基本信息
- 原书名：Computer Systems: A Programmer抯 Perspective, Third Edition
- 作者： （美）兰德尔 E.布莱恩特（Randal E. Bryant） （美）大卫 R. 奥哈拉伦（David R. O扝allaron）
- 丛书名： 经典原版书库
- 出版社：机械工业出版社
- ISBN：9787111561279
- 上架时间：2017-9-18
- 出版日期：2017 年3月
- 开本：16开
- 版次：1-1
- 所属分类：计算机 > 操作系统 > Windows
教材
编辑推荐
理解计算机系统的必读书目，十余万程序员的共同选择。
从程序员的视角全面剖析计算机系统，内容全面更新为基于X86 64位处理器
内容简介
书籍
计算机书籍
本书是一本将计算机软件和硬件理论结合讲述的经典教材，内容涵盖计算机导论、体系结构和处理器设计等多门课程。本书*大的特点是为程序员描述计算机系统的实现细节，通过描述程序是如何映射到系统上，以及程序是如何执行的，使读者更好地理解程序的行为，找到程序效率低下的原因。
和第2版相比，本版内容上*大的变化是，从以IA32和x86-64为基础转变为完全以x86-64为基础。主要更新如下：
· 基于x86-64，大量地重写代码，首次介绍对处理浮点数据的程序的机器级支持。
· 处理器体系结构修改为支持64位字和操作的设计。
· 引入更多的功能单元和更复杂的控制逻辑，使基于程序数据流表示的程序性能模型预测更加可靠。
· 扩充关于用GOT和PLT创建与位置无关代码的讨论，描述了更加强大的链接技术（比如库打桩）。
· 增加了对信号处理程序更细致的描述，包括异步信号安全的函数等。
· 采用*新函数，更新了与协议无关和线程安全的网络编程。
计算机书籍
本书是一本将计算机软件和硬件理论结合讲述的经典教材，内容涵盖计算机导论、体系结构和处理器设计等多门课程。本书*大的特点是为程序员描述计算机系统的实现细节，通过描述程序是如何映射到系统上，以及程序是如何执行的，使读者更好地理解程序的行为，找到程序效率低下的原因。
和第2版相比，本版内容上*大的变化是，从以IA32和x86-64为基础转变为完全以x86-64为基础。主要更新如下：
· 基于x86-64，大量地重写代码，首次介绍对处理浮点数据的程序的机器级支持。
· 处理器体系结构修改为支持64位字和操作的设计。
· 引入更多的功能单元和更复杂的控制逻辑，使基于程序数据流表示的程序性能模型预测更加可靠。
· 扩充关于用GOT和PLT创建与位置无关代码的讨论，描述了更加强大的链接技术（比如库打桩）。
· 增加了对信号处理程序更细致的描述，包括异步信号安全的函数等。
· 采用*新函数，更新了与协议无关和线程安全的网络编程。
作译者
Randal E. Bryant 1973年于密歇根大学获得学士学位，随即就读于麻省理工学院研究生院，并在1981年获计算机科学博士学位。他在加州理工学院做了三年助教，从1984年至今一直是卡内基–梅隆大学的教师。这其中有五年的时间，他是计算机科学系主任，有十年的时间是计算机科学学院院长。他现在是计算机科学学院的院长、教授。他同时还受邀任职于电子与计算机工程系。
他教授本科生和研究生计算机系统方面的课程近40年。在讲授计算机体系结构课程多年后，他开始把关注点从如何设计计算机转移到程序员如何在更好地了解系统的情况下编写出更有效和更可靠的程序。他和O扝allaron教授一起在卡内基–梅隆大学开设了15-213课程“计算机系统导论”，那便是此书的基础。他还教授一些有关算法、编程、计算机网络、分布式系统和VLSI（超大规模集成电路）设计方面的课程。
Bryant教授的主要研究内容是设计软件工具来帮助软件和硬件设计者验证其系统正确性。其中，包括几种类型的模拟器，以及用数学方法来证明设计正确性的形式化验证工具。他发表了150多篇技术论文。包括Intel、IBM、Fujitsu和Microsoft在内的主要计算机制造商都使用着他的研究成果。他还因他的研究获得过数项大奖。其中包括Semiconductor Research Corporation颁发的两个发明荣誉奖和一个技术成就奖，ACM颁发的Kanellakis理论与实践奖，还有IEEE颁发的W. R. G. Baker奖、Emmanuel Piore奖和Phil Kaufman奖。他还是ACM院士、IEEE院士、美国国家工程院院士和美国人文与科学研究院院士。
David R. O扝allaron 卡内基–梅隆大学计算机科学和电子与计算机工程系教授。在弗吉尼亚大学获得计算机科学博士学位，2007～2010年为Intel匹兹堡实验室主任。
20年来，他教授本科生和研究生计算机系统方面的课程，例如计算机体系结构、计算机系统导论、并行处理器设计和Internet服务。他和Bryant教授一起在卡内基–梅隆大学开设了作为本书基础的“计算机系统导论”课程。2004年他获得了卡内基–梅隆大学计算机科学学院颁发的Herbert Simon杰出教学奖，这个奖项的获得者是基于学生的投票产生的。
O扝allaron教授从事计算机系统领域的研究，主要兴趣在于科学计算、数据密集型计算和虚拟化方面的软件系统。其中最著名的是Quake项目，该项目是一群计算机科学家、土木工程师和地震学家为提高对强烈地震中大地运动的预测能力而开发的。2003年，他同Quake项目中其他成员一起获得了高性能计算领域中的最高国际奖项—Gordon Bell奖。他目前的工作重点是自动分级（autograding）概念，即评价其他程序质量的程序。
他教授本科生和研究生计算机系统方面的课程近40年。在讲授计算机体系结构课程多年后，他开始把关注点从如何设计计算机转移到程序员如何在更好地了解系统的情况下编写出更有效和更可靠的程序。他和O扝allaron教授一起在卡内基–梅隆大学开设了15-213课程“计算机系统导论”，那便是此书的基础。他还教授一些有关算法、编程、计算机网络、分布式系统和VLSI（超大规模集成电路）设计方面的课程。
Bryant教授的主要研究内容是设计软件工具来帮助软件和硬件设计者验证其系统正确性。其中，包括几种类型的模拟器，以及用数学方法来证明设计正确性的形式化验证工具。他发表了150多篇技术论文。包括Intel、IBM、Fujitsu和Microsoft在内的主要计算机制造商都使用着他的研究成果。他还因他的研究获得过数项大奖。其中包括Semiconductor Research Corporation颁发的两个发明荣誉奖和一个技术成就奖，ACM颁发的Kanellakis理论与实践奖，还有IEEE颁发的W. R. G. Baker奖、Emmanuel Piore奖和Phil Kaufman奖。他还是ACM院士、IEEE院士、美国国家工程院院士和美国人文与科学研究院院士。
David R. O扝allaron 卡内基–梅隆大学计算机科学和电子与计算机工程系教授。在弗吉尼亚大学获得计算机科学博士学位，2007～2010年为Intel匹兹堡实验室主任。
20年来，他教授本科生和研究生计算机系统方面的课程，例如计算机体系结构、计算机系统导论、并行处理器设计和Internet服务。他和Bryant教授一起在卡内基–梅隆大学开设了作为本书基础的“计算机系统导论”课程。2004年他获得了卡内基–梅隆大学计算机科学学院颁发的Herbert Simon杰出教学奖，这个奖项的获得者是基于学生的投票产生的。
O扝allaron教授从事计算机系统领域的研究，主要兴趣在于科学计算、数据密集型计算和虚拟化方面的软件系统。其中最著名的是Quake项目，该项目是一群计算机科学家、土木工程师和地震学家为提高对强烈地震中大地运动的预测能力而开发的。2003年，他同Quake项目中其他成员一起获得了高性能计算领域中的最高国际奖项—Gordon Bell奖。他目前的工作重点是自动分级（autograding）概念，即评价其他程序质量的程序。
目录
出版者的话
推荐序一
推荐序二
前言
关于作者
第1章 计算机系统漫游 1
1.1 信息就是位+上下文 3
1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式 4
1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的 6
1.4 处理器读并解释储存在内存中的指令 7
1.4.1 系统的硬件组成 8
1.4.2 运行hello程序 10
1.5 高速缓存至关重要 11
1.6 存储设备形成层次结构 14
1.7 操作系统管理硬件 14
1.7.1 进程 15
1.7.2 线程 17
1.7.3 虚拟内存 18
1.7.4 文件 19
1.8 系统之间利用网络通信 19
推荐序一
推荐序二
前言
关于作者
第1章 计算机系统漫游 1
1.1 信息就是位+上下文 3
1.2 程序被其他程序翻译成不同的格式 4
1.3 了解编译系统如何工作是大有益处的 6
1.4 处理器读并解释储存在内存中的指令 7
1.4.1 系统的硬件组成 8
1.4.2 运行hello程序 10
1.5 高速缓存至关重要 11
1.6 存储设备形成层次结构 14
1.7 操作系统管理硬件 14
1.7.1 进程 15
1.7.2 线程 17
1.7.3 虚拟内存 18
1.7.4 文件 19
1.8 系统之间利用网络通信 19
前言
本书（简称CS:APP）的主要读者是计算机科学家、计算机工程师，以及那些想通过学习计算机系统的内在运作而能够写出更好程序的人。
我们的目的是解释所有计算机系统的本质概念，并向你展示这些概念是如何实实在在地影响应用程序的正确性、性能和实用性的。其他的系统类书籍都是从构建者的角度来写的，讲述如何实现硬件或系统软件，包括操作系统、编译器和网络接口。而本书是从程序员的角度来写的，讲述应用程序员如何能够利用系统知识来编写出更好的程序。当然，学习一个计算机系统应该做些什么，是学习如何构建一个计算机系统的很好的出发点，所以，对于希望继续学习系统软硬件实现的人来说，本书也是一本很有价值的介绍性读物。大多数系统书籍还倾向于重点关注系统的某一个方面，比如：硬件架构、操作系统、编译器或者网络。本书则以程序员的视角统一覆盖了上述所有方面的内容。
如果你研究和领会了这本书里的概念，你将开始成为极少数的“牛人”，这些“牛人”知道事情是如何运作的，也知道当事情出现故障时如何修复。你写的程序将能够更好地利用操作系统和系统软件提供的功能，对各种操作条件和运行时参数都能正确操作，运行起来更快，并能避免出现使程序容易受到网络攻击的缺陷。同时，你也要做好更深入探究的准备，研究像编译器、计算机体系结构、操作系统、嵌入式系统、网络互联和网络安全这样的高级题目。
读者应具备的背景知识
本书的重点是执行x86-64机器代码的系统。对英特尔及其竞争对手而言，x86-64是他们自1978年起，以8086微处理器为代表，不断进化的最新成果。按照英特尔微处理器产品线的命名规则，这类微处理器俗称为“x86”。随着半导体技术的演进，单芯片上集成了更多的晶体管，这些处理器的计算能力和内存容量有了很大的增长。在这个过程中，它们从处理16位字，发展到引入IA32处理器处理32位字，再到最近的x86-64处理64位字。
我们考虑的是这些机器如何在Linux操作系统上运行C语言程序。Linux是众多继承自最初由贝尔实验室开发的Unix的操作系统中的一种。这类操作系统的其他成员包括Solaris、FreeBSD和MacOS X。近年来，由于Posix和标准Unix规范的标准化努力，这些操作系统保持了高度兼容性。因此，本书内容几乎直接适用于这些“类Unix”操作系统。
文中包含大量已在Linux系统上编译和运行过的程序示例。我们假设你能访问一台这样的机器，并且能够登录，做一些诸如切换目录之类的简单操作。如果你的计算机运行的是Microsoft Windows系统，我们建议你选择安装一个虚拟机环境（例如VirtualBox或者VMWare），以便为一种操作系统（客户OS）编写的程序能在另一种系统（宿主OS）上运行。
我们还假设你对C和C++有一定的了解。如果你以前只有Java经验，那么你需要付出更多的努力来完成这种转换，不过我们也会帮助你。Java和C有相似的语法和控制语句。不过，有一些C语言的特性（特别是指针、显式的动态内存分配和格式化I/O）在Java中都是没有的。所幸的是，C是一个较小的语言，在Brian Kernighan和Dennis Ritchie经典的“K&R”文献中得到了清晰优美的描述[61]。无论你的编程背景如何，都应该考虑将K&R作为个人系统藏书的一部分。如果你只有使用解释性语言的经验，如Python、Ruby或Perl，那么在使用本书之前，需要花费一些时间来学习C。
本书的前几章揭示了C语言程序和它们相对应的机器语言程序之间的交互作用。机器语言示例都是用运行在x86-64处理器上的GNU GCC编译器生成的。我们不需要你以前有任何硬件、机器语言或是汇编语言编程的经验。
给C语言初学者关于C编程语言的建议
为了帮助C语言编程背景薄弱（或全无背景）的读者，我们在书中加入了这样一些专门的注释来突出C中一些特别重要的特性。我们假设你熟悉C++或Java。
如何阅读此书
从程序员的角度学习计算机系统是如何工作的会非常有趣，主要是因为你可以主动地做这件事情。无论何时你学到一些新的东西，都可以马上试验并且直接看到运行结果。事实上，我们相信学习系统的唯一方法就是做（do）系统，即在真正的系统上解决具体的问题，或是编写和运行程序。
这个主题观念贯穿全书。当引入一个新概念时，将会有一个或多个练习题紧随其后，你应该马上做一做来检验你的理解。这些练习题的解答在每章的末尾。当你阅读时，尝试自己来解答每个问题，然后再查阅答案，看自己的答案是否正确。除第1章外，每章后面都有难度不同的家庭作业。对每个家庭作业题，我们标注了难度级别：
*只需要几分钟。几乎或完全不需要编程。
**可能需要将近20分钟。通常包括编写和测试一些代码。（许多都源自我们在考试中出的题目。）
需要很大的努力，也许是1～2个小时。一般包括编写和测试大量的代码。
一个实验作业，需要将近10个小时。
文中每段代码示例都是由经过GCC编译的C程序直接生成并在Linux系统上进行了测试，没有任何人为的改动。当然，你的系统上GCC的版本可能不同，或者根本就是另外一种编译器，那么可能生成不一样的机器代码，但是整体行为表现应该是一样的。所有的源程序代码都可以从csapp.cs.cmu.edu上的CS:APP主页上获取。在本书中，源程序的文件名列在两条水平线的右边，水平线之间是格式化的代码。比如，图1中的程序能在code/intro/目录下的hello.c文件中找到。当遇到这些示例程序时，我们鼓励你在自己的系统上试着运行它们。
我们的目的是解释所有计算机系统的本质概念，并向你展示这些概念是如何实实在在地影响应用程序的正确性、性能和实用性的。其他的系统类书籍都是从构建者的角度来写的，讲述如何实现硬件或系统软件，包括操作系统、编译器和网络接口。而本书是从程序员的角度来写的，讲述应用程序员如何能够利用系统知识来编写出更好的程序。当然，学习一个计算机系统应该做些什么，是学习如何构建一个计算机系统的很好的出发点，所以，对于希望继续学习系统软硬件实现的人来说，本书也是一本很有价值的介绍性读物。大多数系统书籍还倾向于重点关注系统的某一个方面，比如：硬件架构、操作系统、编译器或者网络。本书则以程序员的视角统一覆盖了上述所有方面的内容。
如果你研究和领会了这本书里的概念，你将开始成为极少数的“牛人”，这些“牛人”知道事情是如何运作的，也知道当事情出现故障时如何修复。你写的程序将能够更好地利用操作系统和系统软件提供的功能，对各种操作条件和运行时参数都能正确操作，运行起来更快，并能避免出现使程序容易受到网络攻击的缺陷。同时，你也要做好更深入探究的准备，研究像编译器、计算机体系结构、操作系统、嵌入式系统、网络互联和网络安全这样的高级题目。
读者应具备的背景知识
本书的重点是执行x86-64机器代码的系统。对英特尔及其竞争对手而言，x86-64是他们自1978年起，以8086微处理器为代表，不断进化的最新成果。按照英特尔微处理器产品线的命名规则，这类微处理器俗称为“x86”。随着半导体技术的演进，单芯片上集成了更多的晶体管，这些处理器的计算能力和内存容量有了很大的增长。在这个过程中，它们从处理16位字，发展到引入IA32处理器处理32位字，再到最近的x86-64处理64位字。
我们考虑的是这些机器如何在Linux操作系统上运行C语言程序。Linux是众多继承自最初由贝尔实验室开发的Unix的操作系统中的一种。这类操作系统的其他成员包括Solaris、FreeBSD和MacOS X。近年来，由于Posix和标准Unix规范的标准化努力，这些操作系统保持了高度兼容性。因此，本书内容几乎直接适用于这些“类Unix”操作系统。
文中包含大量已在Linux系统上编译和运行过的程序示例。我们假设你能访问一台这样的机器，并且能够登录，做一些诸如切换目录之类的简单操作。如果你的计算机运行的是Microsoft Windows系统，我们建议你选择安装一个虚拟机环境（例如VirtualBox或者VMWare），以便为一种操作系统（客户OS）编写的程序能在另一种系统（宿主OS）上运行。
我们还假设你对C和C++有一定的了解。如果你以前只有Java经验，那么你需要付出更多的努力来完成这种转换，不过我们也会帮助你。Java和C有相似的语法和控制语句。不过，有一些C语言的特性（特别是指针、显式的动态内存分配和格式化I/O）在Java中都是没有的。所幸的是，C是一个较小的语言，在Brian Kernighan和Dennis Ritchie经典的“K&R”文献中得到了清晰优美的描述[61]。无论你的编程背景如何，都应该考虑将K&R作为个人系统藏书的一部分。如果你只有使用解释性语言的经验，如Python、Ruby或Perl，那么在使用本书之前，需要花费一些时间来学习C。
本书的前几章揭示了C语言程序和它们相对应的机器语言程序之间的交互作用。机器语言示例都是用运行在x86-64处理器上的GNU GCC编译器生成的。我们不需要你以前有任何硬件、机器语言或是汇编语言编程的经验。
给C语言初学者关于C编程语言的建议
为了帮助C语言编程背景薄弱（或全无背景）的读者，我们在书中加入了这样一些专门的注释来突出C中一些特别重要的特性。我们假设你熟悉C++或Java。
如何阅读此书
从程序员的角度学习计算机系统是如何工作的会非常有趣，主要是因为你可以主动地做这件事情。无论何时你学到一些新的东西，都可以马上试验并且直接看到运行结果。事实上，我们相信学习系统的唯一方法就是做（do）系统，即在真正的系统上解决具体的问题，或是编写和运行程序。
这个主题观念贯穿全书。当引入一个新概念时，将会有一个或多个练习题紧随其后，你应该马上做一做来检验你的理解。这些练习题的解答在每章的末尾。当你阅读时，尝试自己来解答每个问题，然后再查阅答案，看自己的答案是否正确。除第1章外，每章后面都有难度不同的家庭作业。对每个家庭作业题，我们标注了难度级别：
*只需要几分钟。几乎或完全不需要编程。
**可能需要将近20分钟。通常包括编写和测试一些代码。（许多都源自我们在考试中出的题目。）
需要很大的努力，也许是1～2个小时。一般包括编写和测试大量的代码。
一个实验作业，需要将近10个小时。
文中每段代码示例都是由经过GCC编译的C程序直接生成并在Linux系统上进行了测试，没有任何人为的改动。当然，你的系统上GCC的版本可能不同，或者根本就是另外一种编译器，那么可能生成不一样的机器代码，但是整体行为表现应该是一样的。所有的源程序代码都可以从csapp.cs.cmu.edu上的CS:APP主页上获取。在本书中，源程序的文件名列在两条水平线的右边，水平线之间是格式化的代码。比如，图1中的程序能在code/intro/目录下的hello.c文件中找到。当遇到这些示例程序时，我们鼓励你在自己的系统上试着运行它们。
序言
推荐序 一
华章公司温莉芳女士邀我为即将出版的《Computer Systems：A Programmer抯 Perspective》第3版的中文译本《深入理解计算机系统》写个序，出于两方面的考虑，欣然允之。
一是源于我个人的背景和兴趣。我长期从事软件工程和系统软件领域的研究，对计算机学科的认识可概括为两大方面：计算系统的构建和基于计算系统的计算技术应用。出于信息时代国家掌握关键核心技术的重大需求以及我个人专业的本位视角，我一直对系统级技术的研发给予更多关注，由于这种“偏爱”和研究习惯的养成，以至于自己在面对非本专业领域问题时，也常常喜欢从“系统观”来看待问题和解决问题。我自己也和《深入理解计算机系统》有过“亲密接触”。2012年，我还在北京大学信息科学技术学院院长任上，学院从更好地培养适应新技术、发展具有系统设计和系统应用能力的计算机专门人才出发，在调查若干国外高校计算机学科本科生教学体系基础上，决定加强计算机系统能力培养，在本科生二年级增设了一门系统级课程，即“计算机系统导论”。其时，学校正在倡导小班课教学模式，这门课也被选为学院的第一个小班课教学试点。为了体现学院的重视，我亲自担任了这门课的主持人，带领一个18人组成的“豪华”教学团队负责该课程的教学工作，将学生分成14个小班，每个小班不超过15人。同时，该课程涉及教师集体备课组合授课、大班授课基础上的小班课教学和讨论、定期教学会议、学生自主习题课和实验课等新教学模式的探索，其中一项非常重要的举措就是选用了卡内基–梅隆大学Randal E.Bryant教授和David R.O扝allaron教授编写的《Computer Systems:A Programmer抯 Perspective》（第2版）作为教材。虽然这门课程我只主持了一次，但对这本教材的印象颇深颇佳。
二是源于我和华章公司已有的良好合作和相互了解。2000年前后，我先后翻译了华章公司引进（机械工业出版社出版）的Roger Pressman编写的《Software Engineering：A Practitioner抯 Approach》一书的第4版和第5版。其后，在计算机学会软件工程专业委员会和系统软件专业委员会的诸多学术活动中也和华章公司及温莉芳女士本人有不少合作。近二十年来，华章公司的编辑们引进出版了大量计算机学科的优秀教材和学术著作，对国内高校计算机学科的教学改革起到了积极的促进作用，本书的翻译出版仍是这项工作的延续。这是一项值得褒扬的工作，我也想借此机会代表计算机界同仁表达对华章公司的感谢！
计算机系统类别的课程一直是计算机科学与技术专业的主要教学内容之一。由于历史原因，我国的计算机专业的课程体系曾广泛参考ACM和IEEE制订的计算机科学与技术专业教学计划（Computing Curricula）设计，计算机系统类课程也参照该计划分为汇编语言、操作系统、组成原理、体系结构、计算机网络等多门课程。应该说，该课程体系在历史上对我国的计算机专业教育起了很好的引导作用。
进入新世纪以来，计算技术发生了重要的发展和变化，我国的信息技术和产业也得到了迅猛发展，对计算机专业的毕业生提出了更高要求。重新审视原来我们参照ACM/IEEE计算机专业计划的课程体系，会发现存在以下几个方面的主要问题。
1）课程体系中缺乏一门独立的能够贯穿整个计算机系统的基础课程。计算机系统方面的基础知识被分成了很多门独立的课程，课程内容彼此之间缺乏关联和系统性。学生学习之后，虽然在计算机系统的各个部分理解了很多概念和方法，但往往会忽视各个部分之间的关联，难以系统性地理解整个计算机系统的工作原理和方法。
2）现有课程往往偏重理论，和实践关联较少。如现有的系统课程中通常会介绍函数调用过程中的压栈和退栈方式，但较少和实践关联来理解压栈和退栈过程的主要作用。实际上，压栈和退栈与理解C等高级语言的工作原理息息相关，也是常用的攻击手段Buffer Overflow的主要技术基础。
3）教学内容比较传统和陈旧，基本上是早期PC时代的内容。比如，现在的主流台式机CPU都已经是x86-64指令集，但较多课程还在教授80386甚至更早的指令集。对于近年来出现的多核/众核处理器、SSD硬盘等实际应用中遇到的内容更是涉及较少。
4）课程大多数从设计者的角度出发，而不是从使用者的角度出发。对于大多数学生来说，毕业之后并不会成为专业的CPU设计人员、操作系统开发人员等，而是会成为软件开发工程师。对他们而言，最重要的是理解主流计算机系统的整体设计以及这些设计因素对于应用软件开发和运行的影响。
这本教材很好地克服了上述传统课程的不足，这也是当初北大计算机学科本科生教学改革时选择该教材的主要考量。其一，该教材系统地介绍了整个计算机系统的工作原理，可帮助学生系统性地理解计算机如何执行程序、存储信息和通信；其二，该教材非常强调实践，全书包括9个配套的实验，在这些实验中，学生需要攻破计算机系统、设计CPU、实现命令行解释器、根据缓存优化程序等，在新鲜有趣的实验中理解系统原理，培养动手能力；其三，该教材紧跟时代的发展，加入了x86-64指令集、Intel Core i7的虚拟地址结构、SSD磁盘、IPv6等新技术内容；其四，该教材从程序员的角度看待计算机系统，重点讨论系统的不同结构对于上层应用软件编写、执行和数据存储的影响，以培养程序员在更广阔空间应用计算机系统知识的能力。
基于该教材的北大“计算机系统导论”课程实施已有五年，得到了学生的广泛赞誉，学生们通过这门课程的学习建立了完整的计算机系统的知识体系和整体知识框架，养成了良好的编程习惯并获得了编写高性能、可移植和健壮的程序的能力，奠定了后续学习操作系统、编译、计算机体系结构等专业课程的基础。北大的教学实践表明，这是一本值得推荐采用的好教材。
该书的第3版相对于第2版进行了较大程度的修改和扩充。第3版从一开始就采用最新x86-64架构来贯穿各部分知识，在内存技术、网络技术上也有一系列更新，并且重组了之前的一些比较难懂的内容。我相信，该书的出版，将有助于国内计算机系统教学的进一步改进，为培养从事系统级创新的计算机人才奠定很好的基础。
2016年10月8日
推 荐 序 二
2002年8月本书第1版首次印刷。一个月之后，我在复旦大学软件学院开设了“计算机系统基础”课程，成为国内第一个采用这本教材授课的老师。这本教材有四个特点。第一，涉及面广，覆盖了二进制、汇编、组成、体系结构、操作系统、网络与并发程序设计等计算机系统最重要的方面。第二，具有相当的深度，本书从程序出发逐步深入到系统领域的重要问题，而非点到为止，学完本书后读者可以很好地理解计算机系统的工作原理。第三，它是面向低年级学生的教材，在过去的教学体系中这本书所涉及的很多内容只能在高年级讲授，而本书通过合理的安排将计算机系统领域最核心的内容巧妙地展现给学生（例如，不需要掌握逻辑设计与硬件描述语言的完整知识，就可以体验处理器设计）。第四，本书配备了非常实用、有趣的实验。例如，模仿硬件仅用位操作完成复杂的运算，模仿tracker和hacker去破解密码以及攻击自身的程序，设计处理器，实现简单但功能强大的Shell和Proxy等。这些实验既强化了学生对书本知识的理解，也进一步激发了学生探究计算机系统的热情。
以低年级开设“深入理解计算机系统”课程为基础，我先后在复旦大学和上海交通大学软件学院主导了激进的教学改革。必修课时被大量压缩，现在软件工程专业必修课由问题求解、计算机系统基础、应用开发基础、软件工程四个模块9门课构成。其他传统的必修课如操作系统、编译原理、数字逻辑等都成为方向课。课程体系的变化，减少了学生修读课程的总数和总课时，因而为大幅度增加实验总量、提高实验难度和强度、增强实验的综合性和创新性提供了有力保障。现在我的课题组的青年教师全部是首批经历此项教学改革的学生。本科的扎实基础为他们从事系统软件研究打下了良好基础，他们实现了亚洲学术界在操作系统旗舰会议SOSP上论文发表零的突破，目前研究成果在国际上具有较大的影响力。师资力量的补充，又为全面推进更加激进的教学改革创造了条件。
本书的出版标志着国际上计算机教学进入了第三阶段。从历史来看，国际上计算机教学先后经历了三个主要阶段。第一阶段是上世纪70年代中期至80年代中期，那时理论、技术还不成熟，系统不稳定，因此教材主要围绕若干重要问题讲授不同流派的观点，学生解决实际问题的能力不强。第二阶段是上世纪80年代中期至本世纪初，当时计算机单机系统的理论和技术已逐步趋于成熟，主流系统稳定，因此教材主要围绕主流系统讲解理论和技术，学生的理论基础扎实，动手能力强。第三阶段从本世纪初开始，主要背景是随着互联网的兴起，信息技术开始渗透到人类工作和生活的方方面面。技术爆炸迫使教学者必须重构传统的以计算机单机系统为主导的课程体系。新的体系大面积调整了核心课程的内容。核心课程承担了帮助学生构建专业知识框架的任务，为学生在毕业后相当长时间内的专业发展奠定坚实基础。现在一般认为问题抽象、系统抽象和数据抽象是计算机类专业毕业生的核心能力。而本书担负起了系统抽象的重任，因此美国的很多高校都采用了该书作为计算机系统核心课程的教材。第三阶段的教材与第二阶段的教材是互补关系。第三阶段的教材主要强调坚实而宽广的基础，第二阶段的教材主要强调深入系统的专门知识，因此依然在本科高年级方向课和研究生专业课中占据重要地位。
上世纪80年代初，我国借鉴美国经验建立了自己的计算机教学体系并引进了大量教材。从21世纪初开始，一些学校开始借鉴美国第二阶段的教学方法，采用了部分第二阶段的著名教材，这些改革正在走向成熟并得以推广。2012年北京大学计算机专业采用本书作为教材后，采用本教材开设“计算机系统基础”课程的高校快速增加。以此为契机，国内的计算机教学也有望全面进入第三阶段。
本书的第3版完全按照x86-64系统进行改写。此外，第2版中删除了以x87呈现的浮点指令，在第3版中浮点指令又以标量AVX2的形式得以恢复。第3版更加强调并发，增加了较大篇幅用于讨论信号处理程序与主程序间并发时的正确性保障。总体而言，本书的三个版本在结构上没有太大变化，不同版本的出现主要是为了在细节上能够更好地反映技术的最新变化。
华章公司温莉芳女士邀我为即将出版的《Computer Systems：A Programmer抯 Perspective》第3版的中文译本《深入理解计算机系统》写个序，出于两方面的考虑，欣然允之。
一是源于我个人的背景和兴趣。我长期从事软件工程和系统软件领域的研究，对计算机学科的认识可概括为两大方面：计算系统的构建和基于计算系统的计算技术应用。出于信息时代国家掌握关键核心技术的重大需求以及我个人专业的本位视角，我一直对系统级技术的研发给予更多关注，由于这种“偏爱”和研究习惯的养成，以至于自己在面对非本专业领域问题时，也常常喜欢从“系统观”来看待问题和解决问题。我自己也和《深入理解计算机系统》有过“亲密接触”。2012年，我还在北京大学信息科学技术学院院长任上，学院从更好地培养适应新技术、发展具有系统设计和系统应用能力的计算机专门人才出发，在调查若干国外高校计算机学科本科生教学体系基础上，决定加强计算机系统能力培养，在本科生二年级增设了一门系统级课程，即“计算机系统导论”。其时，学校正在倡导小班课教学模式，这门课也被选为学院的第一个小班课教学试点。为了体现学院的重视，我亲自担任了这门课的主持人，带领一个18人组成的“豪华”教学团队负责该课程的教学工作，将学生分成14个小班，每个小班不超过15人。同时，该课程涉及教师集体备课组合授课、大班授课基础上的小班课教学和讨论、定期教学会议、学生自主习题课和实验课等新教学模式的探索，其中一项非常重要的举措就是选用了卡内基–梅隆大学Randal E.Bryant教授和David R.O扝allaron教授编写的《Computer Systems:A Programmer抯 Perspective》（第2版）作为教材。虽然这门课程我只主持了一次，但对这本教材的印象颇深颇佳。
二是源于我和华章公司已有的良好合作和相互了解。2000年前后，我先后翻译了华章公司引进（机械工业出版社出版）的Roger Pressman编写的《Software Engineering：A Practitioner抯 Approach》一书的第4版和第5版。其后，在计算机学会软件工程专业委员会和系统软件专业委员会的诸多学术活动中也和华章公司及温莉芳女士本人有不少合作。近二十年来，华章公司的编辑们引进出版了大量计算机学科的优秀教材和学术著作，对国内高校计算机学科的教学改革起到了积极的促进作用，本书的翻译出版仍是这项工作的延续。这是一项值得褒扬的工作，我也想借此机会代表计算机界同仁表达对华章公司的感谢！
计算机系统类别的课程一直是计算机科学与技术专业的主要教学内容之一。由于历史原因，我国的计算机专业的课程体系曾广泛参考ACM和IEEE制订的计算机科学与技术专业教学计划（Computing Curricula）设计，计算机系统类课程也参照该计划分为汇编语言、操作系统、组成原理、体系结构、计算机网络等多门课程。应该说，该课程体系在历史上对我国的计算机专业教育起了很好的引导作用。
进入新世纪以来，计算技术发生了重要的发展和变化，我国的信息技术和产业也得到了迅猛发展，对计算机专业的毕业生提出了更高要求。重新审视原来我们参照ACM/IEEE计算机专业计划的课程体系，会发现存在以下几个方面的主要问题。
1）课程体系中缺乏一门独立的能够贯穿整个计算机系统的基础课程。计算机系统方面的基础知识被分成了很多门独立的课程，课程内容彼此之间缺乏关联和系统性。学生学习之后，虽然在计算机系统的各个部分理解了很多概念和方法，但往往会忽视各个部分之间的关联，难以系统性地理解整个计算机系统的工作原理和方法。
2）现有课程往往偏重理论，和实践关联较少。如现有的系统课程中通常会介绍函数调用过程中的压栈和退栈方式，但较少和实践关联来理解压栈和退栈过程的主要作用。实际上，压栈和退栈与理解C等高级语言的工作原理息息相关，也是常用的攻击手段Buffer Overflow的主要技术基础。
3）教学内容比较传统和陈旧，基本上是早期PC时代的内容。比如，现在的主流台式机CPU都已经是x86-64指令集，但较多课程还在教授80386甚至更早的指令集。对于近年来出现的多核/众核处理器、SSD硬盘等实际应用中遇到的内容更是涉及较少。
4）课程大多数从设计者的角度出发，而不是从使用者的角度出发。对于大多数学生来说，毕业之后并不会成为专业的CPU设计人员、操作系统开发人员等，而是会成为软件开发工程师。对他们而言，最重要的是理解主流计算机系统的整体设计以及这些设计因素对于应用软件开发和运行的影响。
这本教材很好地克服了上述传统课程的不足，这也是当初北大计算机学科本科生教学改革时选择该教材的主要考量。其一，该教材系统地介绍了整个计算机系统的工作原理，可帮助学生系统性地理解计算机如何执行程序、存储信息和通信；其二，该教材非常强调实践，全书包括9个配套的实验，在这些实验中，学生需要攻破计算机系统、设计CPU、实现命令行解释器、根据缓存优化程序等，在新鲜有趣的实验中理解系统原理，培养动手能力；其三，该教材紧跟时代的发展，加入了x86-64指令集、Intel Core i7的虚拟地址结构、SSD磁盘、IPv6等新技术内容；其四，该教材从程序员的角度看待计算机系统，重点讨论系统的不同结构对于上层应用软件编写、执行和数据存储的影响，以培养程序员在更广阔空间应用计算机系统知识的能力。
基于该教材的北大“计算机系统导论”课程实施已有五年，得到了学生的广泛赞誉，学生们通过这门课程的学习建立了完整的计算机系统的知识体系和整体知识框架，养成了良好的编程习惯并获得了编写高性能、可移植和健壮的程序的能力，奠定了后续学习操作系统、编译、计算机体系结构等专业课程的基础。北大的教学实践表明，这是一本值得推荐采用的好教材。
该书的第3版相对于第2版进行了较大程度的修改和扩充。第3版从一开始就采用最新x86-64架构来贯穿各部分知识，在内存技术、网络技术上也有一系列更新，并且重组了之前的一些比较难懂的内容。我相信，该书的出版，将有助于国内计算机系统教学的进一步改进，为培养从事系统级创新的计算机人才奠定很好的基础。
2016年10月8日
推 荐 序 二
2002年8月本书第1版首次印刷。一个月之后，我在复旦大学软件学院开设了“计算机系统基础”课程，成为国内第一个采用这本教材授课的老师。这本教材有四个特点。第一，涉及面广，覆盖了二进制、汇编、组成、体系结构、操作系统、网络与并发程序设计等计算机系统最重要的方面。第二，具有相当的深度，本书从程序出发逐步深入到系统领域的重要问题，而非点到为止，学完本书后读者可以很好地理解计算机系统的工作原理。第三，它是面向低年级学生的教材，在过去的教学体系中这本书所涉及的很多内容只能在高年级讲授，而本书通过合理的安排将计算机系统领域最核心的内容巧妙地展现给学生（例如，不需要掌握逻辑设计与硬件描述语言的完整知识，就可以体验处理器设计）。第四，本书配备了非常实用、有趣的实验。例如，模仿硬件仅用位操作完成复杂的运算，模仿tracker和hacker去破解密码以及攻击自身的程序，设计处理器，实现简单但功能强大的Shell和Proxy等。这些实验既强化了学生对书本知识的理解，也进一步激发了学生探究计算机系统的热情。
以低年级开设“深入理解计算机系统”课程为基础，我先后在复旦大学和上海交通大学软件学院主导了激进的教学改革。必修课时被大量压缩，现在软件工程专业必修课由问题求解、计算机系统基础、应用开发基础、软件工程四个模块9门课构成。其他传统的必修课如操作系统、编译原理、数字逻辑等都成为方向课。课程体系的变化，减少了学生修读课程的总数和总课时，因而为大幅度增加实验总量、提高实验难度和强度、增强实验的综合性和创新性提供了有力保障。现在我的课题组的青年教师全部是首批经历此项教学改革的学生。本科的扎实基础为他们从事系统软件研究打下了良好基础，他们实现了亚洲学术界在操作系统旗舰会议SOSP上论文发表零的突破，目前研究成果在国际上具有较大的影响力。师资力量的补充，又为全面推进更加激进的教学改革创造了条件。
本书的出版标志着国际上计算机教学进入了第三阶段。从历史来看，国际上计算机教学先后经历了三个主要阶段。第一阶段是上世纪70年代中期至80年代中期，那时理论、技术还不成熟，系统不稳定，因此教材主要围绕若干重要问题讲授不同流派的观点，学生解决实际问题的能力不强。第二阶段是上世纪80年代中期至本世纪初，当时计算机单机系统的理论和技术已逐步趋于成熟，主流系统稳定，因此教材主要围绕主流系统讲解理论和技术，学生的理论基础扎实，动手能力强。第三阶段从本世纪初开始，主要背景是随着互联网的兴起，信息技术开始渗透到人类工作和生活的方方面面。技术爆炸迫使教学者必须重构传统的以计算机单机系统为主导的课程体系。新的体系大面积调整了核心课程的内容。核心课程承担了帮助学生构建专业知识框架的任务，为学生在毕业后相当长时间内的专业发展奠定坚实基础。现在一般认为问题抽象、系统抽象和数据抽象是计算机类专业毕业生的核心能力。而本书担负起了系统抽象的重任，因此美国的很多高校都采用了该书作为计算机系统核心课程的教材。第三阶段的教材与第二阶段的教材是互补关系。第三阶段的教材主要强调坚实而宽广的基础，第二阶段的教材主要强调深入系统的专门知识，因此依然在本科高年级方向课和研究生专业课中占据重要地位。
上世纪80年代初，我国借鉴美国经验建立了自己的计算机教学体系并引进了大量教材。从21世纪初开始，一些学校开始借鉴美国第二阶段的教学方法，采用了部分第二阶段的著名教材，这些改革正在走向成熟并得以推广。2012年北京大学计算机专业采用本书作为教材后，采用本教材开设“计算机系统基础”课程的高校快速增加。以此为契机，国内的计算机教学也有望全面进入第三阶段。
本书的第3版完全按照x86-64系统进行改写。此外，第2版中删除了以x87呈现的浮点指令，在第3版中浮点指令又以标量AVX2的形式得以恢复。第3版更加强调并发，增加了较大篇幅用于讨论信号处理程序与主程序间并发时的正确性保障。总体而言，本书的三个版本在结构上没有太大变化，不同版本的出现主要是为了在细节上能够更好地反映技术的最新变化。
