你该不会拿 CSAPP 垫显示器吧

作者：Zilliz

2021 年 12 月 01 日
本文字数：2885 字
阅读完需：约 9 分钟

一个程序员，究竟需要对计算机的硬件了解到什么程度呢？🤔

如果你是系统级软件开发工程师，想必这本书是你的案（垫）头（显）必（示）备（器）；

如果你是应用软件工程师，或许不需要太多底层知识也可以运用高级语言设计程序。不过，只要你和计算机打交道，这本书中的内容你早晚都会遇到……

《深入理解计算机系统》（简称 CSAPP），CMU 计算机导论教材，豆瓣评分 9.8，被誉为计算机领域的「神书」。

这本书的诞生可以回溯到 1998 年秋季 CMU 开设的计算机系统导论（ICS）课程。课程教授 Randal 和 David 意识到，「学生中几乎没有人会亲自构造一个计算机系统，但大多数学生都日常使用计算机编写程序」。因此，他们筛选了主题，排除了手写汇编语言、总线设计这样的内容，重点关注：C 语言编译器是如何将 C 语言翻译成机器代码的？编译器是如何翻译指针、循环、过程调用语句的？因此，这门课、这本书的宗旨是从程序员的角度来讲解系统，把硬件、系统、软件系统地结合起来，构成一整个框架，这对学生而言更实用也更具体。

不少国内学校都以这本书作为参考教材，所有想通过学习计算机系统的内在运作、从而写出更好程序的人，都应该认真阅读此书并完成课后作业 📒。

这本书中的不少内容针对 C 语言特性（包括指针、显式的动态内存分配、格式化的 I/O），对于 C 语言背景薄弱的读者，这本书中有一些专门的注释帮助突出 C 语言中重要的特性。

如果你觉得这本书对你有些困难，但又渴望了解计算机体系结构，可以从《编码：隐匿在计算机软硬件背后的语言》这本小书入手，也可以参考本文第三部分「如何阅读这本书」辅助学习。

你将从这本书中获得：

了解编译系统如何工作，帮助优化程序性能、理解链接时出现的错误、避免安全漏洞
系统级理解计算机的本质概念，以及这些概念如何实实在在地影响应用程序的正确性、性能和实用性

二进制炸弹 💣

CSAPP 这本书非常鼓励你动手尝试，每章都带有练习题与参考答案，还有相应的实验课（Lab）与实验的自动评分系统。

你可以从官网上找到九个实验（http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html）包括：数据实验、二进制炸弹实验、缓冲区溢出实验、体系结构实验、性能试验、cache 实验、shell 实验、malloc 实验、代理实验。这些配套实验不仅风趣幽默，而且能训练你学到的内容，增强调试程序的能力，让你终身受益。

让我们一起来看看大名鼎鼎的「二进制炸弹」吧！

邪恶博士在我们的班级机器上放置了大量的「二进制炸弹」。二进制炸弹是由六个环节组成的程序。每个环节，你都要输入一个特定的字符串。只有输入正确的字符串才能拆除炸弹，进入下个关卡。否则，炸弹会爆炸💥！在处理本程序时，不得穿戴防弹衣。
有太多炸弹要我们处理，所以我们给每个学生一个炸弹来拆除。这是你的任务，你别无选择，只能接受，就是在截止时间前拆除你的炸弹。祝你好运，欢迎加入拆弹小组！

这个实验能训练到哪些能力？

比如，想要破解第一个炸弹，需要执行以下步骤：

设置调用函数断点
运行至断点处并调试
进入函数内部进一步观察
分析代码得出答案

完整拆除六个炸弹，你就可以熟悉 GDB 调试工具、彻底理解函数调用的栈帧、熟悉常用寄存器的用途、熟悉 AT&T 汇编语法。

在小编看来，写程序这件事情有一个极大的妙处：当你学到了什么新东西，你可以马上试验并看到运行结果。你不需要看完整本书就能明白某件事情，我只需要学到可以自己能动手尝试并纠错就够了。

在计算机底层，数组是如何存储的？

让我们来看下方两个函数，这两个函数都是对一个二维数组的各个元素求和，区别在于循环的优先顺序不同：

int sumarrayrows(int a[M][N]) {    int i, j, sum = 0;    for (i = 0; i < M; i++) {        for(j = 0; j < N; j++) {            sum += a[i][j];        }    }    return sum;}// 先行后列
int sumarraycols(int a[M][N]) {    int i, j, sum = 0;    for (j = 0; j < N; j++) {        for(i = 0; i < M; i++) {            sum += a[i][j];        }    }    return sum;}// 先列后行

复制代码

编译运行，看看运行耗时差了多少？先行后列比先列后行快了 25 倍！

这到底是为什么呢？答案就藏在这本书的封面中：

存储器系统为 CPU 存放指令和数据。实际上，存储器系统并不是一个线性结构，而是具有不同容量、成本和访问时间的层次结构。封面中的储存器山，展示了读吞吐量，是时间和空间局部性的函数。需要注意的是，L1 山脊的最高点（此处 CPU 读取率为 14GB/s）与主存山脊的最低点（此处 CPU 读取率为 900MB/s）之间的差别有整整一个数量级。

C 语言以行优先顺序存储数组，所以交换扫描顺序看似无伤大雅，却导致对高速缓存变得不友好。在列扫描中，如果整个数组都在高速缓存中，内存引用不命中率（miss rate）为 1/4；而在大多数情况下，数组超出高速缓存，那么每次对 a[i][j] 的访问都会不命中，显著影响了运行时间。

这本书的第六章详细介绍了存储器的层次结构。作为一个程序员，如果你理解存储器层次结构，注意程序中的局部性，将会大大提高程序性能。