本書（簡稱CS:APP）的主要讀者是計(jì)算機(jī)科學(xué)家、計(jì)算機(jī)工程師，以及那些想通過學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)作而能夠?qū)懗龈�好程序的人�?nbsp;

　　我們的目的是解釋所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)概念，并向你展示這些概念是如何實(shí)實(shí)在在地影響應(yīng)用程序的正確性、性能和實(shí)用性的。其他的系統(tǒng)類書籍都是從構(gòu)建者的角度來寫的，講述如何實(shí)現(xiàn)硬件或系統(tǒng)軟件，包括操作系統(tǒng)、編譯器和網(wǎng)絡(luò)接口。而本書是從程序員的角度來寫的，講述應(yīng)用程序員如何能夠利用系統(tǒng)知識來編寫出更好的程序。當(dāng)然，學(xué)習(xí)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該做些什么，是學(xué)習(xí)如何構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的很好的出發(fā)點(diǎn)，所以，對于希望繼續(xù)學(xué)習(xí)系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)的人來說，本書也是一本很有價(jià)值的介紹性讀物。大多數(shù)系統(tǒng)書籍還傾向于重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的某一個(gè)方面，比如：硬件架構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯器或者網(wǎng)絡(luò)。本書則以程序員的視角統(tǒng)一覆蓋了上述所有方面的內(nèi)容。 

　　如果你研究和領(lǐng)會了這本書里的概念，你將開始成為極少數(shù)的“牛人”，這些“牛人”知道事情是如何運(yùn)作的，也知道當(dāng)事情出現(xiàn)故障時(shí)如何修復(fù)。你寫的程序?qū)⒛軌蚋�好地利用操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件提供的功能，對各種操作條件和運(yùn)行時(shí)參數(shù)都能正確操作，運(yùn)行起來更快，并能避免出現(xiàn)使程序容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的缺陷。同時(shí)，你也要做好更深入探究的準(zhǔn)備，研究像編譯器、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)安全這樣的高級題目。 

　　讀者應(yīng)具備的背景知識 

　　本書的重點(diǎn)是執(zhí)行x86-64機(jī)器代碼的系統(tǒng)。對英特爾及其競爭對手而言，x86-64是他們自1978年起，以8086微處理器為代表，不斷進(jìn)化的最新成果。按照英特爾微處理器產(chǎn)品線的命名規(guī)則，這類微處理器俗稱為“x86”。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)，單芯片上集成了更多的晶體管，這些處理器的計(jì)算能力和內(nèi)存容量有了很大的增長。在這個(gè)過程中，它們從處理16位字，發(fā)展到引入IA32處理器處理32位字，再到最近的x86-64處理64位字。 

　　我們考慮的是這些機(jī)器如何在Linux操作系統(tǒng)上運(yùn)行C語言程序。Linux是眾多繼承自最初由貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Unix的操作系統(tǒng)中的一種。這類操作系統(tǒng)的其他成員包括Solaris、FreeBSD和MacOS X。近年來，由于Posix和標(biāo)準(zhǔn)Unix規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化努力，這些操作系統(tǒng)保持了高度兼容性。因此，本書內(nèi)容幾乎直接適用于這些“類Unix”操作系統(tǒng)。 

　　文中包含大量已在Linux系統(tǒng)上編譯和運(yùn)行過的程序示例。我們假設(shè)你能訪問一臺這樣的機(jī)器，并且能夠登錄，做一些諸如切換目錄之類的簡單操作。如果你的計(jì)算機(jī)運(yùn)行的是Microsoft Windows系統(tǒng)，我們建議你選擇安裝一個(gè)虛擬機(jī)環(huán)境（例如VirtualBox或者VMWare），以便為一種操作系統(tǒng)（客戶OS）編寫的程序能在另一種系統(tǒng)（宿主OS）上運(yùn)行。 

　　我們還假設(shè)你對C和C++有一定的了解。如果你以前只有Java經(jīng)驗(yàn)，那么你需要付出更多的努力來完成這種轉(zhuǎn)換，不過我們也會幫助你。Java和C有相似的語法和控制語句。不過，有一些C語言的特性（特別是指針、顯式的動態(tài)內(nèi)存分配和格式化I/O）在Java中都是沒有的。所幸的是，C是一個(gè)較小的語言，在Brian Kernighan和Dennis Ritchie經(jīng)典的“K&R”文獻(xiàn)中得到了清晰優(yōu)美的描述[61]。無論你的編程背景如何，都應(yīng)該考慮將K&R作為個(gè)人系統(tǒng)藏書的一部分。如果你只有使用解釋性語言的經(jīng)驗(yàn)，如Python、Ruby或Perl，那么在使用本書之前，需要花費(fèi)一些時(shí)間來學(xué)習(xí)C。 

　　本書的前幾章揭示了C語言程序和它們相對應(yīng)的機(jī)器語言程序之間的交互作用。機(jī)器語言示例都是用運(yùn)行在x86-64處理器上的GNU GCC編譯器生成的。我們不需要你以前有任何硬件、機(jī)器語言或是匯編語言編程的經(jīng)驗(yàn)。 

　　給C語言初學(xué)者　關(guān)于C編程語言的建議 

　　為了幫助C語言編程背景薄弱（或全無背景）的讀者，我們在書中加入了這樣一些專門的注釋來突出C中一些特別重要的特性。我們假設(shè)你熟悉C++或Java。 

　　如何閱讀此書 

　　從程序員的角度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何工作的會非常有趣，主要是因?yàn)槟憧梢灾鲃拥刈鲞@件事情。無論何時(shí)你學(xué)到一些新的東西，都可以馬上試驗(yàn)并且直接看到運(yùn)行結(jié)果。事實(shí)上，我們相信學(xué)習(xí)系統(tǒng)的唯一方法就是做（do）系統(tǒng)，即在真正的系統(tǒng)上解決具體的問題，或是編寫和運(yùn)行程序。 

　　這個(gè)主題觀念貫穿全書。當(dāng)引入一個(gè)新概念時(shí)，將會有一個(gè)或多個(gè)練習(xí)題緊隨其后，你應(yīng)該馬上做一做來檢驗(yàn)?zāi)愕睦斫�。這些練習(xí)題的解答在每章的末尾。當(dāng)你閱讀時(shí)，嘗試自己來解答每個(gè)問題，然后再查閱答案，看自己的答案是否正確。除第1章外，每章后面都有難度不同的家庭作業(yè)。對每個(gè)家庭作業(yè)題，我們標(biāo)注了難度級別： 

　　*只需要幾分鐘。幾乎或完全不需要編程。 

　　**可能需要將近20分鐘。通常包括編寫和測試一些代碼。（許多都源自我們在考試中出的題目。） 

　　需要很大的努力，也許是1～2個(gè)小時(shí)。一般包括編寫和測試大量的代碼。 

　　一個(gè)實(shí)驗(yàn)作業(yè)，需要將近10個(gè)小時(shí)。 

　　文中每段代碼示例都是由經(jīng)過GCC編譯的C程序直接生成并在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行了測試，沒有任何人為的改動。當(dāng)然，你的系統(tǒng)上GCC的版本可能不同，或者根本就是另外一種編譯器，那么可能生成不一樣的機(jī)器代碼，但是整體行為表現(xiàn)應(yīng)該是一樣的。所有的源程序代碼都可以從csapp.cs.cmu.edu上的CS:APP主頁上獲取。在本書中，源程序的文件名列在兩條水平線的右邊，水平線之間是格式化的代碼。比如，圖1中的程序能在code/intro/目錄下的hello.c文件中找到。當(dāng)遇到這些示例程序時(shí)，我們鼓勵(lì)你在自己的系統(tǒng)上試著運(yùn)行它們。 

　　圖1　一個(gè)典型的代碼示例 

　　為了避免本書體積過大、內(nèi)容過多，我們添加了許多網(wǎng)絡(luò)旁注（Web aside），包括一些對本書主要內(nèi)容的補(bǔ)充資料。本書中用CHAP:TOP這樣的標(biāo)記形式來引用這些旁注，這里CHAP是該章主題的縮寫編碼，而TOP是涉及的話題的縮寫編碼。例如，網(wǎng)絡(luò)旁注DATA:BOOL包含對第2章中數(shù)據(jù)表示里面有關(guān)布爾代數(shù)內(nèi)容的補(bǔ)充資料；而網(wǎng)絡(luò)旁注ARCH:VLOG包含的是用Verilog硬件描述語言進(jìn)行處理器設(shè)計(jì)的資料，是對第4章中處理器設(shè)計(jì)部分的補(bǔ)充。所有的網(wǎng)絡(luò)旁注都可以從CS:APP的主頁上獲取。 

　　旁注　什么是旁注 

　　在整本書中，你將會遇到很多以這種形式出現(xiàn)的旁注。旁注是附加說明，能使你對當(dāng)前討論的主題多一些了解。旁注可以有很多用處。一些是小的歷史故事。例如，C語言、Linux和Internet是從何而來的？有些旁注則是用來澄清學(xué)生們經(jīng)常感到疑惑的問題。例如，高速緩存的行、組和塊有什么區(qū)別？還有些旁注給出了一些現(xiàn)實(shí)世界的例子。例如，一個(gè)浮點(diǎn)錯(cuò)誤怎么毀掉了法國的一枚火箭，或是給出市面上出售的一個(gè)磁盤驅(qū)動器的幾何和運(yùn)行參數(shù)。最后，還有一些旁注僅僅就是一些有趣的內(nèi)容，例如，什么是“hoinky”？ 

　　本書概述 

　　本書由12章組成，旨在闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心概念。內(nèi)容概述如下： 

　　第1章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)漫游。這一章通過研究“hello，world”這個(gè)簡單程序的生命周期，介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要概念和主題。 

　　第2章：信息的表示和處理。我們講述了計(jì)算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算，重點(diǎn)描述了會對程序員有影響的無符號數(shù)和數(shù)的補(bǔ)碼表示的特性。我們考慮數(shù)字是如何表示的，以及由此確定對于一個(gè)給定的字長，其可能編碼值的范圍。我們探討有符號和無符號數(shù)字之間類型轉(zhuǎn)換的效果，還闡述算術(shù)運(yùn)算的數(shù)學(xué)特性。菜鳥級程序員經(jīng)常很驚奇地了解到（用補(bǔ)碼表示的）兩個(gè)正數(shù)的和或者積可能為負(fù)。另一方面，補(bǔ)碼的算術(shù)運(yùn)算滿足很多整數(shù)運(yùn)算的代數(shù)特性，因此，編譯器可以很安全地把一個(gè)常量乘法轉(zhuǎn)化為一系列的移位和加法。我們用C語言的位級操作來說明布爾代數(shù)的原理和應(yīng)用。我們從兩個(gè)方面講述了IEEE標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)格式：一是如何用它來表示數(shù)值，一是浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)學(xué)屬性。 

　　對計(jì)算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算有深刻的理解是寫出可靠程序的關(guān)鍵。比如，程序員和編譯器不能用表達(dá)式（x-y<0）來替代（x　　第3章：程序的機(jī)器級表示。我們教讀者如何閱讀由C編譯器生成的x86-64機(jī)器代碼。我們說明為不同控制結(jié)構(gòu)（比如條件、循環(huán)和開關(guān)語句）生成的基本指令模式。我們還講述過程的實(shí)現(xiàn)，包括棧分配、寄存器使用慣例和參數(shù)傳遞。我們討論不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如結(jié)構(gòu)、聯(lián)合和數(shù)組）的分配和訪問方式。我們還說明實(shí)現(xiàn)整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算的指令。我們還以分析程序在機(jī)器級的樣子作為途徑，來理解常見的代碼安全漏洞（例如緩沖區(qū)溢出），以及理解程序員、編譯器和操作系統(tǒng)可以采取的減輕這些威脅的措施。學(xué)習(xí)本章的概念能夠幫助讀者成為更好的程序員，因?yàn)槟銈兌�得程序在機(jī)器上是如何表示的。另外一個(gè)好處就在于讀者會對指針有非常全面而具體的理解。 

　　第4章：處理器體系結(jié)構(gòu)。這一章講述基本的組合和時(shí)序邏輯元素，并展示這些元素如何在數(shù)據(jù)通路中組合到一起，來執(zhí)行x86-64指令集的一個(gè)稱為“Y86-64”的簡化子集。我們從設(shè)計(jì)單時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)通路開始。這個(gè)設(shè)計(jì)概念上非常簡單，但是運(yùn)行速度不會太快。然后我們引入流水線的思想，將處理一條指令所需要的不同步驟實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立的階段。這個(gè)設(shè)計(jì)中，在任何時(shí)刻，每個(gè)階段都可以處理不同的指令。我們的五階段處理器流水線更加實(shí)用。本章中處理器設(shè)計(jì)的控制邏輯是用一種稱為HCL的簡單硬件描述語言來描述的。用HCL寫的硬件設(shè)計(jì)能夠編譯和鏈接到本書提供的模擬器中，還可以根據(jù)這些設(shè)計(jì)生成Verilog描述，它適合合成到實(shí)際可以運(yùn)行的硬件上去。 

　　第5章：優(yōu)化程序性能。在這一章里，我們介紹了許多提高代碼性能的技術(shù)，主要思想就是讓程序員通過使編譯器能夠生成更有效的機(jī)器代碼來學(xué)習(xí)編寫C代碼。我們一開始介紹的是減少程序需要做的工作的變換，這些是在任何機(jī)器上寫任何程序時(shí)都應(yīng)該遵循的。然后講的是增加生成的機(jī)器代碼中指令級并行度的變換，因而提高了程序在現(xiàn)代“超標(biāo)量”處理器上的性能。為了解釋這些變換行之有效的原理，我們介紹了一個(gè)簡單的操作模型，它描述了現(xiàn)代亂序處理器是如何工作的，然后給出了如何根據(jù)一個(gè)程序的圖形化表示中的關(guān)鍵路徑來測量一個(gè)程序可能的性能。你會驚訝于對C代碼做一些簡單的變換能給程序帶來多大的速度提升。 

　　第6章：存儲器層次結(jié)構(gòu)。對應(yīng)用程序員來說，存儲器系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最直接可見的部分之一。到目前為止，讀者一直認(rèn)同這樣一個(gè)存儲器系統(tǒng)概念模型，認(rèn)為它是一個(gè)有一致訪問時(shí)間的線性數(shù)組。實(shí)際上，存儲器系統(tǒng)是一個(gè)由不同容量、造價(jià)和訪問時(shí)間的存儲設(shè)備組成的層次結(jié)構(gòu)。我們講述不同類型的隨機(jī)存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM），以及磁盤和固態(tài)硬盤的幾何形狀和組織構(gòu)造。我們描述這些存儲設(shè)備是如何放置在層次結(jié)構(gòu)中的，講述訪問局部性是如何使這種層次結(jié)構(gòu)成為可能的。我們通過一個(gè)獨(dú)特的觀點(diǎn)使這些理論具體化，那就是將存儲器系統(tǒng)視為一個(gè)“存儲器山”，山脊是時(shí)間局部性，而斜坡是空間局部性。最后，我們向讀者闡述如何通過改善程序的時(shí)間局部性和空間局部性來提高應(yīng)用程序的性能。 

　　第7章：鏈接。本章講述靜態(tài)和動態(tài)鏈接，包括的概念有可重定位的和可執(zhí)行的目標(biāo)文件、符號解析、重定位、靜態(tài)庫、共享目標(biāo)庫、位置無關(guān)代碼，以及庫打樁。大多數(shù)講述系統(tǒng)的書中都不講鏈接，我們要講述它是出于以下原因。第一，程序員遇到的最令人迷惑的問題中，有一些和鏈接時(shí)的小故障有關(guān)，尤其是對那些大型軟件包來說。第二，鏈接器生成的目標(biāo)文件是與一些像加載、虛擬內(nèi)存和內(nèi)存映射這樣的概念相關(guān)的。 

　　第8章：異常控制流。在本書的這個(gè)部分，我們通過介紹異�？刂屏鳎�即除正常分支和過程調(diào)用以外的控制流的變化）的一般概念，打破單一程序的模型。我們給出存在于系統(tǒng)所有層次的異�？刂屏鞯睦�子，從底層的硬件異常和中斷，到并發(fā)進(jìn)程的上下文切換，到由于接收Linux信號引起的控制流突變，到C語言中破壞棧原則的非本地跳轉(zhuǎn)。 

　　在這一章，我們介紹進(jìn)程的基本概念，進(jìn)程是對一個(gè)正在執(zhí)行的程序的一種抽象。讀者會學(xué)習(xí)進(jìn)程是如何工作的，以及如何在應(yīng)用程序中創(chuàng)建和操縱進(jìn)程。我們會展示應(yīng)用程序員如何通過Linux系統(tǒng)調(diào)用來使用多個(gè)進(jìn)程。學(xué)完本章之后，讀者就能夠編寫帶作業(yè)控制的Linux shell了。同時(shí)，這里也會向讀者初步展示程序的并發(fā)執(zhí)行會引起不確定的行為。 

　　第9章：虛擬內(nèi)存。我們講述虛擬內(nèi)存系統(tǒng)是希望讀者對它是如何工作的以及它的特性有所了解。我們想讓讀者了解為什么不同的并發(fā)進(jìn)程各自都有一個(gè)完全相同的地址范圍，能共享某些頁，而又獨(dú)占另外一些頁。我們還講了一些管理和操縱虛擬內(nèi)存的問題。特別地，我們討論了存儲分配操作，就像標(biāo)準(zhǔn)庫的malloc和free操作。闡述這些內(nèi)容是出于下面幾個(gè)目的。它加強(qiáng)了這樣一個(gè)概念，那就是虛擬內(nèi)存空間只是一個(gè)字節(jié)數(shù)組，程序可以把它劃分成不同的存儲單元。它可以幫助讀者理解當(dāng)程序包含存儲泄漏和非法指針引用等內(nèi)存引用錯(cuò)誤時(shí)的后果。最后，許多應(yīng)用程序員編寫自己的優(yōu)化了的存儲分配操作來滿足應(yīng)用程序的需要和特性。這一章比其他任何一章都更能展現(xiàn)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件結(jié)合起來闡述的優(yōu)點(diǎn)。而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)書籍都只講述虛擬內(nèi)存的某一方面。 

　　第10章：系統(tǒng)級I/O。我們講述Unix I/O的基本概念，例如文件和描述符。我們描述如何共享文件，I/O重定向是如何工作的，還有如何訪問文件的元數(shù)據(jù)。我們還開發(fā)了一個(gè)健壯的帶緩沖區(qū)的I/O包，可以正確處理一種稱為short counts的奇特行為，也就是庫函數(shù)只讀取一部分的輸入數(shù)據(jù)。我們闡述C的標(biāo)準(zhǔn)I/O庫，以及它與Linux I/O的關(guān)系，重點(diǎn)談到標(biāo)準(zhǔn)I/O的局限性，這些局限性使之不適合網(wǎng)絡(luò)編程。總的來說，本章的主題是后面兩章—網(wǎng)絡(luò)和并發(fā)編程的基礎(chǔ)。 

　　第11章：網(wǎng)絡(luò)編程。對編程而言，網(wǎng)絡(luò)是非常有趣的I/O設(shè)備，它將許多我們前面文中學(xué)習(xí)的概念（比如進(jìn)程、信號、字節(jié)順序、內(nèi)存映射和動態(tài)內(nèi)存分配）聯(lián)系在一起。網(wǎng)絡(luò)程序還為下一章的主題—并發(fā)，提供了一個(gè)很令人信服的上下文。本章只是網(wǎng)絡(luò)編程的一個(gè)很小的部分，使讀者能夠編寫一個(gè)簡單的Web服務(wù)器。我們還講述位于所有網(wǎng)絡(luò)程序底層的客戶端服務(wù)器模型。我們展現(xiàn)了一個(gè)程序員對Internet的觀點(diǎn)，并且教讀者如何用套接字接口來編寫Internet客戶端和服務(wù)器。最后，我們介紹超文本傳輸協(xié)議（HTTP），并開發(fā)了一個(gè)簡單的迭代式Web服務(wù)器。 

　　第12章：并發(fā)編程。這一章以Internet服務(wù)器設(shè)計(jì)為例介紹了并發(fā)編程。我們比較對照了三種編寫并發(fā)程序的基本機(jī)制（進(jìn)程、I/O多路復(fù)用和線程），并且展示如何用它們來建造并發(fā)Internet服務(wù)器。我們探討了用P、V信號量操作來實(shí)現(xiàn)同步、線程安全和可重入、競爭條件以及死鎖等的基本原則。對大多數(shù)服務(wù)器應(yīng)用來說，寫并發(fā)代碼都是很關(guān)鍵的。我們還講述了線程級編程的使用方法，用這種方法來表達(dá)應(yīng)用程序中的并行性，使得程序在多核處理器上能執(zhí)行得更快。使用所有的核解決同一個(gè)計(jì)算問題需要很小心謹(jǐn)慎地協(xié)調(diào)并發(fā)線程，既要保證正確性，又要爭取獲得高性能。 

　　本版新增內(nèi)容 

　　本書的第1版于2003年出版，第2版在2011年出版�？紤]到計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展如此迅速，這本書的內(nèi)容還算是保持得很好。事實(shí)證明Intel x86的機(jī)器上運(yùn)行Linux（以及相關(guān)操作系統(tǒng)），加上采用C語言編程，是一種能夠涵蓋當(dāng)今許多系統(tǒng)的組合。然而，硬件技術(shù)、編譯器和程序庫接口的變化，以及很多教師教授這些內(nèi)容的經(jīng)驗(yàn)，都促使我們做了大量的修改。 

　　第2版以來的最大整體變化是，我們的介紹從以IA32和x86-64為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆�以x86-64為基礎(chǔ)。這種重心的轉(zhuǎn)移影響了很多章節(jié)的內(nèi)容。下面列出一些明顯的變化： 

　　第1章。我們將第5章對Amdahl定理的討論移到了本章。 

　　第2章。讀者和評論家的反饋是一致的，本章的一些內(nèi)容有點(diǎn)令人不知所措。因此，我們澄清了一些知識點(diǎn)，用更加數(shù)學(xué)的方式來描述，使得這些內(nèi)容更容易理解。這使得讀者能先略過數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)，獲得高層次的總體概念，然后回過頭來進(jìn)行更細(xì)致深入的閱讀。 

　　第3章。我們將之前基于IA32和x86-64的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為完全基于x86-64，還更新了近期版本GCC產(chǎn)生的代碼。其結(jié)果是大量的重寫工作，包括修改了一些概念提出的順序。同時(shí)，我們還首次介紹了對處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序的機(jī)器級支持。由于歷史原因，我們給出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)旁注描述IA32機(jī)器碼。 

　　第4章。我們將之前基于32位架構(gòu)的處理器設(shè)計(jì)修改為支持64位字和操作的設(shè)計(jì)。 

　　第5章。我們更新了內(nèi)容以反映最近幾代x86-64處理器的性能。通過引入更多的功能單元和更復(fù)雜的控制邏輯，我們開發(fā)的基于程序數(shù)據(jù)流表示的程序性能模型，其性能預(yù)測變得比之前更加可靠。 

　　第6章。我們對內(nèi)容進(jìn)行了更新，以反映更多的近期技術(shù)。 

　　第7章。針對x86-64，我們重寫了本章，擴(kuò)充了關(guān)于用GOT和PLT創(chuàng)建位置無關(guān)代碼的討論，新增了一節(jié)描述更加強(qiáng)大的鏈接技術(shù)，比如庫打樁。 

　　第8章。我們增加了對信號處理程序更細(xì)致的描述，包括異步信號安全的函數(shù)，編寫信號處理程序的具體指導(dǎo)原則，以及用sigsuspend等待處理程序。 

　　第9章。本章變化不大。 

　　第10章。我們新增了一節(jié)說明文件和文件的層次結(jié)構(gòu)，除此之外，本章的變化不大。 

　　第11章。我們介紹了采用最新getaddrinfo和getnameinfo函數(shù)的、與協(xié)議無關(guān)和線程安全的網(wǎng)絡(luò)編程，取代過時(shí)的、不可重入的gethostbyname和gethostbyaddr函數(shù)。 

　　第12章。我們擴(kuò)充了利用線程級并行性使得程序在多核機(jī)器上更快運(yùn)行的內(nèi)容。 

　　此外，我們還增加和修改了很多練習(xí)題和家庭作業(yè)。 

　　本書的起源 

　　本書起源于1998年秋季，我們在卡內(nèi)基–梅�。–MU）大學(xué)開設(shè)的一門編號為15-213的介紹性課程：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論（Introduction to Computer System，ICS）[14]。從那以后，每學(xué)期都開設(shè)了ICS這門課程，每學(xué)期有超過400名學(xué)生上課，這些學(xué)生從本科二年級到碩士研究生都有，所學(xué)專業(yè)也很廣泛。這門課程是卡內(nèi)基–梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系（CS）以及電子和計(jì)算機(jī)工程系（ECE）所有本科生的必修課，也是CS和ECE大多數(shù)高級系統(tǒng)課程的先行必修課。 

　　ICS這門課程的宗旨是用一種不同的方式向?qū)W生介紹計(jì)算機(jī)。因?yàn)�，我們的學(xué)生中幾乎沒有人有機(jī)會親自去構(gòu)造一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。另一方面，大多數(shù)學(xué)生，甚至包括所有的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和計(jì)算機(jī)工程師，也需要日常使用計(jì)算機(jī)和編寫計(jì)算機(jī)程序。所以我們決定從程序員的角度來講解系統(tǒng)，并采用這樣的原則過濾要講述的內(nèi)容：我們只討論那些影響用戶級C語言程序的性能、正確性或?qū)嵱眯缘闹黝}。 

　　比如，我們排除了諸如硬件加法器和總線設(shè)計(jì)這樣的主題。雖然我們談及了機(jī)器語言，但是重點(diǎn)并不在于如何手工編寫匯編語言，而是關(guān)注C語言編譯器是如何將C語言的結(jié)構(gòu)翻譯成機(jī)器代碼的，包括編譯器是如何翻譯指針、循環(huán)、過程調(diào)用以及開關(guān)（switch）語句的。更進(jìn)一步地，我們將更廣泛和全盤地看待系統(tǒng)，包括硬件和系統(tǒng)軟件，涵蓋了包括鏈接、加載、進(jìn)程、信號、性能優(yōu)化、虛擬內(nèi)存、I/O以及網(wǎng)絡(luò)與并發(fā)編程等在內(nèi)的主題。 

　　這種做法使得我們講授ICS課程的方式對學(xué)生來講既實(shí)用、具體，還能動手操作，同時(shí)也非常能調(diào)動學(xué)生的積極性。很快地，我們收到來自學(xué)生和教職工非常熱烈而積極的反響，我們意識到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)以外的其他人也可以從我們的方法中獲益。因此，這本書從ICS課程的筆記中應(yīng)運(yùn)而生了，而現(xiàn)在我們對它做了修改，使之能夠反映科學(xué)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的變化和進(jìn)步。 

　　通過本書的多個(gè)版本和多種語言譯本，ICS和許多相似課程已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)數(shù)百所高校的計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程課程的一部分。 

　　寫給指導(dǎo)教師們：可以基于本書的課程 

　　指導(dǎo)教師可以使用本書來講授五種不同類型的系統(tǒng)課程（見圖2）。具體每門課程則有賴于課程大綱的要求、個(gè)人喜好、學(xué)生的背景和能力。圖中的課程從左往右越來越強(qiáng)調(diào)以程序員的角度來看待系統(tǒng)。以下是簡單的描述。 

　　ORG：一門以非傳統(tǒng)風(fēng)格講述傳統(tǒng)主題的計(jì)算機(jī)組成原理課程。傳統(tǒng)的主題包括邏輯設(shè)計(jì)、處理器體系結(jié)構(gòu)、匯編語言和存儲器系統(tǒng)，然而這里更多地強(qiáng)調(diào)了對程序員的影響。例如，要反過來考慮數(shù)據(jù)表示對C語言程序的數(shù)據(jù)類型和操作的影響。又例如，對匯編代碼的講解是基于C語言編譯器產(chǎn)生的機(jī)器代碼，而不是手工編寫的匯編代碼。 

　　ORG+：一門特別強(qiáng)調(diào)硬件對應(yīng)用程序性能影響的ORG課程。和ORG課程相比，學(xué)生要更多地學(xué)習(xí)代碼優(yōu)化和改進(jìn)C語言程序的內(nèi)存性能。 

　　ICS：基本的ICS課程，旨在培養(yǎng)一類程序員，他們能夠理解硬件、操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)對應(yīng)用程序的性能和正確性的影響。和ORG+課程的一個(gè)顯著不同是，本課程不涉及低層次的處理器體系結(jié)構(gòu)。相反，程序員只同現(xiàn)代亂序處理器的高級模型打交道。ICS課程非常適合安排到一個(gè)10周的小學(xué)期，如果期望步調(diào)更從容一些，也可以延長到一個(gè)15周的學(xué)期。 

　　ICS+：在基本的ICS課程基礎(chǔ)上，額外論述一些系統(tǒng)編程的問題，比如系統(tǒng)級I/O、網(wǎng)絡(luò)編程和并發(fā)編程。這是卡內(nèi)基–梅隆大學(xué)的一門一學(xué)期時(shí)長的課程，會講述本書中除了低級處理器體系結(jié)構(gòu)以外的所有章。 

　　SP：一門系統(tǒng)編程課程。和ICS+課程相似，但是剔除了浮點(diǎn)和性能優(yōu)化的內(nèi)容，更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)編程，包括進(jìn)程控制、動態(tài)鏈接、系統(tǒng)級I/O、網(wǎng)絡(luò)編程和并發(fā)編程。指導(dǎo)教師可能會想從其他渠道對某些高級主題做些補(bǔ)充，比如守護(hù)進(jìn)程（daemon）、終端控制和Unix IPC（進(jìn)程間通信）。 

　　…… 

　　Randal E.Bryant 

　　David R.O扝allaron 

　　于匹茲堡，賓夕法尼亞州