Great Code Vol 1(2판)(소프트웨어 아키텍처)

◈ 이 책에서 다루는 내용 ◈
◆ 효과적으로 머신을 활용하기 위한 숫자, 문자와 그 외 하이레벨 데이터 구조의 표현 방식을 알아보고, 각 데이터 타입의 리소스 비용 설명
◆ 머신이 좀 더 효율적으로 데이터에 접근할 수 있도록 조직화, 체계화하는 방법
◆ 머신의 본질적인 작동 방식을 파악하기 위한 CPU의 작동 방식
◆ 애플리케이션의 성능을 최대로 끌어올리기 위한 각종 I/O 주변 장치의 작동 방식
◆ 프로그램이 최고의 성능을 낼 수 있게 해주는 메모리 계층 구조


◈ 이 책의 대상 독자 ◈
특정 프로그램 언어에 맞춰 쓴 책이 아니기 때문에 설명하는 개념은 프로그래밍 언어의 종류와 관계없이 적용할 수 있다. 특정 언어를 사용하거나 알지 못해도 이 책을 읽는 데는 지장이 없도록 작성했으며, 이 책의 프로그램 예문은 이해의 폭을 넓히기 위해 몇 가지 언어를 교대로 사용한다. 예시를 설명할 때는 코드에 대한 정확한 설명을 덧붙일 것이므로, 해당 언어에 익숙하지 않더라도 프로그램의 동작 방식을 문제 없이 이해할 수 있을 것이다.


◈ 이 책의 구성 ◈
2장, 4장, 5장에서는 컴퓨터의 기본적인 데이터 표기법을 알아본다. 예를 들어 컴퓨터가 어떠한 방법으로 부호 있는 정수와 부호 없는 정수, 문자, 문자열, 문자 집합, 실수, 분수와 같은 값들을 표현하는지 알아본다. 컴퓨터가 다양한 자료를 어떻게 표현하는지 충분히 이해하지 못한다면, 특정 작업에서 왜 그렇게 많은 시간이 소요되는지 알 수 없을 것이다.
3장에서는 현대적인 컴퓨터 시스템에서 널리 사용하는 2진법의 계산과 비트 연산을 알아본다. 대부분의 프로그래밍 언어가 2진법과 비트 연산을 지원하므로, 이 책에서는 일반적인 프로그래밍 개론 과정에서 잘 다루지 않는 2진법과 논리 연산을 통해 코드의 성능을 향상시키는 방법을 소개한다. 탁월한 코드를 작성하는 프로그래머가 되기 위해서는 2진법 및 비트 연산을 능숙하게 활용할 수 있어야 할 것이다.
6장에서는 (컴퓨터가 메모리에 접근하는 방법과 메모리의 성능에 관련된 특징 등과 같은) 메모리에 대해 알아보며, CPU가 메모리에 있는 다양한 자료 구조에 접근할 때 사용하는 메모리 지정 모드도 살펴본다. 현대적인 애플리케이션의 성능 저하 문제 중 상당수는 프로그램이 메모리에 접근하는 방식을 잘못 지정해 발생하는 메모리 병목 현상과 관련이 있으며, 6장에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 기반 지식을 제공한다.
7장에서는 다시 데이터 표현으로 돌아가서 복합 데이터 타입과 메모리 객체를 다루며, 앞부분의 여러 장에서 다뤘던 내용과 달리 포인터, 배열 레코드, 구조체, 공용체 등과 같은 하이레벨 데이터 타입에 관해 설명한다. 적지 않은 프로그래머가 메모리나 성능상의 문제를 고려하지 않고 대용량의 복합 데이터 구조를 사용하는 경향이 있는데, 7장에서는 이런 하이레벨 복합 데이터 타입을 로우레벨의 관점으로 설명함으로써 프로그램에서 이 기법을 사용할 때 지불해야 할 비용이 얼마인지 알려준다. 이를 통해 이 기법을 좀 더 신중하고 현명하게 사용할 수 있게 될 것이다.
8장에서는 불리언 논리 연산과 디지털 설계를 다룬다. 8장에서는 CPU와 컴퓨터 시스템 요소를 이해하기 위해 필요한 수학적 토대와 논리 연산을 위한 기초 지식을 제공한다. 8장에서는 주로 불리언 표현식을 다루며, 그중에는 if, while 등 범용 하이레벨 언어에서 사용되는 불리언 식을 최적화하는 방법도 포함된다.
9장 역시 8장에 이어 하드웨어와 관련된 내용으로 CPU의 구조를 알아본다. 탁월한 코드를 작성하기 위해 프로그래머는 기본적인 CPU 설계와 연산 방식을 이해하고 있어야 한다. 여러분이 CPU가 코드를 실행하는 방식에 맞춰 코드를 작성할 수 있다면, 더 적은 시스템 자원을 사용해 더 좋은 성능을 얻을 수 있을 것이다.
10장에서는 CPU 명령어 집합 구조를 알아본다. 모든 CPU에서 명령어는 CPU 동작에 가장 기본이 되는 부분이고, 프로그램 수행 시간은 수행되는 명령어의 종류와 수에 직접적인 영향을 받는다. 컴퓨터 구조에서 명령어를 설계하는 방법을 이해하면 어떤 연산이 다른 연산보다 더 많은 시간이 걸리는 이유를 알 수 있다. 여러분이 명령어의 한계와 CPU가 명령어를 해석하는 방식을 이해하면, 형편없는 코드 시퀀스를 탁월한 코드로 탈바꿈시킬 수도 있다.
11장에서는 다시 메모리 주제로 돌아와서 메모리 아키텍처와 메모리 구조를 알아본다. 이 장은 코드의 실행 속도를 높이는 데 큰 도움이 될 것이다. 메모리의 계층 구조와 캐시의 성능을 극대화하는 방법, 다른 고속 메모리 구성 요소 등을 알아본다. 현대 애플리케이션의 일반적인 문제 중 하나인 스래싱(thrashing)을 알아보고, 저성능 메모리 접근 문제를 해결하는 방법도 살펴본다.
12장에서 15장까지는 컴퓨터 시스템과 외부 환경의 소통 방식을 알아본다. 컴퓨터 시스템과 연결된 다수의 입출력 주변 장치(peripheral device)는 CPU나 메모리에 비해 훨씬 느린 속도로 작동한다. 여러분이 작성한 개별 명령 시퀀스의 성능이 탁월하더라도, 이들 입출력 주변 장치의 한계 상황을 알지 못하면 애플리케이션의 전체 성능은 낮은 수준을 벗어날 수 없다. 따라서 책 후반의 네 개 장은 범용 I/O 포트, 시스템 버스, 버퍼링, 핸드셰이킹, 폴링, 인터럽트 등을 다룬다. 이를 통해 여러분은 키보드, 병렬 포트, 직렬 포트, 디스크 드라이브, 테이프 드라이브, 플래시 저장 장치, SCSI, IDE/ATA, USB, 사운드 카드 등 다양한 PC 주변 장치와의 효율적인 소통 방식을 이해할 수 있을 것이다.

◈ 옮긴이의 말 ◈
이 책은 40년 경력의 소프트웨어 엔지니어인 랜달 하이드(Randall Hyde)가 집필한 『Write Great Code』 시리즈의 첫 번째 책이며, 1980년대 이전부터 현재에 이르기까지 소프트웨어 산업에 존재해온 개발 방법론, 프로젝트 운영 전략, 실무 이론 그리고 개발 조직 운영 전략의 집대성이라 할 수 있다. 저자는 현재 3권까지 출간된 시리즈를 통해 혁신적으로 발전해온 컴퓨팅 머신의 작동 원리, 로우레벨로 생각하고 하이레벨로 코딩하는 방법 그리고 개발자의 소프트웨어 개발 프로젝트 수행 방법과 유용한 도구에 대해 설명한다.
저자는 소프트웨어 개발 업무를 작가주의의 산물이 아닌 엔지니어링 측면에서 접근한다. 이로 인해 공감에 기대어 설명할 수밖에 없었던 부분을 정량적으로, 체계적으로 설명할 수 있게 됐으며, 소프트웨어 개발 모델부터 테스트, 문서화까지 일관된 예시와 흐름으로 설명한다.
저자가 소프트웨어 엔지니어로 입문했을 당시에 각광받던 개발 주제(예: 원자로 제어)는 현재 클라우드, 인공지능, 양자 컴퓨팅, 블록체인 등의 주제로 바뀌었다. 개발 접근 전략 또는 방법론 역시 좀 더 세분화되거나 맥락이 아예 바뀐 부분이 있다. 그러나 좀 더 좋은 소프트웨어, 위대한 소프트웨어에 대한 갈망은 개발자인 우리 모두의 공통된 특징이 아닐까 생각한다.
시리즈 1권인 이 책은 위대한 코드를 작성하려는 개발자라면 가장 먼저 봐야할 부분이라고 할 수 있는 연산 머신으로서 컴퓨터의 작동 원리를 설명한다. 하지만 컴퓨터 아키텍처보다는 좋은 소프트웨어를 작성하려고 할 때 필수적으로 알아야 할 컴퓨터의 작동원리와 상호작용 방법에 초점을 맞추며, CPU 및 메모리 아키텍처와 상호작용 방식, 비트 논리 연산, 부동소수점수, 문자 데이터, 입출력, 주변장치버스, 파일시스템 등에 대해 소개한다. 또한 거의 모든 이론 설명에는 세심하게 정리한 참조표와 이미지를 제공하고, 어셈블리 또는 C 등 로우레벨 언어 기반의 핸즈온을 통해 독자의 이해를 돕는다.
이 책은 소프트웨어 개발 경력자에게는 근원이 되는 소스 코드의 가치를 평가할 수 있는 기회가 될 것이고, 개발 입문자에게는 소프트웨어에 대한 토대를 단단히 다질 수 있는 계기가 될 수 있으리라 생각한다.

1장. 탁월한 코드 작성을 위한 준비
1.1 『Write Great Code』 시리즈의 개요
1.2 이 책에서 다루는 내용
1.3 이 책의 활용을 위한 준비
1.4 탁월한 코드의 특징
1.5 이 책에 실린 예제의 실행 환경
1.6 이 책의 추가적인 활용 팁
1.7 참고 자료

2장. 컴퓨터의 수 표기법
2.1 수란 무엇인가
2.2 수
2.2.1 10진 위치 표기법
2.2.2 기수
2.2.3 2진수 체계
2.2.4 16진수 체계
2.2.5 8진수 체계
2.3 숫자와 문자의 상호 변환
2.4 내부 숫자 표현법
2.4.1 비트
2.4.2 비트 문자열
2.5 부호 있는 수와 부호 없는 수
2.6 2진수의 유용한 속성
2.7 데이터 타입 통일을 위한 부호 확장, 0 확장, 부호 축소
2.8 포화
2.9 2진화 10진 표기법
2.10 고정소수점 표기
2.11 배율 조정 수 포맷
2.12 유리수 표기법
2.13 참고 자료

3장. 2진법 계산 및 비트 연산
3.1 2진수와 16진수를 이용한 산술 연산
3.1.1 2진수의 덧셈
3.1.2 2진수의 뺄셈
3.1.3 2진수의 곱셈
3.1.4 2진수의 나눗셈
3.2 비트 논리 연산
3.3 2진수와 비트 문자열의 논리 연산
3.4 비트 연산의 유용한 속성
3.4.1 AND를 이용한 비트 문자열 검증
3.4.2 AND를 이용한 비트 세트의 0 포함 여부 검증
3.4.3 2진 문자열의 비트 세트 비교
3.4.4 AND를 이용한 모듈로 n 카운터 구현
3.5 이동 연산과 회전 연산
3.6 비트 필드와 데이터 묶음
3.7 데이터 묶기와 데이터 묶음 풀기
3.8 참고 자료

4장. 부동소수점 연산
4.1 부동소수점 연산의 개요
4.2 IEEE 부동소수점 형식
4.2.1 단정밀도 부동소수점 형식
4.2.2 복정밀도 부동소수점 형식
4.2.3 확장 정밀도 부동소수점 형식
4.2.4 쿼드 정밀도 부동소수점 형식
4.3 부동소수점 수의 정규화와 비정규화
4.4 라운딩
4.5 특수한 부동소수점 값
4.6 부동소수점 예외 규칙
4.7 부동소수점 연산 방식의 이해
4.7.1 이번 절에서 사용하는 부동소수점 형식
4.7.2 부동소수점 덧셈 및 뺄셈
4.7.3 부동소수점 곱셈 및 나눗셈
4.8 참고 자료

5장. 문자 데이터의 활용
5.1 문자 데이터
5.1.1 ASCII 문자셋
5.1.2 IBM의 EBCDIC 문자셋
5.1.3 더블 바이트 문자셋
5.1.4 유니코드 문자셋
5.1.5 유니코드 코드 포인트
5.1.6 유니코드 코드 플레인
5.1.7 서로게이트 코드 포인트
5.1.8 글리프, 문자, 그래핌 클러스터
5.1.9 유니코드 노멀과 캐노니컬 동등
5.1.10 유니코드 인코딩
5.1.11 유니코드 연결 문자
5.2 문자열
5.2.1 문자열 형식
5.2.2 문자열 유형: 정적, 유사 동적, 동적 문자열
5.2.3 문자열 참조 카운터
5.2.4 델파이 문자열
5.2.5 커스텀 문자열
5.3 문자셋 데이터 타입
5.3.1 문자셋의 멱집합 표기법
5.3.2 문자셋의 리스트 표기법
5.4 자체 문자셋 설계하기
5.4.1 효율적인 문자셋의 설계
5.4.2 숫자 표현을 위한 문자 코드 그룹화
5.4.3 알파벳 문자 그룹화
5.4.4 알파벳 문자의 비교 연산
5.4.5 기타 문자의 그룹화
5.5 참고 자료

6장. 메모리 구조와 접근 방식
6.1 컴퓨터의 기본적인 시스템 구성 요소
6.1.1 시스템 버스
6.2 메모리의 물리적 구조
6.2.1 8비트 데이터 버스
6.2.2 16비트 데이터 버스
6.2.3 32비트 데이터 버스
6.2.4 64비트 데이터 버스.
6.2.5 80x86 이외 프로세서의 바이트, 워드, 더블워드 접근 방식
6.3 빅 엔디안과 리틀 엔디안의 구조 비교
6.4 시스템 클럭
6.4.1 메모리 액세스와 시스템 클럭
6.4.2 대기 상태
6.4.3 캐시 메모리
6.5 CPU의 메모리 액세스 방법
6.5.1 직접 메모리 주소 지정 모드
6.5.2 간접 메모리 주소 지정 모드
6.5.3 인덱스 메모리 주소 지정 모드
6.5.4 스케일 인덱스 주소 지정 모드
6.6 참고 자료

7장. 복합 데이터 타입과 메모리 객체
7.1 포인터 타입
7.1.1 포인터 구현
7.1.2 포인터와 동적 메모리 할당
7.1.3 포인터 작업 및 포인터 산술 연산
7.1.3.1 포인터에 정수 더하기
7.2 배열
7.2.1 배열 선언
7.2.2 메모리에서의 배열 표현
7.2.3 배열 요소에 접근하기
7.2.4 다차원 배열
7.3 레코드와 구조체
7.3.1 파스칼/델파이의 레코드
7.3.2 C/C++의 레코드
7.3.3 HLA의 레코드
7.3.4 스위프트의 레코드(튜플)
7.3.5 레코드의 메모리 저장 방식
7.4 이산 유니온 데이터 타입
7.4.1 C/C++의 유니온
7.4.2 파스칼/델파이의 유니온
7.4.3 스위프트의 유니온
7.4.4 HLA의 유니온
7.4.5 유니온 타입의 메모리 저장
7.4.6 유니온 타입의 기타 활용 방식
7.5 클래스
7.5.1 클래스 개념 1: 상속
7.5.2 클래스 구조체
7.5.3 클래스 개념 2: 다형성
7.5.4 추상 메소드와 추상 베이스 클래스
7.6 C++의 클래스
7.6.1 C++의 추상 멤버 함수 및 클래스
7.6.2 C++의 다중 상속
7.7 자바의 클래스
7.8 스위프트의 클래스
7.9 프로토콜과 인터페이스
7.10 제네릭과 템플릿
7.11 참고 자료

8장. 불리언 로직과 디지털 설계
8.1 불리언 대수
8.1.1 불리언 연산자
8.1.2 불리언 공리
8.1.3 불리언 연산자의 우선순위
8.2 불리언 함수와 진리표
8.3 함수 번호
8.4 불리언 수식의 대수 처리
8.5 정규형
8.5.1 최소항의 합 정규형과 진리표
8.5.2 대수적으로 생성된 최소항의 합 정규형
8.5.3 최대항의 곱 정규형
8.6 불리언 함수의 단순화
8.7 불리언 로직의 적용 방식
8.7.1 전자 회로와 불리언 함수의 대응 관계
8.7.2 조합 회로
8.7.3 시퀀셜 로직과 클럭 로직
8.8 참고 자료

9장. CPU 아키텍처
9.1 CPU의 기본적인 설계 방식
9.2 명령어 디코딩 및 실행: 랜덤 로직과 마이크로코드의 비교
9.3 단계별 명령어 실행
9.3.1 mov 명령어
9.3.2 add 명령어
9.3.3 jnz 명령어
9.3.4 loop 명령어
9.4 RISC vs. CISC: 명령어의 신속 실행을 통한 성능 향상
9.5 병렬성: 더 높은 성능의 비결
9.5.1 기능성 유닛
9.5.2 프리페치 큐
9.5.3 프리페치 큐의 성능을 저하시키는 조건
9.5.4 파이프라이닝: 다중 명령어 중첩
9.5.5 명령어 캐시: 다수의 메모리 경로 제공
9.5.6 파이프라인 해저드
9.5.7 슈퍼스칼라 연산: 병렬적 명령어 실행
9.5.8 명령어의 비순차적 실행
9.5.9 레지스터 이름 변경
9.5.10 VLIW 아키텍처
9.5.11 병렬 처리
9.5.12 멀티프로세싱
9.6 참고 자료

10장. 명령어 집합 설계
10.1 명령어 집합 설계의 중요성
10.2 명령어 설계의 기본적인 목표
10.2.1 opcode 길이 선택
10.2.2 미래에 대한 대비
10.2.3 명령어 선택
10.2.4 명령어에 opcode 할당하기
10.3 가상의 Y86 프로세서
10.3.1 Y86 프로세서의 제한된 기능 소개
10.3.2 Y86 명령어의 종류
10.3.3 Y86의 피연산자 유형과 어드레스 모드
10.3.4 Y86 명령어 인코딩
10.3.5 Y86 명령어 인코딩 사례
10.3.6 Y86 명령어 집합의 확장
10.4 80x86 명령어 인코딩
10.4.1 명령어 피연산자 인코딩
10.4.2 add 명령어 인코딩
10.4.3 x86 상수 피연산자 인코딩
10.4.4 8비트, 16비트, 32비트 피연산자 인코딩
10.4.5 64비트 피연산자 인코딩
10.4.6 명령어의 대안으로서 인코딩
10.5 명령어 집합 설계의 중요성
10.6 참고 자료

11장. 메모리 아키텍처 및 구성
11.1 메모리 계층 구조
11.2 메모리 계층의 작동 방식
11.3 메모리 서브시스템의 성능 비교
11.4 캐시 아키텍처
11.4.1 직접 매핑 캐시
11.4.2 완전 연관 캐시
11.4.3 n-way 집합 연관 캐시
11.4.4 캐시 라인 교체 방식
11.4.5 캐시에서의 데이터 쓰기 방식
11.4.6 캐시 활용 및 소프트웨어
11.5 NUMA와 주변 장치
11.6 가상 메모리, 메모리 보호, 페이징
11.7 메모리 계층을 고려한 소프트웨어 개발
11.8 런타임 시 메모리 구성
11.8.1 정적 객체, 동적 객체, 바인딩, 생애주기
11.8.2 코드 영역, 읽기 전용 영역, 상수 영역
11.8.3 정적 변수 영역
11.8.4 스토리지 변수 영역
11.8.5 스택 영역
11.8.6 힙 영역과 동적 메모리 할당
11.9 참고 자료

12장. 입력 및 출력 장치
12.1 컴퓨터 외부로 CPU 연결하기
12.2 시스템에 포트를 연결하는 다른 방법
12.3 I/O 메커니즘
12.3.1 메모리 맵 입출력 방식
12.3.2 I/O 맵 입출력 방식
12.3.3 DMA, 직접 메모리 접근 방식
12.4 I/O 속도의 계층 구조
12.5 시스템 버스와 데이터 전송 속도
12.5.1 PCI 버스의 성능
12.5.2 ISA 버스의 성능
12.5.3 AGP 버스
12.6 버퍼링
12.7 핸드셰이킹
12.8 I/O 포트의 타임아웃
12.9 폴링 기반 I/O 및 인터럽트
12.10 작업 보호 모드와 장치 드라이버
12.10.1 장치 드라이버 모델
12.10.2 장치 드라이버와의 통신
12.11 참고 자료

13장. 컴퓨터 주변 장치 버스
13.1 소형 컴퓨터 시스템 인터페이스
13.1.1 SCSI의 한계점
13.1.2 SCSI의 성능 및 기능 개선
13.1.3 SCSI 프로토콜
13.1.4 SCSI의 장점
13.2 IDE/ATA 인터페이스
13.2.1 SATA 인터페이스
13.2.2 파이버 채널
13.3 USB, 유니버설 시리얼 버스
13.3.1 USB의 설계
13.3.2 USB의 성능
13.3.3 USB의 데이터 전송 유형
13.3.4 USB-C
13.3.5 USB 장치 드라이버
13.4 참고 자료

14장. 대용량 저장 장치와 파일 시스템
14.1 디스크 드라이브
14.1.1 플로피 디스크 드라이브
14.1.2 하드 드라이브
14.1.3 RAID 시스템
14.1.4 광학 드라이브
14.1.5 CD, DVD, 블루레이 드라이브
14.2 테이프 드라이브
14.3 플래시 저장 장치
14.4 RAM 디스크
14.5 SSD
14.6 하이브리드 드라이브
14.7 대용량 저장 장치의 파일 시스템
14.7.1 시퀀셜 파일 시스템
14.7.2 효율적인 파일 할당 전략
14.8 대용량 저장 장치의 데이터 활용 소프트웨어 개발
14.8.1 파일 액세스 성능
14.8.2 동기적 및 비동기적 I/O
14.8.3 I/O 작업 유형별 성능
14.8.4 메모리 맵 파일
14.9 참고 자료

15장. 기타 입출력 장치
15.1 PC 주변 장치
15.1.1 키보드
15.1.2 표준 PC 병렬 포트
15.1.3 시리얼 포트
15.2 마우스, 트랙패드, 기타 포인팅 장치
15.3 조이스틱, 게임 컨트롤러
15.4 사운드 카드
15.4.1 오디오 인터페이스 주변 장치가 음을 출력하는 방법
15.4.2 오디오 파일 및 MIDI 파일 포맷
15.4.3 오디오 장치 프로그래밍
15.5 참고 자료

후기: 로우레벨로 생각하고, 하이레벨로 코딩하라
부록 A ASCII 문자셋

랜달 하이드 Randall Hyde
『The Art of Assembly Language』, 『Write Great Code』 시리즈, 『Using 6502 Assembly Language』와 『P-Source』의 저자이고, 『The Waite Group's MASM 6.0 Bible』의 공저자다. 지난 40여 년간 원자력 발전기, 교통신호 시스템, 다양한 소비자용 전자 제품을 위한 임베디드 소프트웨어 및 하드웨어 개발 도구를 만들어왔고, 포모나에 위치한 캘리포니아주립 폴리테크닉 대학교(California State Polytechnic University)와 리버사이드에 위치한 캘리포니아 대학교(University of California)에서 컴퓨터 과학을 가르쳐왔다.
프로그래밍과 소프트웨어 엔지니어링에 대한 다양한 자료를 제공하는 웹 사이트(www.randallhyde.com)를 운영한다.