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出版者:浙江大学出版社

作者:冯树椿

出品人:

页数:182

译者:

出版时间:1989-08

价格:6.40元

装帧:平装

isbn号码:9787308002943

丛书系列:

图书标签:

• 程序设计
• 学习指导
• 编程方法
• 算法
• 数据结构
• 软件工程
• 教学
• 入门
• 实践
• 计算机科学

探索数字世界的基石：操作系统原理与实践 本书简介 在信息技术飞速发展的今天，计算机系统已渗透到我们生活的方方面面。从智能手机到超级计算机，从嵌入式设备到云计算平台，支撑这一切高效、稳定运行的核心正是——操作系统。本书旨在为读者构建一个全面、深入且实用的操作系统知识体系，揭示隐藏在“黑箱”之下的复杂机制，让读者真正理解计算机是如何管理资源、调度任务、保障安全的。 本书并非简单地罗列操作系统的概念和术语，而是力求通过清晰的逻辑结构、生动的案例分析以及丰富的实践指导，引导读者从底层原理出发，逐步掌握现代操作系统的核心思想、关键技术及其在实际工程中的应用。我们深信，对操作系统的透彻理解，是成为优秀软件工程师、系统架构师的必经之路。 --- 第一部分：奠定基石——操作系统概论与环境准备 本部分首先为读者建立宏观的认知框架。我们将从历史的角度回顾操作系统的演进历程，探讨批处理、多道程序设计、分时系统到现代多核、分布式系统的发展脉络，理解不同时代背景下操作系统所需要解决的核心矛盾。 随后，本书将深入探讨操作系统的基本概念和功能定位。我们会详细阐述操作系统作为资源管理器和抽象层所扮演的关键角色。重点将放在系统调用（System Calls）这一用户程序与内核交互的桥梁上，解析其工作机制、参数传递以及上下文切换的必要性。 在环境准备方面，我们不会局限于某一特定操作系统，而是选择当前工业界和学术界最常用于学习和研究的Linux作为主要载体。读者将学习如何搭建一个功能完善的实验环境，包括虚拟化技术的初步应用（如使用虚拟机或容器），以及如何利用标准工具链（如GCC, GDB）进行系统级程序的开发与调试。本部分强调，理论学习必须与实际操作紧密结合，为后续深入探索打下坚实的实战基础。 --- 第二部分：资源管理的艺术——进程与线程管理 进程与线程是操作系统的核心抽象实体。本部分将聚焦于如何高效、公平地管理这些并发执行的单元。 2.1 进程的生命周期与状态转换 我们将详细剖析进程的结构，包括程序计数器、栈、数据段和堆等关键组成部分。重点讲解进程的创建（`fork()`和`exec()`的工作细节）、执行、阻塞、就绪和终止的完整状态转换图，并分析操作系统内核是如何通过进程控制块（PCB）来维护进程状态的。上下文切换的开销与优化是本章的重点难点，我们将剖析硬件层面对此过程的影响。 2.2 线程：轻量级的并发模型 线程作为比进程更轻量级的执行单位，是现代并发编程的基础。本书将对比进程与线程的异同，深入讲解用户级线程与内核级线程的实现方式、优缺点及其适用场景。我们将解析P-V模型、一对多模型等线程模型，并指导读者如何在实际编程中（如使用POSIX Threads或Pthreads库）正确创建、同步和销毁线程。 2.3 CPU调度的策略与性能分析 CPU调度是操作系统性能的直接体现。我们将系统性地介绍各种经典的调度算法，包括先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度、轮转法（Round Robin），以及更复杂的带权最短处理时间（SRTF）和多级反馈队列（MLFQ）算法。理论分析部分将引入等待时间、周转时间和吞吐量等关键性能指标，并结合实际Linux内核中的调度器（如CFS——完全公平调度器）的实现思想，展示理论如何指导工程实践。 --- 第三部分：并发的挑战与同步机制 当多个并发执行的实体需要共享资源时，数据一致性和互斥性便成为亟待解决的问题。本部分系统地探讨同步与互斥的理论与技术。 3.1 竞态条件与临界区问题 首先界定竞态条件（Race Condition）的危害，并明确临界区（Critical Section）的保护需求。我们将回顾早期解决同步问题的尝试，如禁用中断，并引入Peterson算法等经典的纯软件解决方案，理解其在多处理器环境下的局限性。 3.2 经典的同步工具 本书将详细讲解操作系统提供的核心同步原语： 信号量（Semaphores）：区分计数信号量和二进制信号量（互斥锁），并用经典的生产者-消费者问题、读者-写者问题来演示其应用。 管程（Monitors）：作为一种更高级、更结构化的同步机制，我们将分析其与信号量的区别和联系，重点关注Java的`synchronized`关键字和C++的互斥封装是如何体现管程思想的。 3.3 死锁的预防、避免与检测 死锁是并发系统中最难处理的问题之一。我们将深入分析死锁发生的四个必要条件（互斥、占有并等待、不可抢占、循环等待）。随后，我们将系统地介绍处理死锁的三种策略：预防（打破四个条件之一）、避免（如银行家算法的原理与局限性）、以及检测与恢复。 --- 第四部分：内存管理的精妙设计 内存是程序运行的“舞台”。本部分将剖析操作系统如何抽象、分配和保护内存空间，以支持大量的程序同时高效运行。 4.1 内存抽象与保护机制 我们将从逻辑地址到物理地址的映射过程入手，详细介绍分页（Paging）和分段（Segmentation）两种基础的内存管理方案，重点分析页表的结构，以及快表（TLB）在加速地址翻译中的作用。我们还将探讨分段+分页的混合方案在早期系统中的应用。 4.2 虚拟内存：超越物理限制 虚拟内存（Virtual Memory）是现代操作系统的标志性特性。我们将探讨如何通过按需调页（Demand Paging）技术实现虚拟内存的按需加载。随后，本书将深入分析缺页中断（Page Fault）的处理流程，以及各种页面置换算法（如FIFO、LRU、OPT）的性能评估。理解工作集理论和抖动（Thrashing）现象，对于系统性能调优至关重要。 4.3 内存分配器的实现细节 除了操作系统内核的内存管理外，用户态程序的堆内存分配器（如`malloc`/`free`）也是重要的研究对象。我们将解析空闲链表、边界标签（Boundary Tag）等常见分配策略，并简要介绍如Doug Lea Malloc等经典分配器的设计思想，让读者了解程序运行时内存是如何被细粒度管理的。 --- 第五部分：存储的层次与管理 数据在磁盘、SSD等持久化存储设备上的组织方式，决定了系统的I/O性能和可靠性。 5.1 文件系统的组织结构 本书将详细介绍文件（File）的抽象概念，包括文件的属性、操作和访问权限。核心内容聚焦于文件系统的结构，从目录结构（如单级、树形目录）到数据存储结构（如连续分配、链接分配、索引分配）。我们将深入解析i节点（Inode）的作用，这是理解UNIX/Linux文件系统的关键。 5.2 磁盘I/O与调度 我们将分析机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）的物理特性差异，并重点研究磁盘调度算法（如FCFS、SSTF、SCAN/C-SCAN）如何通过优化磁头移动来最小化延迟。对于现代SSD，我们将探讨磨损均衡（Wear Leveling）和垃圾回收等机制对性能和寿命的影响。 5.3 事务与日志 为了保证数据在系统崩溃后仍能保持一致性，事务（Transaction）的概念至关重要。我们将介绍ACID特性，并详细讲解日志记录（Logging）机制，特别是预写日志（Write-Ahead Logging, WAL）是如何确保数据恢复的原子性、一致性和持久性的。 --- 第六部分：系统安全与实践案例 本部分将把理论知识提升到工程实践和安全防御的层面。 6.1 内核与用户态的安全边界 我们将重新审视保护模式和环保护机制，深入分析内核态（Ring 0）和用户态（Ring 3）之间的严格界限是如何通过特权指令和中断/陷阱机制来维持的。缓冲区溢出、栈保护（Stack Canaries）、地址空间布局随机化（ASLR）等常见的安全漏洞及其防御技术，都将在系统调用的上下文中进行深入剖析。 6.2 实践：内核模块与系统调试 为了真正掌握操作系统，动手能力不可或缺。本书将提供详细的步骤，指导读者编写一个简单的Linux内核模块（LKM），用于在不重启系统的情况下观察进程调度或内存分配的行为。此外，我们还将教授如何使用`strace`、`perf`和内核调试器（如`kdb`/`kgdb`）来追踪程序在系统调用层面和内核层面的真实运行轨迹。 --- 通过对这些核心领域的系统性学习和深入实践，读者将不仅掌握操作系统的“是什么”，更能理解其“为什么”以及“如何做”。本书旨在培养读者从系统底层视角思考问题的能力，为未来进行高性能计算、分布式系统设计或嵌入式系统开发打下坚不可摧的理论与实践基础。

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这本书给我的感觉是，它更像是一本“工具箱”而非“食谱”。它没有提供一成不变的解题模板，而是侧重于传授解决问题的通用方法论和设计哲学。我发现，读完这本书后，我在面对一个全新的编程挑战时，首先不再是盲目地敲代码，而是会下意识地停下来，思考“这个问题的本质是什么？”，然后权衡使用哪种设计模式会更优。书中的“调试技巧与错误排查”章节尤其令我受益匪浅，它没有罗列一堆常见错误代码，而是深入剖析了调试思维的建立过程，比如如何通过日志记录来重建程序执行路径，如何运用二分法快速定位问题源头。这种由内而外的提升，远比死记硬背语法规则要来得深刻和持久。虽然全书的知识密度不低，但作者的叙述风格保持着一种理性的克制，从不夸大其词，只是客观地展示了工程实践中的真实困境与高级解决方案，让人有一种“原来如此”的豁然开朗之感，强烈推荐给希望从“码农”向“工程师”转变的同仁们。

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与其他同类书籍相比，这部作品在“项目实践与工具链集成”方面的论述显得尤为成熟和前瞻。作者清晰地阐述了如何将理论知识有效地转化为生产力。书中对版本控制、自动化测试（单元测试与集成测试）的介绍，不是简单的工具使用指南，而是将其融入到整个软件生命周期的讨论之中。特别是关于持续集成/持续部署（CI/CD）理念的阐述，它不仅仅停留在概念层面，还结合了几个具体的、可操作的脚本范例，展示了如何构建一个可靠的自动化流水线。这对于当前追求敏捷开发和快速迭代的行业环境来说，提供了极其宝贵的实战经验。总而言之，这本书成功地构建了一座理论与实践之间的坚固桥梁，它不仅让你懂得“做什么”，更重要的是告诉你“怎么做才能做得好、做得可靠”，其对软件工程实践的关注度令人印象深刻。

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这本书的语言风格非常具有启发性，它不是那种高高在上、用晦涩术语堆砌起来的“专家之音”，而更像是一位耐心且富有激情的大学教授在给你上课。作者在讲解那些底层原理时，总是能找到一种恰到好处的平衡点——既保证了科学的严谨性，又保证了面向非专业读者的易懂性。我发现，这本书在讲解性能优化时，采取了一种自底向上的方法。它从硬件的缓存行、内存访问延迟开始谈起，逐步推导出上层代码应该如何组织才能最大化地利用现代CPU的特性。这种对性能根源的追溯，让我对“快”这个概念有了全新的理解，不再满足于仅仅知道某个函数调用比另一个快，而是明白了“为什么”会快。这种对细节的执着和对原理的深挖，使得这本书的价值远远超出了普通编程教程的范畴，它更像是一本关于计算思维和工程美学的著作，值得反复研读。

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我不得不说，这本书的排版和视觉设计在技术类书籍中属于上乘之作。大量的插图和流程图被巧妙地穿插在文字论述中，有效地打破了纯文本带来的阅读疲劳。特别是那些关于软件架构和数据流动的图示，简洁而精准，几乎不需要额外的文字解释，就能让人立刻把握复杂的系统交互。我个人尤其喜欢它在每章末尾设置的“设计挑战”部分。这些挑战并非简单的练习题，而是模拟了小型项目中的真实场景，比如如何设计一个高效的缓存淘汰策略，或者如何构建一个线程安全的计数器。完成这些挑战的过程，就像是参加了一场高强度的智力体操，极大地锻炼了我的抽象建模能力。而且，书中对不同编程范式的比较分析非常到位，它不会偏袒任何一种语言或思想，而是客观地展示了函数式编程、面向对象编程等思想在解决特定问题时的优劣势，这对于拓宽读者的技术视野至关重要。

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这部书的结构安排着实让人眼前一亮，它没有那种传统教科书的刻板与沉闷，而是更像一位经验丰富的导师，耐心地引导你一步步深入编程的世界。从最基础的变量类型、控制流，到后面复杂的数据结构和算法设计，作者的叙述逻辑清晰得让人赞叹。我尤其欣赏它在讲解抽象概念时所使用的那些生动的比喻和实际应用场景的模拟，这使得那些原本枯燥的理论知识变得触手可及。比如，在介绍递归思想时，书中并没有仅仅停留在数学定义上，而是引入了一个关于“俄罗斯套娃”的实际案例，让我立刻明白了那种自我引用的精髓。此外，书中的代码示例质量非常高，不仅格式规范，而且注释详尽，每一个关键步骤都做了深入的解析，这对于初学者来说简直是救命稻草，避免了我在调试时陷入无休止的迷茫。整体来看，这本书的设计哲学似乎是“授人以渔”，它不仅教你如何写出能运行的代码，更重要的是教会你如何思考，如何构建健壮、优雅的程序结构。对于那些渴望系统性提升编程思维的读者来说，这本书无疑提供了坚实的基石。

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