（文末福利）你該不會拿 CSAPP 墊顯示器吧

一 個程序員，究竟需要對計算機的硬件瞭解到什麼程度呢？🤔

如果你是系統級軟件開發工程師，想必這本書是你的案（墊）頭（顯）必（示）備（器）；

如果你是應用軟件工程師，或許不需要太多底層知識也可以運用高級語言設計程序。不過，只要你和計算機打交道，這本書中的內容你早晚都會遇到……

《深入理解計算機系統》（簡稱 CSAPP） ，CMU 計算機導論教材，豆瓣評分 9.8，被譽爲計算機領域的 「神書」 。

這本書的誕生可以回溯到 1998 年秋季 CMU 開設的計算機系統導論（ICS）課程。課程教授 Randal 和 David 意識到，「學生中幾乎沒有人會親自構造一個計算機系統，但大多數學生都日常使用計算機編寫程序」。因此，他們篩選了主題，排除了手寫彙編語言、總線設計這樣的內容，重點關注：C 語言編譯器是如何將 C 語言翻譯成機器代碼的？編譯器是如何翻譯指針、循環、過程調用語句的？因此，這門課、這本書的宗旨是從程序員的角度來講解系統，把硬件、系統、軟件系統地結合起來，構成一整個框架，這對學生而言更實用也更具體。

不少國內學校都以這本書作爲參考教材，所有想通過學習計算機系統的內在運作、從而寫出更好程序的人，都應該認真閱讀此書並完成課後作業 📒。

這本書中的不少內容針對 C 語言特性（包括指針、顯式的動態內存分配、格式化的 I/O），對於 C 語言背景薄弱的讀者，這本書中有一些專門的註釋幫助突出 C 語言中重要的特性。

如果你覺得這本書對你有些困難，但又渴望瞭解計算機體系結構，可以從 《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》 這本小書入手，也可以參考本文第三部分「如何閱讀這本書」輔助學習。

你將從這本書中獲得：

• 瞭解編譯系統如何工作，幫助優化程序性能、理解鏈接時出現的錯誤、避免安全漏洞

• 系統級理解計算機的本質概念，以及這些概念如何實實在在地影響應用程序的正確性、性能和實用性

  二進制炸彈 💣

CSAPP 這本書非常鼓勵你動手嘗試，每章都帶有練習題與參考答案，還有相應的實驗課（Lab）與實驗的自動評分系統。

你可以從官網上找到九個實驗（http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html）包括：數據實驗、二進制炸彈實驗、緩衝區溢出實驗、體系結構實驗、性能試驗、cache 實驗、shell 實驗、malloc 實驗、代理實驗。這些配套實驗不僅風趣幽默，而且能訓練你學到的內容，增強調試程序的能力，讓你終身受益。

讓我們一起來看看大名鼎鼎的「二進制炸彈」吧！

邪惡博士在我們的班級機器上放置了大量的「二進制炸彈」。二進制炸彈是由六個環節組成的程序。每個環節，你都要輸入一個特定的字符串。只有輸入正確的字符串才能拆除炸彈，進入下個關卡。否則，炸彈會爆炸💥！在處理本程序時，不得穿戴防彈衣。

有太多炸彈要我們處理，所以我們給每個學生一個炸彈來拆除。這是你的任務，你別無選擇，只能接受，就是在截止時間前拆除你的炸彈。祝你好運，歡迎加入拆彈小組！

這個實驗能訓練到哪些能力？

比如，想要破解第一個炸彈，需要執行以下步驟：

• 設置調用函數斷點

• 運行至斷點處並調試

• 進入函數內部進一步觀察

• 分析代碼得出答案

完整拆除六個炸彈，你就可以熟悉 GDB 調試工具、徹底理解函數調用的棧幀、熟悉常用寄存器的用途、熟悉 AT&T 彙編語法。

在小編看來，寫程序這件事情有一個極大的妙處：當你學到了什麼新東西，你可以馬上試驗並看到運行結果。你不需要看完整本書就能明白某件事情，我只需要學到可以自己能動手嘗試並糾錯就夠了。

  在計算機底層，數組是如何存儲的？

讓我們來看下方兩個函數，這兩個函數都是對一個二維數組的各個元素求和，區別在於循環的優先順序不同：

  
  
  

   
   
   
    
    
    

     
     
     
int sumarrayrows(int a[M][N]) {    int i, j, sum = 0;    for (i = 0; i < M; i++) {        for(j = 0; j < N; j++) {            sum += a[i][j];        }    }    return sum;}// 先行後列
int sumarraycols(int a[M][N]) {    int i, j, sum = 0;    for (j = 0; j < N; j++) {        for(i = 0; i < M; i++) {            sum += a[i][j];        }    }    return sum;}// 先列後行
    
    
    
  
  
  

編譯運行，看看運行耗時差了多少？先行後列比先列後行快了 25 倍！

這到底是爲什麼呢？答案就藏在這本書的封面中：

存儲器系統爲 CPU 存放指令和數據。實際上，存儲器系統並不是一個線性結構，而是具有不同容量、成本和訪問時間的層次結構。封面中的儲存器山，展示了讀吞吐量，是時間和空間局部性的函數。需要注意的是，L1 山脊的最高點（此處 CPU 讀取率爲 14GB/s）與主存山脊的最低點（此處 CPU 讀取率爲 900MB/s）之間的差別有整整一個數量級。

C 語言以行優先順序存儲數組，所以交換掃描順序看似無傷大雅，卻導致對高速緩存變得不友好。在列掃描中，如果整個數組都在高速緩存中，內存引用不命中率（miss rate）爲 1/4；而在大多數情況下，數組超出高速緩存，那麼每次對 a[i][j] 的訪問都會不命中，顯著影響了運行時間。

這本書的第六章詳細介紹了存儲器的層次結構。作爲一個程序員，如果你理解存儲器層次結構，注意程序中的局部性，將會大大提高程序性能。

  如何閱讀這本書？

在知乎上，小編看到了不少提問：

「如何閱讀《深入理解計算機系統》這本書？」

「《深入理解計算機系統》這本書需要什麼水平能看懂？」

……

很多同學都表示內容太難，讀不下去 🤮

自底向上的內容着實有些枯燥，小編整理了一些官方資料與個人讀者的筆記，希望能助你一臂之力。

官方資源：

• 網課（中文字幕版）：

  https://www.bilibili.com/video/av31289365

• 課件地址：

  http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15213-f15/www/schedule.html

• Lab 地址：

  http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html

個人項目：

導讀網站： https://fengmuzi2003.gitbook.io/csapp3e/

@fengmuzi2003 製作了一個 CSAPP 導讀網站，不僅對每一章都進行了介紹，而且推薦了一些不錯的資源、學習方式、視頻解讀。比如，ta 給出了學習路徑上的建議：

學完第 06 章之後直接學習第 09 章（本質上它們屬於同一主題），然後再學習第 05 章（因爲裏面的一部分優化內容與第 06 章介紹的 CPU 緩存有關聯），書中講解系統軟件的部分不太完整，比如 IPC等內容沒有涉及，建議大家自己參考《UNIX環境高級編程》，或者《LINUX編程接口》……

電子書資源： https://hansimov.gitbook.io/csapp/

@hansimov 主導整理了 CSAPP 的電子書資源和實驗材料（包括 Hints），方便閱讀。

如果實在讀不下去，不妨休息一下，讀讀這些好玩的換換腦子：

AI 收藏夾 Vol.001：當你的語音助手不再溫順

AI 收藏夾 Vol.002：被 AI 阻止的又一次自殺

AI 收藏夾 Vol.003：AI 能聽懂陰陽怪氣嗎？

福利時間

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對程序員有多重要？

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積累代碼量很重要，

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與你一起先把書讀厚，再把書讀薄。

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