老赵书托（3）：深入理解计算机系统
2009-11-23 00:10 by 老赵, 33459 visits这次我要推荐的是《Computer Systems: A Programmer’s Perspective》（下文简称CSAPP），在国内可以买到其影印版。它也已经被翻译成为中文，即中国电力出版社的《深入理解计算机系统（修订版）》。
基本知识
如果说我上次推荐的SICP强调的是编程能力，抽象能力的话，那么CSAPP这本书强调的便是作为一个程序员的基本知识。SICP来自世界顶级学府MIT，而CSAPP也同样出身名门：CMU（卡耐基梅隆大学）。虽然没有SICP那么历史悠久，但它被世界几百所大学（幸运的是也包括我所就读的复旦大学）用作教材也有好多年了。
这本书的中译名为“深入理解计算机系统”，我非常，十分，以及百分之一百二十地不满意。我这么说的原因在于这个译法完全扭曲了书的本意。如果直译原书名，应该是类似于“以程序员的视角理解计算机系统”，何来“深入”二字。可能在国内编辑看来，这是讲系统的，用C和汇编语言的，因此很“深入”，但我认为这只能说明国内技术氛围的浅薄。因为事实上，这是一本入门级别的书，这本书其实并不“深入”，它谈论的内容还是相对比较浅的。但“浅”不代表“浅薄”，写一本面向初学者的好书往往是非常困难的，因此无论是SICP还是CSAPP，它的作者都是顶尖学府的教授，结合多年教学经验而写出来的。
CMU把这本书作为“Introduction to Computer System”课程的教材，是面向计算机专业低年级学生的“计算机系统介绍（导论）”，可能这些学生只是刚刚了解如何使用一门高级语言——如Java进行编程，对于计算机系统的工作方式等话题可谓一点都没有接触过，而CSAPP对读者的背景也只要求是“一些编程经验”而已。这本书的话题覆盖面很广，从计算机的基本组成，二进制数据表示方式，到机器级别的指令，CPU工作方式，存储结构和优化，操作系统的虚拟内存管理，程序运行方式，I/O，网络、到（较底层）程序性能优化和并行程序开发等等。所以，它其实覆盖了“计算机组成原理”，“操作系统”等许多课程的内容，其中的许多话题都能再次展开，继续深入，都能再变成一本，甚至N本经典。事实上，在高年级的计算机专业课程设置中，都会有更加纵向的内容出现。
因此，如果有人说它“底层”，我同意。但如果说它“深入”，至少我不那么赞同。
“覆盖面广”，其实就是这本书的最大优点。它告诉我们计算机是如何设计和工作的，操作系统有哪些重点，它们的作用又是什么。CSAPP的目标其实便是要讲清楚原理，但并不会把某个话题挖掘地过于深入，过于细节。例如书中第4章使用了自己“设计”和“实现”的“Y86”处理器架构，便是为了简化X86指令集，使课本内容在能够说明问题的前提下也不至于太复杂。因此，读完（其实也并不一定要读完，说实话我也没有读完）这本书后，我们就可以对计算机系统各组件的工作方式有了理性的认识。
那么，这本书适合什么人阅读呢？对于这个问题我也有过犹豫。在打算写“老赵书托”系列的之后，前两本列在书单的上便是SICP和CSAPP。我对CSAPP推崇备至，在以前的几篇文章中也都有提及，但最后还是先推荐了SICP。怪怪同学当时在回复中说到“我还以为你会先推荐CSAPP”，其实这就是因为一个“适合面”的问题。在我看来，SICP所强调的编程和抽象能力是任何程序员都需要的，但是如果您问我“所有程序员都应该读CSAPP吗？”，或者再具体一些：“前端JavaScript程序员需要看CSAPP吗？”，那么我可能就无法给出100%令人满意的答案了。我可能会这样回答：其实这些内容很多时候并不一定可以“直接用于”某个工作，但是它其实和操作系统，编译原理等话题一样，包含的是一套“工作方式”，“算法集”，“实践成果集”，其中很多理念，如Cache Hierarchy，Copy on Write等理解的适用范围其实都是非常广泛的。在一定程度上，其实它和SICP一样也是在锻炼思维方式，只不过是已经经过具体化的实践方式而已。
因此，即便你是一个前端JavaScript程序员，也可以从CSAPP这本书中获益。如果您是.NET程序员，那么您更加适合看这本书了。说一句“豪情万丈”的话：如果不知道XX，YY或ZZ的话，这如何算是一个优秀的程序员？这本书和平时的工作可能的确不一样，相比起来“底层”了一些，但是它还是会把“底层内容”控制在一定深度之内，而不会讲某个具体话题挖掘到“事倍功半”的程度。而事实上，虽然在进行.NET开发的时候我们已经在一个较高的抽象上工作了，但是我们的程序还是运行在操作系统上，还是在遵循着某个规律在运行着，了解一些内部的工作机制也有助于我们写出更好的应用程序。
说来也奇怪，虽然各种语言，框架发展地越来越好，按理来说我们写程序也应该越来越容易。但是现在看来，一些基础性的内容反而也变得越来越重要了，例如在并行计算面前，计算系统的一些细节，如内存一致性模型，线程调度，程序的局部性（Locality）又被提上台面，否则我们很难写出高效的应用程序。同样，一些如函数式编程，Monad等在几年前看起来十分科研型，数学化的事物也离我们越来越近了，如LINQ，Reactive Framework等等，其实它们都已经是我们身边的事物了。
阅读建议及相关资源
CSAPP这本书覆盖面很广，我认为并非要一字不漏地读完才行。根据我的个人观点，我们应该着重阅读书的第1章“A Tour of Computer Systems”和第一部分“Program Structure and Execution”（从第2章开始，大约占据了书中一半篇幅），其中包含了数据的机器级别表示方法，汇编语言和执行方式以及CPU架构方面的内容，我们应该关键性地理解其原理。如第6章“Optimizing Program Performance”提出了许多种机器级别的优化方式，在现在看来，其中的某些方式过于细致，乃至在实际工作过程中已经不再推荐了（如内联一些方法以提高性能），我们要在把握住“为什么”而并不是单纯的吸收“怎么做”。对于书中的第二部分“Running Programs on a System”主要讲述的是操作系统方面的内容，可以读得略为简单一些，但其中的第10章“Virtual Memory”，它谈论了操作系统中虚拟内存机制的各个方面，非常关键，需要细读。至于书中的第三部分“Interaction and Communication Between Programs”便可以更加“选择性”地阅读，我只阅读了第13章“Concurrent Programming”，而其他两章都只是简单地扫过而已。
作为经典的教材它一定有许多附加资源，例如在它的官方站点给出了一些链接，其中最关键的可能是学习者站点，其中包括这本书所需要的各种工具，参考文档等各种资源。从网站上也可以了解到，CSAPP即将在2010年2月份推出第2版，根据近几年的发展做出了不少改进。
不过，在这里我要着重推荐的是接下来的内容：我的大学时代就读于复旦大学软件学院，属于教育部35所实验性软件学院，学费比较昂贵——幸运的是，我所接受的“实验性教学”使用了一种比较“西化”的方式，无论是课程设计还是教材都比较“与国际接轨”。例如和爱尔兰都柏林大学合作办学，有些课程由老外来教，同时也会接触一些“函数式编程”等国内较少接触的内容。大二的“计算机系统导论”课程便参考了CMU的ICS这门课，教材自然就是CSAPP这本书。在我印象中，每年最热闹的课程便是大二的这门必修课（高年级所开设的“计算机组成原理”，“编译原理”、“计算机网络”等就是“方向性”课程，并非人人必修），尤其是做一些大作业的时候，在BBS上便会讨论的非常热烈（不得不承认，“拆炸弹1”等实验也特别有趣），而每年此时也往往会诞生出一些“牛人”，基本上都是些“前途似锦”的人物，大都即将或已经在世界顶级学府深造，令人难以望其项背。而在两年前，这门原本是一个学期的课程，也已经变成了为期一年的课程，这也说明了ICS的重要程度。现在这门课已经成为了复旦大学的精品课程之一：“计算机系统基础”，我们从网站上可以下载到所有的PPT，练习和解答等内容，甚至还有视频下载。希望这些内容能够对您有所帮助。
上次我也提到北大使用SICP的课程：“程序设计技术和方法”。其实现在国内有很多大学都在使用世界一流教材，希望也会有越来越多公开的内容。
扩展阅读
在这里我想可以再提及两本书，一本是之前所提到的国产书精品《链接、装载与库》。这本书主要讲解了编译过程中的“生成文件”的过程，以及应用程序执行时文件是如何被操作系统加载的，并且同时涉及到Linux和Windows两个平台。实话说，这些内容并对我来说并不是些必须了解的内容（相信对大部分同学也一样），因此我把它当作一种“扩展阅读”以及“知识巩固”。
对于这种类型的书，我有自己特殊的阅读方式，那就是“快速浏览”。例如，对我来说，我可能更需要知道链接是做什么用的，一个可执行文件或一个动态链接库文件大致组成有哪些，加载时各段的作用是什么等等，但我不需要具体了解每个段的布局，文件头的具体格式，占多少字节等等。因此，我更关注的可能是其中的示意图，而对于其中一些和具体数据相关的表格和代码就匆匆掠过了。这本书我“翻”得很快，大约只用了4、5天，我想等我真需要这些内容的时候再回头细读吧。有朋友说，更值得一读的是著名的《Linkers and Loaders》，但这部分话题对我来说实在有些距离，我还是从更容易接受的《链》来接触吧。
说来有意思，我建议您在读《链》这本书的时候，着重关注非“链接、装载与库”的部分，而是那些少量的，如操作系统的线程和内存管理方式，甚至于附录中有关“字节序（Byte Order）”的内容。因为它们往往是书中主要内容的基础，拥有更广的适用性。
而第二本书“顺便提及”的书是《Windows Internals 5th Edition》，人民邮电出版社已经引进了其影印版（而且影印质量好的令人发指，我仔细对比之后发现，除了不是硬皮之外，从纸张和文字几乎和原版一模一样）。这的确是本“深入”级别的书，基本上覆盖了Windows内核的方方面面，包括系统架构，内存管理，线程调度，安全机制，文件系统等各种话题，对于我们Windows平台上的程序员，这方面内容可能更有针对性。
不过说实话，我刚刚购入这本书，更别提仔细阅读了。不过我看过这本书第4版中文版的大部分内容，它由潘爱民老师翻译，应该说翻译地很不错。如果您对英文的接受程度不高，也可以从中文版入手。不过第5版覆盖了Windows Server 2008和Windows Vista，直接增加了200多页的篇幅，还加入了Superfetch、BitLocker和Hyper-V相关的内容，可谓是一次重大的升级——其实这其实也可以看出Vista的相对于XP，在内核级别有了很大改进。而目前Windows Internals第6版也在写作过程中，其中包含Windows 7和Server 2008 R2的内容。我本以为Win 7的内核改进不大，但是从近期的PDC大会上发现似乎也不能这么说。
Windows Internals一书的主要作者之一是Mark Russinovich，这位和基努·李维斯有几分相像的帅哥除了是Windows NT内核专家，微软Technical Fellow之外，还是著名的Sysinternals工具包的作者。Sysinternals工具包可谓Windows程序员居家旅行，杀bug灭口的必备工具，因此Windows Internal的重要特点之一便是用Sysinternal中的各种工具来进行“实验”，这也给这种有深度的书带来了相当的实践性。在我看来，这本书虽然深入，但并非是“枯燥”理论，还是一本写得比较“好看”的书。
说到“好看”的技术书，那么我还是以CSAPP这本书中“致谢”部分的最后一句话来结尾吧：
Finally, we would like to acknowledge the great technical writers Brian Kenighan and the late W. Richard Stevens, for showing us that technical books can be beautiful。
如何把技术书写的“好看”，真是门艺术。
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注1：“拆炸弹”是ICS课程的配套实验之一，它的主要工作便是通过将一些小程序（即“炸弹”）反汇编后阅读其汇编代码，然后通过在程序运行时输入特定的字符串来“拆除”炸弹。有些炸弹可能只是输入某个特定的字符，而有些炸弹可能需要输入复杂的字符串，通过“内存溢出”来覆盖掉堆栈中的特定内存（如return address），以此改变程序运行的“轨迹”。整个过程非常有挑战，但也很有趣味。能设计出这样的实验的确令人敬佩。
老赵意思是，不是明牌大学出来的都不是料。请勿拍砖。谢谢合作。