計算機組織與系統：從 C 與指標到 x86-64 與自己寫 malloc｜Stanford CS107 課程總覽
CS107 是 Stanford 的計算機系統課：從位元、C 字串與指標，走到 x86-64 組合語言與執行期堆疊，最後自己寫 heap allocator，共七份作業。講義、作業說明與 lab 的逐題解答都公開；作業起始碼放在 Stanford 的 AFS 上，沒有校內帳號拿不到。
27 篇文章
Stanford CS107 Computer Organization & Systems 導讀
逐講讀 Stanford CS107：C、記憶體、組合語言、資料表示與系統除錯，從高階語言一路往機器底層走。
系列導讀
從課程地圖走進 Unix 命令列｜Stanford CS107 第 1 堂
Winter 2026 第一講先回答 CS107 為何要往抽象層底下挖：從位元組、記憶體、組合語言到 heap allocator，再交代作業 40%、lab 10%、期中 20%、期末 30% 的課程制度，最後用 Unix 命令列替後續 C 開發暖身。
第一支 C 程式，以及 binary 與 hexadecimal｜Stanford CS107 第 2 堂
第二講把 C 放回 Unix 的歷史與開發環境：拆解 header、main、printf、argc／argv，走過 ssh、emacs、make 與執行檔，再用位值系統推導 8 bits = 1 byte、byte 的 256 種 pattern，以及 binary／hexadecimal 的雙向換算。
整數、位元組與 two's complement｜Stanford CS107 第 3 堂
第三講從 32／64-bit 位址空間出發，推導 unsigned 與 two's-complement signed integer 的範圍、反相加一與共用加法硬體，再分清 unsigned modulo 運算和 C signed overflow，最後用四組故障案例檢查模型。
Bitwise operators、型別轉換與 bitmask｜Stanford CS107 第 4 堂
第四講先釐清 signed／unsigned 轉型不改 bits、混合比較可能改變數值意義，以及 sign extension、zero extension、truncation；再推導 AND、OR、NOT、XOR 與 bitmask 的讀取、設定、清除和集合操作。
Bit shifts、bit tricks 與 GDB｜Stanford CS107 第 5 堂
第五講把 bitmask 推進到 left／right shift、power-of-two 與 popcount tricks，並用 absolute-value 範例揭示 signed intermediate 在 INT_MIN 會 overflow；後半建立 GDB 的 breakpoint、執行控制、格式化 print、memory examine 與 backtrace 工作流。
C 字串不是型別，而是一份記憶體契約｜Stanford CS107 第 6 堂
CS107 第 6 講把 C 字串拆回 char 陣列、終止空字元與位址：strlen、strcmp、strcpy、strncpy、strcat 的每一個便利，都以呼叫者維持容量與終止條件為代價。
從字串搜尋到 Buffer Overflow，輸入驗證不是容量檢查｜Stanford CS107 第 7 堂
CS107 第 7 講先用 strchr、strstr、strspn 建立指標式字串掃描，再指出只驗證內容仍擋不住 buffer overflow：安全邊界必須同時涵蓋輸入規則、目的地容量、終止字元與記憶體檢測。
指標不是魔法，而是可被複製的位址｜Stanford CS107 第 8 堂
CS107 第 8 講從 & 取址與 * 解參照出發，說清楚 C 的 pointer parameter 為何仍是 pass-by-value，以及 int *、char *、char ** 如何分別修改 caller 擁有的 int、char 與 pointer。
Array 不是 Pointer，但它們在運算式裡合作｜Stanford CS107 第 9 堂
CS107 第 9 講用 C strings 七條規則拆開 array object、pointer variable 與 string literal：array 常在運算式中退化成首元素指標，但儲存空間、可重新賦值性、可修改性與 sizeof 行為仍完全不同。
Stack 與 Heap 的差別不是速度，而是 Lifetime 與 Ownership｜Stanford CS107 第 10 堂
CS107 第 10 講從 sizeof 與 pointer arithmetic 走進 stack frame lifetime：回傳 local array 會留下 dangling pointer；malloc 讓資料跨越函式返回，但也把 NULL、容量計算、ownership、free 與 memory leak 交給程式設計者。
void * 如何讓 C 擁有泛型，又不假裝型別還在｜Stanford CS107 第 11 堂
CS107 第 11 講先收完 calloc、strdup、free、realloc 的 heap 契約，再把 swap 從多份型別專用程式改造成 void * 加 byte count：C 的泛型不是保留未知型別，而是明確交接位址、寬度與解讀責任。
Function Pointer 讓 Generic C 注入比較規則｜Stanford CS107 第 12 堂
CS107 第 12 講先用 char * 完成 byte-wise generic swap 與 rotate，再以 function pointer 把 bubble sort 的走訪機制和比較規則拆開；void * 解決資料型別，callback 解決行為差異。
從 Comparator 到完整 Generic Bubble Sort｜Stanford CS107 第 13 堂
CS107 第 13 講把 bool callback 升級成三向 comparator，再把 void *、element width 與 const void * callback 合併成完整 generic bubble sort，最後對照 qsort、bsearch、lfind 與 lsearch。
從 C 到 x86-64，第一次讀懂反組譯輸出｜Stanford CS107 第 14 堂
CS107 第 14 講用 sum_array 的 10 條 x86-64 指令拆開反組譯輸出：左側是位址與機器碼，右側是 AT&T assembly；讀者的任務是由 opcode、operand、register 與控制流程還原 C，而不是手寫組合語言。
看懂 x86-64 addressing modes，分清位址和值｜Stanford CS107 第 15 堂
CS107 第 15 講把 x86-64 的 mov 拆成 immediate、register、absolute、indirect、displacement、indexed 與 scaled indexed operands，並以 D + R[b] + R[i]×s 統一解讀 pointer dereference 和 array access。
從 subregister 到 ALU，讀懂 x86-64 算術與位元運算｜Stanford CS107 第 16 堂
CS107 第 16 講把 b/w/l/q 資料寬度、subregister、movs/movz、lea、呼叫慣例、算術邏輯與 shift 串成一套規則：先確定操作寬度，再追蹤來源、目的與是否真的讀取記憶體。
從乘除法到 %rip，讀懂 x86-64 control flow｜Stanford CS107 第 17 堂
CS107 第 17 講先完成 x86-64 的 full-width multiplication 與 division，再沿著 instruction bytes 追蹤 %rip，最後以 direct／indirect jmp 說明程式如何離開預設的順序執行。
從 condition codes 到 loops，讀懂 x86-64 條件控制｜Stanford CS107 第 18 堂
CS107 第 18 講以 ZF/SF/CF/OF 串起 cmp、test、signed/unsigned conditional jumps，再拆解 if、loops、dynamic instruction count、setcc 與 cmovcc。
從 call/ret 到 calling convention，讀懂 x86-64 函式呼叫｜Stanford CS107 第 19 堂
CS107 第 19 講追蹤 %rsp、push/pop、call/ret、parameters、return values、stack locals 與 caller/callee register discipline，建立可跨函式維持資料與控制流的 ABI 契約。
Reverse Engineering 之後，先問 Privacy 與 Trust，再進 Heap Allocator｜Stanford CS107 第 20 堂
CS107 第 20 講把 reverse engineering 能力放回倫理脈絡：privacy 有個人與社會模型，trust 等於 reliance 加上 betrayal risk；接著複習 process memory，從 malloc client 轉成 heap allocator implementer。
Heap Allocator 的第一個設計，速度與空間為何互相拉扯｜Stanford CS107 第 21 堂
CS107 第 21 講從 allocator 的 alignment、throughput 與 utilization 目標出發，以 bump allocator 和 implicit free list 拆解 metadata、splitting、placement、內部與外部碎片，以及 free 後為何必須 coalesce。
Explicit Free List 為何同時活在兩種順序裡｜Stanford CS107 第 22 堂
CS107 第 22 講把 implicit free list 改成 explicit free list：搜尋只拜訪可重用 blocks，但每塊 free memory 同時具有實體相鄰順序與邏輯鏈結順序，unlink、coalesce、reinsert 必須共同維持不變量。
把 realloc 留在原地，必須守住哪些 allocator 不變量｜Stanford CS107 第 23 堂
CS107 第 23 講把 explicit free list 推進到原地 realloc：縮小時切出可用區塊，放大時吞併右側 free blocks，做不到才配置、複製、釋放；每一步都要同時維持實體 heap 與邏輯 free list。
先用 Callgrind 找熱點，再讀懂 GCC 做了哪些最佳化｜Stanford CS107 第 24 堂
CS107 第 24 講用矩陣乘法與 Callgrind 建立量測流程，再拆解 GCC 的 constant folding、共同子運算式消除、dead-code elimination、strength reduction、code motion 與遞迴轉迴圈；最佳化從瓶頸證據開始。
Caching、Memory Hierarchy 與 Locality｜Stanford CS107 第 25 堂
CS107 第 25 講用精簡投影片建立 cache 的核心模型：記憶體存取成本不均，較小且較快的層級保存可能再次使用的資料，而 temporal 與 spatial locality 決定程式能否受益。
Wrap-up，六個系統問題與下一站｜Stanford CS107 第 26 堂
CS107 第 26 講用六個大問題收束十週內容：representation、text、memory、generics、execution 與 allocation；它以 explicit allocator 檢查學習成果，並把後續路線指向 CS111 與其他 systems 課。