安全操作系统原理与技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:石文昌

出品人:

页数:380

译者:

出版时间:2004-7-1

价格:38.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787030136763

丛书系列:

图书标签:

• 操作系统
• 安全
• 原理
• 技术
• 计算机安全
• 信息安全
• 系统安全
• 可信计算
• 内核安全
• 安全编程

现代操作系统内核设计与实现 一、本书概述 本书深入剖析了现代操作系统内核的底层机制、设计哲学以及核心组件的实现细节。它面向具有一定计算机科学基础，渴望理解操作系统如何从零开始构建和运行的读者。全书摒弃了对概念的泛泛而谈，专注于具体的技术实现、数据结构和算法，旨在帮助读者构建起一个清晰、可操作的内核视图。 二、目标读者 计算机科学专业学生，特别是高年级本科生和研究生。 系统程序员、嵌入式开发人员，以及任何需要与底层硬件和系统软件直接交互的工程师。 操作系统内核开发者、编译器开发者和虚拟化技术研究人员。 对操作系统“黑箱”内部运作机制充满好奇心的技术爱好者。 三、核心内容详解 本书的结构围绕内核生命周期和关键功能模块展开，从启动引导到用户空间交互，层层递进。 第一部分：引导与底层初始化 (Bootstrapping and Low-Level Initialization) 本部分详述了系统启动的初始阶段，这是理解整个操作系统生命周期的关键起点。 1. 固件接口与引导加载器交互 (Firmware Interface and Bootloader Interaction): 详细讲解了 BIOS/UEFI 在系统启动中的角色，以及引导加载器（如 GRUB/Limine）如何将控制权平稳地移交给内核。重点分析了多阶段引导过程中的内存映射传递机制。 2. 机器状态设置 (Machine State Setup): 涵盖了从实模式（Real Mode）到保护模式（Protected Mode）乃至长模式（Long Mode，即 64 位模式）的转换过程。包括全局描述符表（GDT）的建立、分页机制的初步激活，以及禁用中断。 3. 早期内存管理激活 (Early Memory Management Activation): 描述了如何建立第一个物理内存管理器（如位图或列表），以便内核自身能够安全地从加载地址移动到最终的内核空间，并开始动态分配内存。 4. 中断描述符表 (IDT) 基础设置: 解释了中断描述符表（IDT）的结构，以及如何设置初始的异常处理程序（如除零、缺页中断），确保内核在硬件发生意外事件时不会立即崩溃。 第二部分：内存管理深度解析 (In-Depth Memory Management) 内存是操作系统的核心资源。本部分深入探讨了现代内核如何高效、安全地管理物理和虚拟内存。 1. 虚拟内存的抽象与转换 (Virtual Memory Abstraction and Translation): 详细讲解了页表（Page Tables）的层次结构（如四级分页），包括地址转换的硬件流程。书中会提供自定义页表管理器的代码示例，用于处理大页（Huge Pages）和内存映射。 2. 物理内存分配策略 (Physical Memory Allocation Strategies): 对比分析了伙伴系统（Buddy System）和 Slab/SLUB 分配器在管理连续和非连续物理页方面的优缺点。重点展示了 Slab 分配器如何减少内部碎片并提高内核数据结构分配效率。 3. 内核空间的虚拟地址布局 (Kernel Virtual Address Layout): 阐述了内核如何划分其虚拟地址空间，包括内核代码段、数据段、页表区域以及直接映射的物理内存区域。 4. 内存保护与隔离 (Memory Protection and Isolation): 探讨了如何利用硬件特性（如 MPU/MMU）来防止内核代码意外写入受保护区域，并讨论了现代内核中地址空间布局随机化（ASLR）的实现基础。 第三部分：进程与线程管理 (Process and Thread Management) 本部分关注系统的并发执行模型——进程和线程的创建、调度与同步。 1. 进程上下文与数据结构 (Process Context and Data Structures): 详细设计了进程控制块（PCB）或任务结构（Task Structure）的完整定义，包括寄存器快照、内存描述符、打开文件列表等。 2. 系统调用接口 (System Call Interface): 阐述了用户空间程序如何通过系统调用（如 `SYSCALL`/`SYSENTER`）进入内核态。详细分析了系统调用分派机制（Syscall Table）的查找和执行流程，以及如何安全地从内核返回用户态。 3. 进程创建与销毁 (Process Creation and Destruction): 剖析 `fork()`、`execve()` 等关键 API 的底层实现。重点讲解了写时复制（Copy-on-Write, COW）技术在 `fork()` 操作中的应用及其性能优势。 4. 抢占式调度算法实现 (Preemptive Scheduling Algorithm Implementation): 深入研究了调度器的核心逻辑。不仅涵盖了基础的轮转（Round-Robin）和优先级调度，更重点分析了如完全公平调度器（CFS）的红黑树数据结构和时间片分配机制，以及上下文切换（Context Switching）的精确步骤。 第四部分：并发控制与同步原语 (Concurrency Control and Synchronization Primitives) 多核环境下，同步机制是保证数据一致性的生命线。 1. 锁机制的底层实现 (Underlying Implementation of Locks): 详细讲解了自旋锁（Spinlocks）在单核和多核环境下的原子操作实现，以及信号量（Semaphores）的计数与等待队列管理。 2. 内存屏障与内存模型 (Memory Barriers and Memory Model): 解释了为什么现代处理器需要显式内存屏障（Memory Fences/Barriers），以及编译器如何优化指令顺序。分析了不同架构下的内存一致性模型。 3. 更高级的同步工具 (Advanced Synchronization Tools): 覆盖互斥锁（Mutexes）的阻塞/唤醒机制，以及读写锁（Read-Write Locks）的设计，旨在提高读多写少的场景的并发性能。 第五部分：I/O 子系统与设备驱动 (I/O Subsystem and Device Drivers) 本部分探讨了内核如何与外部世界（硬件）进行交互。 1. 中断处理流程 (Interrupt Handling Flow): 从硬件中断信号产生，到中断控制器（如 APIC）的响应，再到内核中最高效的中断描述符处理，直至用户空间信号传递的全过程。区分了顶半部（Top Half）和底半部（Bottom Half，如软中断或任务队列）的设计模式。 2. 设备驱动框架 (Device Driver Framework): 介绍标准化的驱动模型（如字符设备、块设备），并以一个简单的虚拟设备驱动为例，演示如何注册设备、处理 I/O 请求和管理设备状态。 3. 块设备 I/O 调度 (Block Device I/O Scheduling): 探讨了机械硬盘和固态硬盘的 I/O 特性差异，以及磁盘调度算法（如 FIFO, Elevator, Deadline）如何优化对块设备的访问顺序，以提高吞吐量和降低延迟。 四、本书特色 实践导向的理论： 理论讲解紧密结合具体数据结构和算法实现，避免了纯理论的抽象。 汇编语言的桥梁： 在关键的启动和上下文切换章节，穿插了 x86-64 汇编片段的解析，帮助读者理解硬件指令层面的操作。 模块化设计： 书中所有组件的设计均遵循清晰的接口定义，便于读者理解模块间的依赖关系。 五、总结 本书提供了一条清晰的路径，引导读者穿越操作系统的复杂迷宫，直抵其核心。完成本书的学习，读者将能够从容面对任何底层的系统级挑战，并具备从基础原理出发设计和调试复杂系统的能力。

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