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出版者:电子工业出版社

作者:李军

出品人:

页数:672

译者:

出版时间:2002-8-1

价格:72.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787505378711

丛书系列:

图书标签:

• 无线网络
• 多平台
• 网络编程
• 源代码
• C++
• Python
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• iOS
• Wi-Fi
• 蓝牙

深度探索现代操作系统核心机制与驱动程序开发 一本面向资深程序员、系统架构师和嵌入式开发工程师的权威指南，深入剖析操作系统的内核架构、内存管理、进程调度、文件系统以及底层硬件交互的复杂细节。 本书旨在提供一个全面而深入的视角，带您超越应用层面的编程范畴，直接面对和理解驱动现代计算系统的核心逻辑。我们不聚焦于特定应用或网络协议的实现细节，而是将目光投向操作系统本身是如何思考、如何管理资源的。 第一部分：操作系统内核的基石与结构 本部分是理解所有上层抽象的基础。我们将详细解构现代主流操作系统（如Linux、Windows NT内核或类Unix内核）的宏观架构，着重于其设计哲学和权衡取舍。 1.1 内核类型与设计哲学： 深入比较宏内核（Monolithic Kernel）、微内核（Microkernel）和混合内核（Hybrid Kernel）的优缺点。分析它们在性能、稳定性和可扩展性上的不同表现，并探讨现代内核如何通过模块化（如LKM/DKMS）来平衡这些需求。 1.2 引导过程与初始化序列： 追溯从硬件上电（BIOS/UEFI）到用户环境启动的完整链条。详细解析Bootloader（如GRUB）的角色，内核的自解压、内存映射（MMU初始化）以及第一个用户进程（如`init`/`systemd`）的诞生过程。 1.3 中断、异常与系统调用接口： 这是用户空间与内核空间交互的生命线。我们会细致分析硬件中断的产生、中断描述符表（IDT）的构建与查找，以及上下文切换（Context Switching）的底层汇编级实现。重点解析系统调用的工作原理，包括系统调用向量的查找、用户栈到内核栈的转换，以及安全检查机制。 第二部分：精细化内存管理（MMU的艺术） 内存是系统中最宝贵的资源。本部分将系统地阐述操作系统如何虚拟化、保护和高效分配物理内存。 2.1 虚拟内存与地址翻译： 深入讲解分页机制（Paging），包括多级页表结构（如四级页表），TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理、缓存一致性问题及其解决方案。我们将分析内核如何管理页目录和页表的动态创建与销毁。 2.2 物理内存的组织与分配： 探讨物理内存的区域划分（如DMA区域、高端内存）。详细描述内核内存分配器（如Slab/SLUB分配器、Buddy System）的内部数据结构和分配算法，分析它们如何最小化内存碎片并提高分配速度。 2.3 内存保护与权限控制： 分析内存保护单元（MPU/MMU）如何配合内核实现用户进程的内存隔离。研究Copy-on-Write (COW) 机制在`fork()`操作中的高效应用，以及内存映射（mmap）在文件I/O和进程间共享内存中的实现细节。 第三部分：并发、同步与调度（时间的艺术） 进程与线程是现代计算的执行单位。本部分聚焦于如何管理这些并发执行流，确保系统的响应性和公平性。 3.1 进程与线程模型： 区分进程（Process）和线程（Thread）在内核中的表示（如`task_struct`），以及用户线程模型与内核线程模型的差异。分析线程状态转换（Running, Ready, Blocked, Zombie）的完整生命周期。 3.2 内核同步原语的实现： 深入研究实现并发控制的核心工具，包括：自旋锁（Spinlocks）、互斥量（Mutexes）、信号量（Semaphores）的底层机制。分析在多核环境下，如何利用硬件提供的原子操作（如CAS指令）来构建无锁（Lock-Free）或低锁结构。 3.3 先进的CPU调度算法： 彻底剖析主流的进程调度器（如Completely Fair Scheduler, CFS）。讲解时间片分配、优先级继承、实时调度策略（如FIFO, Round-Robin）的实现细节。分析调度器如何通过负载均衡（Load Balancing）将任务高效地分配到不同的CPU核心上。 第四部分：驱动程序与硬件交互 本部分将引导读者进入操作系统与物理世界接触的最前沿——设备驱动程序。 4.1 字符设备与块设备的抽象： 解析内核为硬件提供标准接口的方式。重点研究字符设备驱动的`file_operations`结构体及其核心函数的实现，以及块设备驱动的请求队列（Request Queue）管理和I/O调度器的作用。 4.2 I/O 访问机制： 详细阐述程序数据如何从用户空间传输到硬件设备，涉及三种主要的I/O模式：轮询（Polling）、中断驱动I/O和DMA（Direct Memory Access）。深入解析DMA控制器的工作原理，以及如何安全地在内核和用户空间之间设置共享缓冲区。 4.3 总线架构与设备树（Devicetree）： 探讨现代系统总线（如PCIe）的基本拓扑结构。对于嵌入式系统，详细解析设备树（DT）在描述非即插即用硬件资源（内存地址、中断线、时钟等）方面如何替代传统BIOS/ACPI的配置方式，以及内核如何解析和使用这些信息来初始化驱动。 通过本书的学习，读者将具备从汇编代码层面理解系统启动，到用C语言实现内核级同步机制的能力，从而能够独立诊断复杂的内核崩溃、优化系统性能瓶颈，并能自信地进行底层驱动程序的开发与调试。

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