《华章程序员书库 计算机系统解密 从理解计算机到编写高效代码》（美）乔纳森·E.斯坦哈特作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《华章程序员书库 计算机系统解密 从理解计算机到编写高效代码》

【作　者】（美）乔纳森·E.斯坦哈特作

【丛书名】华章程序员书库

【页 数】 392

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.09

【ISBN号】978-7-111-68987-4

【价 格】129.00

【参考文献】 （美）乔纳森·E.斯坦哈特作. 华章程序员书库 计算机系统解密 从理解计算机到编写高效代码. 北京：机械工业出版社, 2021.09.

图书封面：

图书目录：

《华章程序员书库 计算机系统解密 从理解计算机到编写高效代码》内容提要：

本书分为三部分。第1部分探讨了计算机硬件，包括内部语言、组合逻辑、顺序逻辑、组成原理、系统结构、通信接口等。第二部分研究了在硬件上运行的软件的行为和表现。第三部分涉及编程的艺术-与他人合作写出好的程序。

《华章程序员书库 计算机系统解密 从理解计算机到编写高效代码》内容试读

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引言

几年前，我跟一个瑞士来的交换生一起坐滑雪缆车。我问她有没有想过高中毕业后打算做什么。她说她打算做工程，并且已经在前一年修了编程课程。我问她你们学了些什么，她回答：“Java。”我下意识地脱口而出：“那太糟糕了。”

我为什么会这样说呢？我花了一些时间才想明白这个问题。我那么说并不是因为Java这个编程语言不好，它其实挺好的。之所以那么说，是因为现在教授Jva(以及其他编程语言)的方法很糟糕，学不到任何关于计算机本身的知识。如果你也觉得这种情况有点奇怪，那这本书就是你应该看的。

Java编程语言是20世纪90年代在一个美国计算机公司Sun Microsystems由James

Gosling、Mike Sheridan和Patrick Naughton发明的。它在某种程度上模仿了那时流行的C

语言。C语言没有对内存的自动管理功能，而且在那时内存管理错误是一个普遍存在的问

题，让人头疼。Java从设计上消除了这类程序错误。它对程序员隐藏了底层内存管理。这就是Jva对初学者友好的分原因。但是要编写优秀程序，培养优秀程序员，需要的不仅仅是一种好的编程语言。事实证明，Java引入了一类新的很难调试的编程问题，包括隐藏内存管理系统导致的性能低下问题。

就像你在书里看到的，理解内存是程序员的一个重要技能。学习编程时养成的习惯很难改掉。研究表明，在所谓的“安全”操场玩耍长大的孩子更容易受伤，大概是因为他们不知道摔倒的伤害。在编程领域也存在类似的情况。舒适的编程环境使入门不那么恐怖，但你还是需要做好准备，以面对复杂的外部环境。本书可以帮你实现这种转变。

2《◆计算机系统解密：从理解计算机到编写高效代码

为什么好的程序很重要

想理解为什么不包括计算机教学的编程教育存在问题，首先需要考虑到计算机已经变得多么普遍。计算机降价如此显著，很多东西用计算机建造才最便宜。举个例子，用计算机在汽车仪表盘上显示一个老式的模拟时钟比使用真的机械钟花费得少得多。计算机芯片现在很便宜，用脚踩坏一个包含数十亿元件的芯片不再是什么大不了的事。注意，我是在说计算机本身的价格，不是那些包含了计算机的东西的价格。通常，计算机芯片的成本比它们的包装运输成本更少。未来很有可能很难找到什么东西不含计算机

让很多计算机去处理大量事情意味着需要大量的计算机程序。计算机使用如此广泛，因而编程的应用领域广泛而多样。就像在医疗领域，许多程序员成了这方面的专家。你可以在视觉处理、卡通动画、网页、手机应用、工业控制、医疗设备等更多方面成为专家

奇怪的是，计算机编程不同于医学，在编程领域，你不用全面了解就可以成为一个专家。你可能不想让一个没学过解剖学的医生给你做心脏外科手术，但是对如今的许多程序员来说，类似的问题已经成为常态。这真的是个问题吗？事实上，大量证据表明部分程序的运行效果并不是很好，每天都有关于安全漏洞和产品召回的报告。在一些法庭案件中被判酒驾的人赢得了对酒精测试代码进行审查的权利。事实证明代码中充满了漏洞，这导致已定罪名被推翻。近日，发生了正在进行心脏外科手术的医疗器械因杀毒软件而崩溃的

事故。还有因波音737MAX飞机设计问题致使许多人丧生的事故。许多像这样的事故让人

们对程序丧失了信任

学习编程只是一个开始

出现这种情况的部分原因是，编写看起来可以工作的计算机程序，或者大部分时间都可以工作的计算机程序并没有那么困难。我们用20世纪80年代的音乐（非disco)变化来做个类比。以前人们必须打好基础才能创作音乐，这包括学习乐理、作曲，练习演奏乐器，

听音练耳，以及其他很多练习。后来，乐器数字接口(MIDI)标准出现了，任何人都可以

在没有多年勤学苦练基础的情况下通过计算机创作“音乐”。我觉得，只有很小比例的计算机生成音乐称得上音乐，其余大部分只是噪音而已。音乐是被真正的音乐家创作出来的，

他们可能用MDI,但无一不拥有深厚的音乐基础。如今，编程变得非常像使用MDI创作

“音乐”。写程序不再需要付出很多汗水，不再需要花费几年的时间去练习，甚至不再需要学习理论。但是这不代表这些程序优秀或者性能可靠。

这种情况越来越严重了，起码在美国是这样。拥有既得利益的富人们，比如那些拥有软件公司的人，一直在游说立法，要求每个人都要在学校里学习编程。理论上听着不错，但在实践中并不是个好主意，因为不是每个人都有成为好程序员的天赋。我们没有要求每

引信3

个人都去学足球，因为我们清楚不是每个人都适合踢足球。这一倡议的目的可能不是培养出优秀的程序员，而是通过向市场大量输入不怎么样的程序员，压低工资水平，以增加软件公司的利润。幕后推手们不关心代码质量，甚至还推动立法以减轻他们对缺陷产品所负的责任。当然，就像可以踢球踢着玩一样，你也可以编程编着玩，就是别期待会被超级碗挑中了。

2014年，美国前总统奥巴马表示，他已经学会了编程。他确实在优秀的可视化编程工具Blockly中拖动了一些东西，甚至在JavaScript(一种与Java无关的编程语言，由维护了包括火狐浏览器在内的许多软件包的Mozilla Foundation的前身Netscape公司发明)中输入了一行代码。你觉得他真的学会了编程吗？给个提示：如果你认为他学会了，那么你应该在读本书的同时努力锻炼你的批判思维能力。当然，他是学了那么一点点有关程序的知识，但是，他没有学习编程。如果能在一小时之内学会编程，那就是说编程太小菜一碟了，根本不需要在校园里开课

底层知识的重要性

Mathematica和Wolfram语言的创造者Stephen Wolfram在一篇题为“How to Teach

Computational Thinking”的博客帖子中表达了一个有趣且有些相悖的观点：他把计算思维定义为“把事件标准化得足够清晰，人可以通过一个足够系统化的方法告诉计算机怎么运行”。我完全认同这个定义。事实上，很大程度上这也是我写这本书的动力。

但我非常不认同Volfram的一个观点，即那些学习编程的人应该使用强大的高级工具(比如他开发的那些工具)来培养计算思维能力，而不是学习底层基础技术。例如，从人们对统计学的兴趣日益超过对微积分的兴趣这一趋势中，我们可以清楚地看到，“数据整理”是一个正在发展的领域。但是，如果人们只是将大量的数据输入这些并不熟悉的程序中，又会发生什么呢？

种可能是，它们产生的结果看起来很有趣，但没有意义或者不正确。例如，最近的

项研究(Mark Ziemann、Yotam Eren和Assam El-.Osta的“Gene Name Errors Are Widespreadin the Scientific Literature”)显示，五分之一已发表的遗传学论文由于电子表格使用不当而出现错误。试想一下，如果有更多人使用更强大的工具，可能会产生怎样的错误和后果！当人们的生活受到影响时，正确处理好它才是至关重要的。

理解底层技术可以帮助你了解可能出现的问题。只知道高级工具很容易提出错误的问题。在学习钉枪之前，先学会使用锤子是值得的。学习底层系统和工具的另一个原因是它能赋予你构建新工具的能力，这一点很重要，因为永远需要工具构建者，尽管工具用户更常见。学习有关计算机的知识使你能够编写更好的代码，程序的性能状态也就不再神秘了。

4计算机系统解密：从理解计算机到编写高效代码

目标读者

本书是为想成为优秀程序员的人准备的。是什么成就了一个优秀的程序员？首先个优秀的程序员应该具备良好的批判性思维和分析能力。为了解决复杂的问题，程序员需要有能力评估程序是否能正确地解决恰当的问题。这比听起来要难得多。经常会见到有经验的程序员对别人写的程序冷嘲热讽：“将简单事情复杂化了，制造了不是问题的问题。”

你可能很熟悉一个经典的魔幻故事比喻：魔法师通过了解事物的真名来获得力量，如果忘了某个细节，魔法师就会遭殃。优秀的程序员就是那种能够牢牢把握住事物的本质，不放过任何一个细节的魔法师

优秀的程序员也应该有一定的艺术修养，就像熟练的工匠一样。遇到让人完全无法理解的代码的情形并不少见，就像许多说英语的人对詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的小说《芬尼根的守灵夜》很困惑一样。优秀的程序员写出的代码不仅要能正常工作，而且要很容易让别人理解和维护。

最后，优秀的程序员需要对计算机的工作原理有深刻的理解。仅凭浅薄的知识基础无法很好地解决复杂问题。本书适合那些正在学习编程，但又对现有知识深度不满意的人本书也适合已经在学习编程，但还想要学习更多的人。

计算机是什么

个普遍的答案是，计算机是人们用来做诸如检查电子邮件、网上购物、写论文、整理照片以及玩游戏等任务的工具。消费类产品开始和计算机结合，是这个草率定义普遍有在的部分原因。另一个常见的答案是，计算机是能使高科技玩具（比如手机和音乐播放器）运作的大脑。这种说法更接近正确答案

发送电子邮件和玩游戏都是通过计算机上运行的程序来实现的。计算机本身就像一个新生婴儿，它并不懂很多事情的做法。我们几乎不会去考虑人类的基础运转系统，因为我们主要与运行在这个基础系统上的人格进行互动，就像计算机上运行的程序一样。例如，当你浏览网页时，你不是只用这个计算机本身去阅读，而是通过在你的计算机上运行的别人编写的程序、承载网页的计算机、构成网络的所有计算机去阅读

什么是计算机编程

教师是训练人的基础运转系统来完成某些任务的人。同理，编程就是让程序员成为计算机的老师，教计算机做程序员要它做的事情

知道如何去教计算机是很有用的，特别是当你想让计算机做一些它不知道该怎么做的事情，而又买不到相关程序的时候。例如，你可能认为万维网的存在是理所当然的，但

引言85

它不久前才被发明，当时Tim Berners-Lee爵士需要一个更好的方法让欧洲核子研究组织(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire,CERN)的科学家们分享信息。而他因此被封为了爵士。

教计算机学东西很复杂，但比教人学东西容易多了，毕竟我们对计算机的工作原理了解得更多。而且计算机不大可能学到吐，它没那么容易对学习厌烦

计算机编程是一个两步骤的过程：

1.理解宇宙。

2.向三岁的孩子解释宇宙。

这是什么意思呢？你无法编写计算机程序去做一些你自己都不理解的事。比如，如果你不懂拼写规则，你就无法写出拼写检查程序；如果你不懂物理学，你就无法写出好的动作电子游戏。所以，要成为一名优秀的程序员，第一步就是要尽可能多地学习其他知识。解决问题的办法往往来自意想不到的地方，不要因为某件事看起来似乎没有直接的关系就忽略了它

这个过程的第二步需要向计算机解释你所知道的东西。计算机对世界的看法非常僵化，就像小孩子一样，在三岁左右的时候，孩子的这种僵化看法真的很明显。比如，你们想出门，你问你的孩子：“你的鞋子在哪里？”孩子说：“这里。”她确实回答了你的问题。问题是，她不明白你是在要求她穿上鞋子，这样你俩就可以出门了。灵活性和推理能力是孩子们在成长过程中才会学习到的技能。但计算机就像小飞侠彼得·潘：它们永远不会长大

计算机也像年幼的孩子，因为它们不知道如何归纳总结。但它们还是很有用处的，因为一旦你想好了怎么向它们解释一些东西，它们就会不厌其烦、快速地去做，尽管它们没有任何常识。计算机会不知疲倦地做你要求的事情，而不去评估那是否是错误的任务，这很像1940年的电影《幻想曲》中“魔法师的学徒”片段中的魔法扫帚。要求计算机做事，

就像向魔法灯笼里的精灵（不是FBI版）许愿一样，你必须非常小心你的措辞！

你可能会怀疑我所说的，因为计算机似乎比它们本身更有能力。比如，当你使用计算机时，它知道如何画图、纠正你的拼写、理解你说的话、播放音乐等。但请记住，实现这些任务的不是计算机，而是人为编写的一套复杂的旨在让计算机完成这些任务的计算机程序。计算机与运行在计算机上的程序是分开的。

就像在路上看到的汽车一样，它似乎很擅长在适当的时候停车和启动，避开障碍物，到达目的地，没油了就加油，等等。但是，这不仅仅是汽车完成的，而是汽车和驾驶员结合在一起完成的。计算机就像汽车，程序就像驾驶员。如果没有知识，你就不能分辨出什么是汽车做的以及什么是驾驶员做的。（参见May Swenson的“Southbound on the

Freeway”。在不同的人生阶段，你对诗末提出的问题的答案可能会不同。)

总而言之，为了解决问题，计算机编程涉及学习你需要知道的东西，然后再把它解释给小孩子。因为解决问题的方法有很多，所以编程既是一门艺术，也是一门科学。它涉及

6计算机系统解密：从理解计算机到编写高效代码

寻找优雅的解决方案，而不是使用蛮力解决。在墙上打一个洞的确能让你走出家门，但要想走出家门可能还有更容易的方法。很多人可以用几百万行代码写出像HealthCare.gov这样的东西，但要用几千行代码来完成，那是需要技巧的

不过在指导三岁的孩子之前，你需要先了解三岁的孩子，了解他们的理解能力。而且计算机不是真的普通三岁小孩，而是一种“外星生命体”。计算机的游戏规则和我们不一

样。你可能听说过人工智能(AI),它试图让计算机表现得更像人。该领域的进展比原先预

计的要缓慢得多。这主要是因为我们并不是很清楚地了解这个问题，我们对人类的思维也不够了解。你可以想象，当我们自己都不知道到底该怎么做的时候，要教会外星人像我们

一样去思考这件事有多难

人的大脑在不自主的思维情况下，就能做一些事情。你的大脑一开始只是一块硬件，然后就好像被编程了。例如，你学会了移动手指，然后就学会了抓东西。经过练习，你就可以不经思索地抓住东西，而不需要思考其中的步骤。对于这个学习过程是如何运作的，哲学家让·皮亚杰（Jean Piaget,法国心理学家)和诺姆·乔姆斯基(Noam Chomsky,1928年出生的美国语言学家)等人提出了不同的理论。大脑是一个一般的设备，还是它有特殊的硬件来实现语言等功能？这个问题还在研究中

我们不可思议的无意识执行任务的能力使学习编程变得困难，因为编程需要将任务分解成计算机能够遵循的更小步骤。比如，你可能知道如何玩井字棋游戏。找一群人一起玩，让每名玩家各自列出应该采取的步骤。在大家都列好之后，举行一场比赛。看看谁的规则好！你的规则有多好？你错过了什么？在玩游戏时，你真的知道你在做什么吗？很有可能有很多因素你都没想出来，因为你是在凭直觉理解它们。

你可能觉得第一步比第二步更重要，即了解宇宙比向三岁孩子解释宇宙更重要。想想看：如果你不知道说什么，那知道怎么说又有什么用呢？尽管如此，目前的教育还是把重点放在了第二步。这是因为与创造性内容相比，机械原理方面的教学和打分要容易得多。而且一般情况下，教师在这方面的训练很少，都是按照别处开发的课程来进行教学。而本书则侧重第一步。虽然它不能涵盖整个宇宙，但它检查了计算机领域的问题和解决方法，而不是纠缠于实现这些解决方法需要的具体编程语法。

编码、编程、工程和计算机科学

有许多描述软件工作的术语，虽然这些术语有一些粗略的定义，但并没有确切的定义编码是最近相当流行的一个术语，作为“学习编码”的一部分，可以看作有点机械的翻译工作。我们把它代入医疗编码的工作中。当你去看医生时，很容易得到诊断。难

的是将诊断翻译成ICD标准（在编写本书时为ICD-10)中的10万多个编码之一。学过

这些编码的注册专业编码员知道，当医生提出“被牛撞了”的诊断时，应该将其分配为

W55.2XA编码。这其实比编程领域中的很多编码工作都要难，因为编码的绝对数量非常

···试读结束···