01 / 导读
导读
引用
Bryant, R. E., & O'Hallaron, D. R. (2015). Computer Systems: A Programmer's Perspective (3rd ed.). Pearson.
章节概要
全书分三部分，共十二章，另有一个关于错误处理的简短附录。作者明确说明了取舍标准：只有当某个主题会影响用户级 C 程序的性能、正确性或实用性时，才会收入书中。各章末尾有小结和参考文献说明，多数章还附有习题。正文中练习题的解答集中放在每章末尾。
第一部分：程序结构和执行（第 1–6 章）
第 1 章：A Tour of Computer Systems（计算机系统漫游）
本章沿着一个简单的“hello, world”程序的生命周期，引出以下主要主题：信息就是位加上上下文；编译系统对程序的翻译；运行程序的硬件组成；高速缓存与存储层次；操作系统的进程、线程、虚拟内存和文件；以及通过网络通信。章末给出三个反复出现的主题：Amdahl 定律、并发与并行，以及抽象。
第 2 章：Representing and Manipulating Information（信息的表示和处理）
本章涵盖以下内容：
- 信息存储：十六进制、字长、字节顺序，以及 C 中的位级运算和逻辑运算。
- 整数表示：无符号编码和补码编码、转换、符号扩展与截断。
- 整数运算。
- 浮点数：IEEE 表示、舍入，以及 C 中的浮点数。
作者强调这些内容对程序员的影响，例如两个正数相加可能得到负数。他们指出，读者最常觉得这一章吃力。第三版标出了讲法转向数学化的地方，方便读者第一遍先略读。
第 3 章：Machine-Level Representation of Programs（程序的机器级表示）
读者在这里学习阅读 C 编译器生成的 x86-64 代码，内容包括：数据传送和算术运算；条件码、跳转、循环与 switch 语句；过程与运行时栈；数组、结构与联合，以及对齐；指针；使用 gdb 调试器；缓冲区溢出及其防御；浮点代码。
第 4 章：Processor Architecture（处理器体系结构）
本章围绕 Y86-64 指令集设计一个简化的处理器。它先介绍逻辑设计和硬件控制语言 HCL，再分阶段构建顺序实现。随后解释流水线的原理与局限，并发展出一个五级流水线实现，涉及冒险、异常处理、控制逻辑和性能分析。
第 5 章：Optimizing Program Performance（优化程序性能）
本章先讲优化编译器能做什么、不能做什么，然后消除循环低效、冗余的过程调用和不必要的内存引用。在介绍现代乱序处理器的工作模型之后，本章讲解循环展开、多累加器和重新结合，寄存器溢出和分支预测错误等限制因素，内存性能，以及性能剖析。
第 6 章：The Memory Hierarchy（存储器层次结构）
本章涵盖存储技术（RAM、磁盘、固态硬盘）、局部性和存储器层次结构，以及高速缓存存储器，包括直接映射、组相联和全相联缓存、写操作，以及缓存参数对性能的影响。最后讲如何编写缓存友好的代码，并从“存储器山”的角度看性能。
第二部分：在系统上运行程序（第 7–9 章）
第 7 章：Linking（链接）
第 7 章涵盖：编译器驱动程序与静态链接；目标文件、符号与符号解析；重定位；可执行文件与加载；使用共享库的动态链接；位置无关代码；库打桩；以及操作目标文件的工具。
第 8 章：Exceptional Control Flow（异常控制流）
本章介绍异常、进程、进程控制、信号和非本地跳转。作者说，读完这一章，读者就能写出一个带作业控制的简单 Unix shell。
第 9 章：Virtual Memory（虚拟内存）
本章讲解物理寻址与虚拟寻址，并把虚拟内存作为缓存、内存管理和保护的工具来介绍。随后涵盖：地址翻译；Intel Core i7 与 Linux 内存系统的案例研究；内存映射；动态内存分配；垃圾收集；以及 C 程序中常见的与内存有关的错误。
第三部分：程序间的交互和通信（第 10–12 章）
第 10 章：System-Level I/O（系统级 I/O）
本章涵盖：Unix I/O 与文件；打开、读取和写入文件；处理“不足值”的健壮 I/O 包；文件元数据与目录；文件共享与 I/O 重定向；以及标准 I/O。本章为后两章做准备。
第 11 章：Network Programming（网络编程）
本章介绍客户端-服务器模型、网络与全球 IP 因特网、套接字接口、Web 服务器，以及一个 Tiny Web 服务器。作者称这一章是切入网络编程的一个薄片，目标是做出一个简单的 Web 服务器。
第 12 章：Concurrent Programming（并发编程）
最后一章比较三种并发方式：基于进程、基于 I/O 多路复用和基于线程。随后讲共享变量、用信号量同步，以及用线程实现并行。章末讨论其他问题：线程安全、可重入性、竞争和死锁。
附录 A：Error Handling（错误处理）
这是一个简短的附录，介绍 Unix 系统中的错误处理和错误处理包装函数。
核心概念
第一部分：程序结构和执行（第 1–6 章）
- 补码和 IEEE 浮点表示：为什么有限的位模式会产生令人意外的算术结果。
- 机器级代码与运行时栈：C 语言结构和过程如何对应到指令。
- 流水线：让指令的各个阶段重叠执行，以及限制流水线的冒险。
- 局部性与存储器层次结构：为什么决定性能的是访问模式，而不仅是处理器速度。
第二部分：在系统上运行程序（第 7–9 章）
- 链接与重定位：目标文件和库如何变成可执行文件。
- 异常控制流：异常、信号和进程是并发的来源。
- 虚拟内存与动态分配：地址翻译，以及 malloc 和 free 的实现。
第三部分：程序间的交互和通信（第 10–12 章）
- Unix I/O 与套接字：网络程序的基本构件。
- 并发服务器：比较进程、I/O 多路复用和线程三种方式。
- 同步：信号量、竞争和死锁。
评析
优点
- 清晰的组织思想。 作者把“构建者视角”与程序员视角相对照，并对每个主题应用同一条取舍标准。因此，链接、信号和 malloc 被收入书中，而加法器或总线的详细设计被略去。
- 主动学习融入书中。 新概念之后紧跟练习题，解答放在每章末尾。习题标有工作量等级，从几分钟到十小时的实验不等。所有代码示例都在 Linux 上编译运行过，源代码可从本书网站获得。
- 来自长期开设课程的实验。 前言介绍了与本书配套的实验：数据实验、二进制炸弹、缓冲区溢出、体系结构、性能或缓存、shell、malloc 和代理实验。供自学使用、不含答案的版本可在作者网站上获得。
- 对 C 语言新手的支持。 “New to C?”提示指出语言方面的要点，网络附注（web aside）则把补充材料移出正文。
- 使用灵活。 前言把各章映射到五种课程类型，从计算机组成课程到系统编程课程都有对应安排。
局限
- 绑定单一平台。 本书面向 x86-64 机器代码、gcc 编译器和 Linux。使用其他指令集的读者看到的机器代码会有所不同，不过作者称整体行为应当一致。
- 需要 C 语言基础。 作者假定读者熟悉 C 或 C++。只会 Java 的读者需要多花力气，只会 Python、Ruby 或 Perl 的读者则被建议先学 C。
- 简化的处理器。 第 4 章为讲解流水线设计了 Y86-64 处理器。它是 x86-64 的精简子集，属于教学用设计，而不是商用处理器的模型。
- 有意为之的取舍。 作者把网络编程一章称为一个薄片，取舍标准也排除了加法器设计这类硬件主题。
- 硬件示例较旧。 本版出自 2015 年，处理器和缓存示例反映的是当时的机器。
- 习题随版本而异。 CMU 课程教学人员提醒，早期版本与第三版差异很大，汇编语言部分尤其明显。他们还指出，第三版的平装本/国际版配有不同的练习题和习题，并批评了其中一些题目；他们提到的 Kindle 版也使用这套题目。如果你打算跟着课程做习题，应留意手头的版本。
在课程中的定位
《Computer Systems: A Programmer's Perspective》从软件一侧审视机器。几本相关的书可以排在它之前、与它并行或排在它之后：
- 之前： Petzold 的 Code 是面向普通读者的叙述性入门。Nisan 和 Schocken 的 The Elements of Computing Systems 以项目方式从逻辑门起步搭建一台计算机。两者都可以排在本书之前。
- 并行： Harris 和 Harris 的 Digital Design and Computer Architecture, RISC-V Edition 从硬件向上讲，并让学生自己设计处理器，因此可以与本书第 4 章搭配。
- 之后： Hennessy 和 Patterson 的 Computer Architecture: A Quantitative Approach 是研究生层次的体系结构定量研究。Shen 和 Lipasti 的 Modern Processor Design 详细讲述了第 5 章只用模型概略描述的乱序超标量处理器。
如何使用本书
本书面向能用 C 或 C++ 编程、想弄清自己的程序底层发生了什么的计算机和工程专业学生。不要求具备硬件或汇编语言经验。
依据前言中的课程类型，实用的安排如下：
- 面向程序员的课程核心： 第 1 至 3 章和第 5 至 9 章，从数据表示一路讲到机器代码、优化、存储器层次结构、链接、进程和虚拟内存。
- 系统编程课程再加： 第 10 至 12 章，一步步构建出一个并发 Web 服务器。
- 计算机组成课程再加： 第 4 章处理器体系结构。
- 练习： 每个概念出现时就做相应的练习题，并尝试完成实验，尤其是数据、炸弹、缓冲区溢出、缓存、shell 和 malloc 实验。手边最好备一台 Linux 机器或虚拟机。
课程实例：卡内基梅隆大学 15-213
- 课程： 卡内基梅隆大学 15-213/15-513/14-513 Introduction to Computer Systems，2025 年秋季（教学大纲）。
- 角色： CS:APP3e 是必读的主要教材，所有阅读作业都出自本书。课程要求学生阅读正文，并尝试完成每次课阅读内容所对应的练习题。也就是说，本书是配合练习使用的工作教材，而不只是参考书。
- 获取： CMU 的 15-213/15-513 教材页面说明，CMU 图书馆提供本书。
- 主题： 课程主题包括数值表示与位级运算、C 与汇编的关系、二进制级调试、进程与线程、虚拟内存、网络、内存与 CPU 性能、安全漏洞、编程工具，以及同步。具体到哪些章节，以课程进度表为准。
- 配套参考： 课程建议以 Kernighan 和 Ritchie 的 The C Programming Language（第 2 版，1988）作为 C 语言参考书，而不是作为替代的系统教材。
- 版本： 课程指定第三版（Pearson，ISBN 0-13-409266-X），并倾向于精装本。
版本与书目来源
本页介绍的是北美第三版。作者记录其发行时间为 2015 年 3 月，版权年为 2016 年；上文引用采用发行年。Global 版的页码和书号不同。公开的实验和样章并不意味着整本教材可以免费获取。
ISBN 978-0-13-409266-9 是 CMU 所指定的 0-13-409266-X 的 13 位形式，因此与上述 CMU 课程使用的是同一版本；CMU 引用的 2016 年是该版的版权年。平装本/国际版的习题差异见上文“局限”部分。
第三版的官方介绍见作者网站。
