如何閱讀《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》？(文末送書)
[導(dǎo)讀]導(dǎo)讀：如果你也讀CS專業(yè)，如果你也不知道怎么回答“學(xué)計(jì)算機(jī)不就是學(xué)修電腦”這個(gè)CS系的宿命之問，推薦一定讀一讀《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》。《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》是一本什么樣的書呢？兩個(gè)字，經(jīng)典。原因有二，第一，這書無數(shù)業(yè)界大牛推薦，第二，這書和你印象中的經(jīng)典一樣，給人的第一感覺就是厚...
導(dǎo)讀：如果你也讀CS專業(yè)，如果你也不知道怎么回答“學(xué)計(jì)算機(jī)不就是學(xué)修電腦”這個(gè)CS系的宿命之問，推薦一定讀一讀《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》。《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》是一本什么樣的書呢？兩個(gè)字，經(jīng)典。原因有二，第一，這書無數(shù)業(yè)界大牛推薦，第二，這書和你印象中的經(jīng)典一樣，給人的第一感覺就是厚實(shí)。不過，厚實(shí)也很容易再給人一種感覺，那就是望而卻步——你沒準(zhǔn)會想，這么厚的書，又是經(jīng)典，是不是很難讀？
大可放心，一點(diǎn)也不會。
經(jīng)典也是有細(xì)分領(lǐng)域的，有很多書之所以經(jīng)典，是因?yàn)閷σ恍﹩栴}進(jìn)行了很深入的探討，而《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》的經(jīng)典，我認(rèn)為是把計(jì)算機(jī)中被分割成很多塊的知識，用一本書一口氣完整地全部整理出來。
1《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》為什么經(jīng)典
我們先回想一下，計(jì)算機(jī)專業(yè)都開設(shè)有哪些專業(yè)課。首先肯定有編程，這個(gè)專業(yè)很大一部分工作是要給碼農(nóng)培養(yǎng)接班人。編程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是編譯，那設(shè)計(jì)編譯器要開一門課，叫編譯原理。編譯完了要運(yùn)行，運(yùn)行需要依賴硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，于是就有了計(jì)算機(jī)組成原理和操作系統(tǒng)。如果早個(gè)二三十年，計(jì)算機(jī)的知識體系到這就差不多了，不過現(xiàn)在可是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，所以還得再加一門課，叫計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。這還是往大了分，細(xì)分就更多了，光編程語言就有好幾種，而且別忘了背后還有一堆的各種數(shù)學(xué)，就不細(xì)說了。
計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，學(xué)科體系自然枝繁葉茂，但學(xué)計(jì)算機(jī)很容易就像在追冰與火之歌一樣，世界觀太宏大支線劇情太多，眼前很難呈現(xiàn)出一幅完整的圖景。所以當(dāng)時(shí)我們學(xué)各門學(xué)科的時(shí)候，大家問的最多的不是學(xué)科本身的某個(gè)知識點(diǎn)，而是“為什么要學(xué)這門課”。剛才我把各個(gè)主要科目串了一串，讀完應(yīng)該會對各科之間的關(guān)系有一個(gè)更宏觀的了解。
可是，光有這么一句話肯定還有很多問題沒法解決。有沒有一本書專從這個(gè)角度講計(jì)算機(jī)科學(xué)呢？計(jì)算機(jī)科學(xué)有很多經(jīng)典的書，但大多數(shù)都是專注各個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)部知識，不過好在還真有一本經(jīng)典的書，是從計(jì)算機(jī)的角度來看待計(jì)算機(jī)，這就是《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》。
我當(dāng)初讀《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》，讀完就是一個(gè)感覺，淋漓暢快。感覺腦子里很多零星的碎片，讀完以后都拼在了一起?！渡钊肜斫庥?jì)算機(jī)系統(tǒng)》書很厚，講的也深入，但深入的是知識點(diǎn)與知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，也許很多正好都是你深感困擾的問題，讀完很容易讓你有種“哦，原來是這樣”的感嘆，節(jié)省了很多去苦苦思索的時(shí)間。寫本文的時(shí)候我特意看了一下大家對《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》的書評，果然很多人感受和我一樣，相見恨晚。
2《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》都寫了什么
《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》這本書起源于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）的一門課，叫計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論（ICS）。這門課相信計(jì)算機(jī)系的學(xué)生都不會陌生，一般都是作為第一門專業(yè)課開設(shè)的，內(nèi)容基本就是回答大家剛?cè)肟訒r(shí)最想知道的那個(gè)問題：學(xué)計(jì)算機(jī)都學(xué)些什么。對于我來說，這是當(dāng)時(shí)唯一一門從計(jì)算機(jī)整體視角來開展介紹的課程，在那以后，我們就被扔進(jìn)各個(gè)子學(xué)科里面撲騰，再也難一窺全貌。
《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》的作者們很謙虛，說這本書起源于ICS，但經(jīng)過3版的不斷擴(kuò)充內(nèi)容，涵蓋范圍已經(jīng)很廣，現(xiàn)在也可以作為計(jì)算機(jī)組成原理（ORG）和系統(tǒng)編程（SP）的教材，但我覺得，這本書的用途遠(yuǎn)不止于“教材”。
相信每個(gè)學(xué)完計(jì)算機(jī)的學(xué)生都會認(rèn)同，學(xué)計(jì)算機(jī)，編程也好其它什么也好，最佳的方法就是動手，親自動手做一次，比看什么書都掌握得牢靠。但是，這就帶來一個(gè)悖論：學(xué)計(jì)算機(jī)，最好的方法就是去做一臺計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)專業(yè)教的內(nèi)容一言蔽之，確實(shí)就是怎樣去制造計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各個(gè)所需部件，但限制條件非常多，真正動手?jǐn)]一臺計(jì)算機(jī)不太現(xiàn)實(shí)。
那怎么辦呢？我經(jīng)常在B站圍觀大牛完成各種精巧的小玩意，看了一遍，感覺自己也像是做了一遍，雖然肯定沒有自己動手來得實(shí)在，不過肯定比只看純描寫要好得多。那我們是不是能退而求其次，“看”別人一個(gè)部件一個(gè)部件地?cái)]一臺計(jì)算機(jī)呢？《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》就是從這個(gè)理念出發(fā)寫成了本書。
3《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》第3版都改了什么
《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》是一本經(jīng)典書，現(xiàn)在已經(jīng)出到了第3版，正好我手里第2版和第3版都有，順手先一個(gè)比較。
總的來說，第3版基本沿用了第2版的框架，但也有不少變化。首先第3版有兩個(gè)直觀變化，一個(gè)是更厚了一點(diǎn)，一個(gè)是印刷更好看了，第2版是最經(jīng)典的黑白印刷，第3版加入了藍(lán)色，正好這本書里面很多代碼圖表，看起來更醒目了。
在內(nèi)容上第3版也做了大量修改。第2版和第3版大概相差10年，在第2版上市的時(shí)候，IA32架構(gòu)，也就是我們俗稱的32位指令集還是主流，但到了現(xiàn)在，已經(jīng)是64位指令集，也就是x86-64的天下了。第3版也體現(xiàn)了技術(shù)的變化，指令集的表現(xiàn)形式均采用64位。指令集是非常底層的東西，所以這部分牽涉了很多內(nèi)容，書里都做了全面調(diào)整。
另一個(gè)內(nèi)容上的大改動是API的升級，譬如在第11章，第3版用新的getaddrinfo和getnameinfo函數(shù)取代了老版的gethostbyname和gethostbyaddr。
此外還有不少細(xì)節(jié)上的調(diào)整甚至重寫，也對一些容易讓人困擾的知識點(diǎn)進(jìn)行了擴(kuò)充說明，總的來說閱讀體驗(yàn)比上一版更好。4《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》漫游指南
《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》一共12章，分成程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)行、在系統(tǒng)上運(yùn)行程序和程序間的交互和通信三個(gè)部分，涉及了計(jì)算機(jī)技術(shù)的方方面面，橫跨多個(gè)科目。下面我就毛遂自薦充當(dāng)各位的導(dǎo)游，和大家一起逐章看看都講了哪些內(nèi)容。
第一章，章名就叫“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)漫游”，可以認(rèn)為是這本書的“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課，以一個(gè)hello程序?yàn)橹骶€，串起了從編代碼到程序執(zhí)行整個(gè)過程都經(jīng)歷了哪些環(huán)節(jié)。最后有一個(gè)知識點(diǎn)，叫“Amdahl定律”，研究各個(gè)部件的性能提升和整體性能提升的關(guān)系。
第二章，叫“信息的表示和處理”，介紹了一些數(shù)字邏輯的內(nèi)容，也就是計(jì)算機(jī)的“計(jì)算”部分。計(jì)算可分為數(shù)值類型和運(yùn)算類型兩個(gè)組成部分，在數(shù)學(xué)體系里，數(shù)的類型有很多，譬如自然數(shù)、整數(shù)、有理數(shù)、無理數(shù)、代數(shù)數(shù)、超越數(shù)、實(shí)數(shù)等等，光數(shù)系都是數(shù)學(xué)里的重點(diǎn)研究對象，不過別擔(dān)心，計(jì)算機(jī)里邊就簡單多了，目前只分為整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩類。第二章也是“程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)行”部分的第一章，往下都是從機(jī)器角度看程序構(gòu)造。
第三章，叫“程序的機(jī)器級表示”，名字挺拗口，其實(shí)說的就是指令集的事。計(jì)算機(jī)專業(yè)一般不會為CPU指令集專門開一課，很多知識點(diǎn)和匯編語言說的內(nèi)容重合，前面說的全面調(diào)整為x86-64體系，在這個(gè)部分體現(xiàn)得很充分。
第四章，叫“處理器體系結(jié)構(gòu)”，講的是CPU的工作原理。不要和上一章搞混了，CPU的指令集，和CPU本身的結(jié)構(gòu)原理有關(guān)系，但不完全是一回事，這一章更多的是邏輯電路相關(guān)的內(nèi)容，介紹諸如時(shí)鐘周期、流水線等偏硬件內(nèi)容。
第五章，叫“優(yōu)化程序性能”，章名就已經(jīng)很明確，劃分知識點(diǎn)的話大部分屬于編譯原理范疇。我們上編譯原理主要講的是各種文法和實(shí)現(xiàn)諸如詞法器這類的部件，不過這都屬于基本功，真正的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于優(yōu)化。當(dāng)然程序性能優(yōu)化不止編譯優(yōu)化，這是一套體系，還有內(nèi)存、存儲等多個(gè)地方都可以進(jìn)行優(yōu)化。要想看編譯原理的基本功部分，推薦看龍書。
第六章，叫“存儲器層次結(jié)構(gòu)”，就是我們所說的內(nèi)存外存了，涉及磁盤構(gòu)造、緩存設(shè)計(jì)等等問題。
第七章，叫“鏈接”，這是源碼編譯的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?；貞浺幌戮幾g原理對編譯過程的介紹，源碼編譯不是直接從源碼編譯成目標(biāo)代碼，也就是不是直接生成機(jī)器碼，而生成一種叫“中間代碼”的產(chǎn)物。以中間代碼為界，前面叫“前端”，對應(yīng)的還有一個(gè)“后端”，就是通過中間代碼最終生成目標(biāo)代碼，鏈接就是這個(gè)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。第七章也是“在系統(tǒng)上運(yùn)行程序”部分的第一章，往下主要是從操作系統(tǒng)的角度看程序運(yùn)行性的各種情況。
第八章，叫“異?？刂屏鳌保爱惓！边@個(gè)概念大家肯定都聽過，不過這里主要指的是操作系統(tǒng)中的異常及中斷的工作流程，不過也簡要討論了高級編程語言中的異常。
第九章，叫“虛擬內(nèi)存”，虛擬內(nèi)存在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中非常重要，這一章主要討論虛擬內(nèi)存的各種管理機(jī)制，以及現(xiàn)在很熱門的垃圾收集（GC），還延伸了一點(diǎn)安全人員很感興趣的內(nèi)存泄露方面的討論。
第十章，叫“系統(tǒng)級IO”，主要介紹文件系統(tǒng)的讀寫等操作接口。要是能對文件系統(tǒng)本身多展開一點(diǎn)內(nèi)容就更好了。這一章也是“程序間的交互和通信”部分的第一章，往下說的就都是各種IO了。
第十一章和第十二章分別介紹了“網(wǎng)絡(luò)編程”和“并發(fā)編程”，至此主流的各種IO就全部介紹了一遍。5
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