 배열
__2.5.1 1차원 배열
__2.5.2 2차원 배열
_2.6 문자열과 문자열 라이브러리
__2.6.1 정적으로 할당된 문자열(문자 배열)
__2.6.2 동적으로 문자열 할당
__2.6.3 C 문자열과 문자를 조작하기 위한 라이브러리
_2.7 C 구조체
__2.7.1 C struct 타입 리뷰
__2.7.2 포인터와 구조체
__2.7.3 구조체의 포인터 필드
__2.7.4 구조체 배열
__2.7.5 자기 참조 구조체
_2.8 C의 입출력(표준 및 파일)
__2.8.1 표준 입출력
__2.8.2 파일 입출력
__2.8.3 C에서 텍스트 파일 사용
__2.8.4 stdio.h의 표준 및 파일 I/O 함수
_2.9 일부 고급 C 기능
__2.9.1 switch 구문
__2.9.2 커맨드 라인 인수
__2.9.3 void * 타입과 타입 리캐스팅
__2.9.4 포인터 산술
__2.9.5 C 라이브러리: 사용, 컴파일, 연결
__2.9.6 나만의 C 라이브러리 작성 및 사용
__2.9.7 C를 어셈블리로 컴파일
_2.10 정리

Chapter 3 C 디버깅 도구
_3.1 GDB로 디버깅
__3.1.1 GDB 시작하기
__3.1.2 GDB 예시
_3.2 GDB 명령어의 세부 사항
__3.2.1 GDB의 키보드 단축키
__3.2.2 자주 쓰는 GDB 명령어
_3.3 발그린드로 메모리 디버깅
__3.3.1 힙 메모리 접근 오류가 있는 예시 프로그램
__3.3.2 Memcheck를 사용하는 방법
_3.4 고급 GDB 기능
__3.4.1 GDB와 make
__3.4.2 실행 중인 프로세스에 GDB 연결
__3.4.3 포크에서 프로세스 따라가기
__3.4.4 시그널 제어
__3.4.5 DDD 설정 및 버그 수정
_3.5 어셈블리 코드 디버깅
__3.5.1 GDB를 사용한 바이너리 코드 검사
__3.5.2 DDD를 사용한 어셈블리 디버깅
__3.5.3 GDB 어셈블리 디버깅 명령어 및 예시
__3.5.4 어셈블리 디버깅에서 자주 사용하는 명령어 요약
_3.6 GDB로 멀티스레드 프로그램 디버깅
__3.6.1 GDB와 Pthreads
__3.6.2 GDB 스레드 관련 명령어
__3.6.3 예시
_3.7 정리

PART II 컴퓨터 시스템 기초

Chapter 4 바이너리와 데이터 표현
_4.1 숫자의 밑과 부호가 없는 정수
__4.1.1 10진수
__4.1.2 부호가 없는 2진수
__4.1.3 16진수
__4.1.4 저장 공간 제한
_4.2 진수 변환
__4.2.1 2진수와 16진수 변환
__4.2.2 10진수로 변환
__4.2.3 10진수를 변환
_4.3 부호가 있는 2진수 정수
__4.3.1 부호가 있는 수
__4.3.2 2의 보수
_4.4 2진 정수 산술 연산
__4.4.1 덧셈
__4.4.2 뺄셈
__4.4.3 곱셈과 나눗셈
_4.5 정수 오버플로
__4.5.1 총 주행 거리계 비유
__4.5.2 2진수 정수 오버플로
__4.5.3 오버플로 요약
__4.5.4 오버플로에 따른 결과
_4.6 비트와이즈 연산자
__4.6.1 비트와이즈 AND
__4.6.2 비트와이즈 OR
__4.6.3 비트와이즈 XOR
__4.6.4 비트와이즈 NOT
__4.6.5 비트 시프트
_4.7 정수 바이트 오더
_4.8 2진수에서의 실수
__4.8.1 고정 소수점 표현
__4.8.2 부동 소수점 표현
__4.8.3 올림의 영향
_4.9 정리

Chapter 5 컴퓨터 아키텍처
_5.1 현대 컴퓨팅 아키텍처의 기원
__5.1.1 튜링 머신
__5.1.2 초기의 전기 컴퓨터
__5.1.3 그래서 폰 노이만은 무엇을 알았나?
_5.2 폰 노이만 아키텍처
__5.2.1 CPU
__5.2.2 처리 장치
__5.2.3 제어 장치
__5.2.4 기억 장치
__5.2.5 입력 및 출력(I/O) 장치
__5.2.6 폰 노이만 머신
_5.3 논리 게이트
__5.3.1 기본 논리 게이트
__5.3.2 그 외 논리 게이트
_5.4 회로
__5.4.1 산술 및 논리 회로
__5.4.2 제어 회로
__5.4.3 저장 회로
_5.5 프로세서 만들기: 종합하기
__5.5.1 ALU
__5.5.2 레지스터 파일
__5.5.3 CPU
_5.6 프로세서의 프로그램 명령 실행
__5.6.1 클럭 주도 실행
__5.6.2 정리: 완전한 컴퓨터에서의 CPU
_5.7 파이프라이닝: CPU를 더 빠르게
_5.8 고급 파이프라인 명령 고려 사항
__5.8.1 데이터 해저드
__5.8.2 제어 해저드
_5.9 미래를 내다보기: 오늘날의 CPU
__5.9.1 명령 수준 병렬화
__5.9.2 멀티코어 및 하드웨어 멀티스레딩
__5.9.3 예시 프로세서
_5.10 정리

PART III 어셈블리 프로그래밍

Chapter 6 C 아래로: 어셈블리에 뛰어들기
_6.1 어셈블리 학습의 이점
__6.1.1 가치 있는 프로그램의 세부 사항을 감추는 고수준의 추상화
__6.1.2 리소스가 제한돼 컴파일러를 사용할 수 없는 컴퓨팅 시스템
__6.1.3 취약점 분석
__6.1.4 시스템 수준 소프트웨어에서 중요한 코드 순서
_6.2 후속 장들에서 학습할 내용

Chapter 7 64비트 X86 어셈블리(X86-64)
_7.1 어셈블리 살펴보기: 기본
__7.1.1 레지스터
__7.1.2 고급 레지스터 표기
__7.1.3 명령 구조
__7.1.4 피연산자가 포함된 예시
__7.1.5 명령 접미사
_7.2 흔히 사용하는 명령
__7.2.1 한층 구체적인 예시
_7.3 산술 명령
__7.3.1 비트 시프트 명령
__7.3.2 비트와이즈 명령
__7.3.3 부하 효과 주소 명령
_7.4 조건부 제어와 반복문
__7.4.1 사전 준비
__7.4.2 어셈블리에서의 if 구문
__7.4.3 어셈블리에서의 for 반복문
_7.5 어셈블리에서의 함수
__7.5.1 함수 매개변수
__7.5.2 예시 추적
__7.5.3 main 추적
_7.6 재귀
__7.6.1 애니메이션: 콜 스택 변화
_7.7 배열
_7.8 행렬
__7.8.1 연속적인 2차원 배열
__7.8.2 비연속적 행렬
_7.9 어셈블리에서의 구조체
__7.9.1 데이터 정렬과 구조체
_7.10 실제 사례: 버퍼 오버플로
__7.10.1 유명한 버퍼 오버플로 악용 사례
__7.10.2 살펴보기: 추측 게임
__7.10.3 자세히 살펴보기
__7.10.4 버퍼 오버플로: 첫 번째 시도
__7.10.5 현명한 버퍼 오버플로: 두 번째 시도
__7.10.6 버퍼 오버플로에서 보호하기

Chapter 8 32비트 X86 어셈블리(Ia32)

Chapter 9 ARM 어셈블리

Chapter 10 어셈블리 핵심 교훈
_10.1 공통 특징
_10.2 더 읽어보기

PART IV 성능 최적화 및 관리

Chapter 11 저장소와 메모리 계층
_11.1 메모리 계층
_11.2 저장소
__11.2.1 1차 저장소
__11.2.2 2차 저장소
_11.3 지역성
__11.3.1 코드에서의 지역성 예
__11.3.2 지역성부터 캐시까지
__11.3.3 시간적 지역성
__11.3.4 공간적 지역성
_11.4 CPU 캐시
__11.4.1 다이렉트 맵트 캐시
__11.4.2 캐시 실패 및 어소시에이티브 설계
__11.4.3 셋 어소시에이티브 캐시
_11.5 캐시 분석과 발그린드
__11.5.1 이론적 분석과 벤치마킹
__11.5.2 실세계에서의 캐시 분석: 캐시그린드
_11.6 예측하기: 멀티코어 프로세서에서의 캐싱
__11.6.1 캐시 일관성
__11.6.2 MSI 프로토콜
__11.6.3 캐시 일관성 프로토콜 구현
__11.6.4 멀티코어 캐싱과 관련된 더 많은 정보
_11.7 정리

Chapter 12 코드 최적화
_12.1 코드 최적화 첫 단계: 코드 프로파일링
__12.1.1 콜그린드를 사용한 프로파일링
__12.1.2 루프 불변 코드 이동
_12.2 그 외 컴파일러 최적화
__12.2.1 함수 인라이닝
__12.2.2 루프 언롤링
_12.3 메모리 고려 사항
__12.3.1 루프 상호 교환
__12.3.2 지역성을 개선하는 컴파일러 최적화: 분열과 융합
__12.3.3 massif를 사용한 메모리 프로파일링
_12.4 핵심 교훈
__12.4.1 좋은 데이터 구조와 알고리즘 선택하기
__12.4.2 가능한 표준 라이브러리 함수 사용하기
__12.4.3 느낌이 아닌 데이터에 기반한 최적화
__12.4.4 복잡한 코드는 여러 함수로 분할하기
__12.4.5 코드 가독성을 우선시하기
__12.4.6 메모리 사용에 주의하기
__12.4.7 컴파일러는 계속해서 개선되고 있다

Chapter 13 운영 체제
_13.1 OS의 동작과 실행
__13.1.1 OS 부팅
__13.1.2 인터럽트와 트랩
_13.2 프로세스
__13.2.1 멀티프로그래밍과 컨텍스트 스위칭
__13.2.2 프로세스 상태
__13.2.3 프로세스 생성 및 파기
__13.2.4 fork
__13.2.5 exec
__13.2.6 exit와 wait
_13.3 가상 메모리
__13.3.1 메모리 주소
__13.3.2 가상 주소를 물리 주소로 변환
__13.3.3 페이징
__13.3.4 메모리 효율성
_13.4 프로세스 간 통신
__13.4.1 시그널
__13.4.2 메시지 전달
__13.4.3 공유 메모리
_13.5 정리 및 기타 OS 기능

PART V 병렬 프로그래밍

Chapter 14 멀티코어 시대의 공유 메모리 활용
_14.1 멀티코어 시스템 프로그래밍
__14.1.1 멀티코어 시스템이 프로세스 실행에 미치는 영향
__14.1.2 스레드를 사용한 프로세스 실행 가속화
_14.2 첫 번째 멀티스레드 프로그램 작성
__14.2.1 스레드 생성과 조인
__14.2.2 스레드 함수
__14.2.3 코드 실행
__14.2.4 스칼라 곱셈 다시 살펴보기
__14.2.5 스칼라 곱셈 계산: 다중 인수
_14.3 스레드 동기화
__14.3.1 상호 배제
__14.3.2 세마포어
__14.3.3 기타 동기화 구조체
_14.4 병렬 프로그램의 성능 측정
__14.4.1 병렬 프로그램의 성능
__14.4.2 더 살펴볼 주제
_14.5 캐시 일관성과 거짓 공유
__14.5.1 멀티코어 시스템에서의 캐시
__14.5.2 거짓 공유
__14.5.3 거짓 공유 수정
_14.6 스레드 안전성
__14.6.1 스레드 안전성 문제 해결
_14.7 OpenMP를 사용한 암시적 스레딩
__14.7.1 프라그마
__12.7.2 헬로 스레딩: OpenMP 버전
__14.7.3 더 복잡한 예시: OpenMP에서의 CountSort
__14.7.4 OpenMP에 대해 자세히 알아보기
_14.8 정리
__14.8.1 주요 요점
__14.8.2 더 읽어보기

Chapter 15 기타 병렬 시스템 및 병렬 프로그래밍 모델
_15.1 이종 컴퓨팅: 하드웨어 가속기, 범용 GPU 컴퓨팅, CUDA
__15.1.1 하드웨어 가속기
__15.1.2 GPU 아키텍처 개요
__15.1.3 GPGPU 컴퓨팅
__15.1.4 CUDA
__15.1.5 기타 GPGPU 프로그래밍 언어
_15.2 분산 메모리 시스템, 메시지 전달 및 MPI
__15.2.1 병렬 및 분산 처리 모델
__15.2.2 통신 프로토콜
__15.2.3 메시지 전달 인터페이스
__15.2.4 MPI 헬로 월드
__15.2.5 MPI 스칼라 곱셈
__15.2.6 분산 시스템의 과제
_15.3 엑사스케일 그 이상: 클라우드 컴퓨팅, 빅 데이터, 그리고 컴퓨팅의 미래
__15.3.1 클라우드 컴퓨팅
__15.3.2 맵리듀스
__15.3.3 미래를 바라보며: 기회와 도전