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Preface xix About the Authors xxxv
1
A Tour of Computer Systems 1
1.1Information Is Bits Context 3
1.2Programs Are Translated by Other Programs into Different Forms 4
1.3It Pays to Understand How Compilation Systems Work 6
1.4Processors Read and Interpret Instructions Stored in Memory 7
1.4.1Hardware Organization of a System 8
1.4.2Running the helloProgram 10
1.5Caches Matter 11
1.6Storage Devices Form a Hierarchy 14
1.7The Operating System Manages the Hardware 14
1.7.1Processes 15
1.7.2Threads 17
1.7.3Virtual Memory 18
1.7.4Files 19
1.8Systems Communicate with Other Systems Using Networks 19
1.9Important Themes 22
1.9.1Amdahl’s Law 22
1.9.2Concurrency and Parallelism 24
1.9.3The Importance of Abstractions in Computer Systems 26
1.10Summary 27 Bibliographic Notes 28 Solutions to Practice Problems 28
Part I Program Structure and Execution
2
Representing and Manipulating Information 31
2.1Information Storage 34
2.1.1Hexadecimal Notation 36
2.1.2Data Sizes 39
2.1.3 Addressing and Byte Ordering 42
2.1.4 Representing Strings 49
2.1.5 Representing Code 49
2.1.6 Introduction to Boolean Algebra 50
2.1.7 Bit-Level Operations in C 54
2.1.8 Logical Operations in C 56
2.1.9 Shift Operations in C 57
2.2 Integer Representations 59
2.2.1 Integral Data Types 60
2.2.2 Unsigned Encodings 62
2.2.3 Two’s-Complement Encodings 64
2.2.4 Conversions between Signed and Unsigned 70
2.2.5 Signed versus Unsigned in C 74
2.2.6 Expanding the Bit Representation of a Number 76
2.2.7 Truncating Numbers 81
2.2.8 Advice on Signed versus Unsigned 83
2.3 Integer Arithmetic 84
2.3.1 Unsigned Addition 84
2.3.2 Two’s-Complement Addition 90
2.3.3 Two’s-Complement Negation 95
2.3.4 Unsigned Multiplication 96
2.3.5 Two’s-Complement Multiplication 97
2.3.6 Multiplying by Constants 101
2.3.7 Dividing by Powers of 2 103
2.3.8 Final Thoughts on Integer Arithmetic 107
2.4 Floating Point 108
2.4.1 Fractional Binary Numbers 109
2.4.2 IEEE Floating-Point Representation 112
2.4.3 Example Numbers 115
2.4.4 Rounding 120
2.4.5 Floating-Point Operations 122
2.4.6 Floating Point in C 124
2.5 Summary 126
Bibliographic Notes 127
Homework Problems 128
Solutions to Practice Problems 143
3
Machine-Level Representation of Programs 163
3.1 A Historical Perspective 166
3.2Program Encodings 169
3.2.1Machine-Level Code 170
3.2.2Code Examples 172
3.2.3Notes on Formatting 175
3.3Data Formats 177
3.4Accessing Information 179
3.4.1Operand Speci.ers 180
3.4.2Data Movement Instructions 182
3.4.3Data Movement Example 186
3.4.4Pushing and Popping Stack Data 189
3.5Arithmetic and Logical Operations 191
3.5.1Load Effective Address 191
3.5.2Unary and Binary Operations 194
3.5.3Shift Operations 194
3.5.4Discussion 196
3.5.5Special Arithmetic Operations 197
3.6Control 200
3.6.1Condition Codes 201
3.6.2Accessing the Condition Codes 202
3.6.3Jump Instructions 205
3.6.4Jump Instruction Encodings 207
3.6.5Implementing Conditional Branches withConditional Control 209
3.6.6Implementing Conditional Branches withConditional Moves 214
3.6.7Loops 220
3.6.8Switch Statements 232
3.7Procedures 238
3.7.1The Run-Time Stack 239
3.7.2Control Transfer 241
3.7.3Data Transfer 245
3.7.4Local Storage on the Stack 248
3.7.5Local Storage in Registers 251
3.7.6Recursive Procedures 253
3.8Array Allocation and Access 255
3.8.1Basic Principles 255
3.8.2Pointer Arithmetic 257
3.8.3Nested Arrays 258
3.8.4Fixed-Size Arrays 260
3.8.5Variable-Size Arrays 262
3.9 Heterogeneous Data Structures 265
3.9.1 Structures 265
3.9.2 Unions 269
3.9.3 Data Alignment 273
3.10 Combining Control and Data in Machine-Level Programs 276
3.10.1 Understanding Pointers 277
3.10.2 Life in the Real World: Using the gdbDebugger 279
3.10.3 Out-of-Bounds Memory References and Buffer Over.ow 279
3.10.4 Thwarting Buffer Over.ow Attacks 284
3.10.5 Supporting Variable-S

前言本書（簡稱CS:APP）的主要讀者是計算機科學家、計算機工程師，以及那些想通過學習計算機繫統的內在運作而能夠寫出更好程序的人。
我們的目的是解釋所有計算機繫統的本質概念，並向你展示這些概念是如何實實在在地影響應用程序的正確性、性能和實用性的。其他的繫統類書籍都是從構建者的角度來寫的，講述如何實現硬件或繫統軟件，包括操作繫統、編譯器和網絡接口。而本書是從程序員的角度來寫的，講述應用程序員如何能夠利用繫統知識來編寫出更好的程序。當然，學習一個計算機繫統應該做些什麼，是學習如何構建一個計算機繫統的很好的出發點，所以，對於希望繼續學習繫統軟硬件實現的人來說，本書也是一本很有價值的介紹性讀物。大多數繫統書籍還傾向於重點關注繫統的某一個方面，比如：硬件架構、操作繫統、編譯器或者網絡。本書則以程序員的視角統一覆蓋了上述所有方面的內容。
如果你研究和領會了這本書裡的概念，你將開始成為極少數的“牛人”，這些“牛人”知道事情是如何運作的，也知道當事情出現故障時如何修復。你寫的程序將能夠更好地利用操作繫統和繫統軟件提供的功能，對各種操作條件和運行時參數都能正確操作，運行起來更快，並能避免出現使程序容易受到網絡攻擊的缺陷。同時，你也要做好更深入探究的準備，研究像編譯器、計算機體繫結構、操作繫統、嵌入式繫統、網絡互聯和網絡安全這樣的高級題目。
讀者應具備的背景知識本書的重點是執行x86-64機器代碼的繫統。對英特爾及其競爭對手而言，x86-64是他們自1978年起，以8086微處理器為代表，不斷進化的成果。按照英特爾微處理器產品線的命名規則，這類微處理器俗稱為“x86”。隨著半導體技術的演進，單芯片上集成了更多的晶體管，這些處理器的計算能力和內存容量有了很大的增長。在這個過程中，它們從處理16位字，發展到引入IA32處理器處理32位字，再到近的x86-64處理64位字。
我們考慮的是這些機器如何在Linux操作繫統上運行C語言程序。Linux是眾多繼承自初由貝爾實驗室開發的Unix的操作繫統中的一種。這類操作繫統的其他成員包括Solaris、FreeBSD和MacOS X。近年來，由於Posix和標準Unix規範的標準化努力，這些操作繫統保持了高度兼容性。因此，本書內容幾乎直接適用於這些“類Unix”操作繫統。
文中包含大量已在Linux繫統上編譯和運行過的程序示例。我們假設你能訪問一臺這樣的機器，並且能夠登錄，做一些諸如切換目錄之類的簡單操作。如果你的計算機運行的是Microsoft Windows繫統，我們建議你選擇安裝一個虛擬機環境（例如VirtualBox或者VMWare），以便為一種操作繫統（客戶OS）編寫的程序能在另一種繫統（宿主OS）上運行。
我們還假設你對C和C 有一定的了解。如果你以前隻有Java經驗，那麼你需要付出更多的努力來完成這種轉換，不過我們也會幫助你。Java和C有相似的語法和控制語句。不過，有一些C語言的特性（特別是指針、顯式的動態內存分配和格式化I/O）在Java中都是沒有的。所幸的是，C是一個較小的語言，在Brian Kernighan和Dennis Ritchie經典的“K&R”文獻中得到了清晰優美的描述[61]。無論你的編程背景如何，都應該考慮將K&R作為個人繫統藏書的一部分。如果你隻有使用解釋性語言的經驗，如Python、Ruby或Perl，那麼在使用本書之前，需要花費一些時間來學習C。
本書的前幾章揭示了C語言程序和它們相對應的機器語言程序之間的交互作用。機器語言示例都是用運行在x86-64處理器上的GNU GCC編譯器生成的。我們不需要你以前有任何硬件、機器語言或是彙編語言編程的經驗。
給C語言初學者關於C編程語言的建議為了幫助C語言編程背景薄弱（或全無背景）的讀者，我們在書中加入了這樣一些專門的注釋來突出C中一些特別重要的特性。我們假設你熟悉C 或Java。
如何閱讀此書從程序員的角度學習計算機繫統是如何工作的會非常有趣，主要是因為你可以主動地做這件事情。無論何時你學到一些新的東西，都可以馬上試驗並且直接看到運行結果。事實上，我們相信學習繫統的方法就是做（do）繫統，即在真正的繫統上解決具體的問題，或是編寫和運行程序。
這個主題觀念貫穿全書。當引入一個新概念時，將會有一個或多個練習題緊隨其後，你應該馬上做一做來檢驗你的理解。這些練習題的解答在每章的末尾。當你閱讀時，嘗試自己來解答每個問題，然後再查閱答案，看自己的答案是否正確。除第1章外，每章後面都有難度不同的家庭作業。對每個家庭作業題，我們標注了難度級別：
*隻需要幾分鐘。幾乎或完全不需要編程。
**可能需要將近20分鐘。通常包括編寫和測試一些代碼。（許多都源自我們在考試中出的題目。）需要很大的努力，也許是1～2個小時。一般包括編寫和測試大量的代碼。
一個實驗作業，需要將近10個小時。
文中每段代碼示例都是由經過GCC編譯的C程序直接生成並在Linux繫統上進行了測試，沒有任何人為的改動。當然，你的繫統上GCC的版本可能不同，或者根本就是另外一種編譯器，那麼可能生成不一樣的機器代碼，但是整體行為表現應該是一樣的。所有的源程序