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出版者:清华大学出版社

作者:拜克等著、张瑜等译

出品人:

页数:372

译者:拜克

出版时间:2004-01-01

价格:39.0

装帧:平装

isbn号码:9787302092940

丛书系列:

图书标签:

linux
Kernel
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linux内核
112
$CS_内核
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具体描述

・多位Linux专家参与编写

・全面覆盖Linux2.4的完整内容

・完整介绍内核结构和Linux操作系统的核心知识

・提供丰富的Linux项目程序和文档

・在提供源代码

本书面向希望深入学习这种操作系统的读者，全面介绍了Linux操作系统的技术原理。全书共分10章，内容分别涉及Linux内核简介、内存管理、进程间通信、Linux文件系统、设备驱动程序、网络实现方式、模块和调试，以及多重处理等Linux内核原理和开发技术。

现代操作系统设计与实现：底层机制的深度解析作者： [此处可虚构一位资深系统架构师或资深工程师] 出版社： [此处可虚构一家专业技术出版社] ISBN： [此处可虚构一个ISBN号] --- 简介：在信息技术飞速发展的今天，无论是云计算、边缘计算，还是高性能计算和嵌入式系统，对底层系统资源的掌控能力已成为衡量技术实力的重要标尺。本书并非关注某一特定操作系统的具体API调用细节，而是旨在为读者构建一个全面、深入且具有前瞻性的现代操作系统（OS）设计与实现原理的知识体系。它着重于跨平台、通用性和架构设计的视角，剖析操作系统作为计算机科学核心基石的运作哲学。本书面向的对象是那些渴望超越应用层编程，深入理解系统如何调度资源、管理内存、保障安全和实现高效通信的软件工程师、系统架构师、计算机科学专业的高年级学生及研究人员。我们假设读者已具备一定的C/C++编程基础和基础的计算机体系结构知识。全书结构严谨，从最基础的硬件抽象层开始，逐步深入到复杂的用户态/内核态交互机制，并最终探讨现代操作系统面临的性能优化与安全挑战。 --- 第一部分：基础与抽象层构建第一章：计算机体系结构回顾与OS的介入点本章首先对现代处理器（如x86-64、ARMv8）的流水线、缓存层次结构（L1/L2/L3）、特权级（Rings）和内存管理单元（MMU）进行系统性回顾。重点不在于硬件规格的堆砌，而在于分析这些硬件特性如何驱动操作系统的设计决策。我们将探讨中断向量表（IVT）的建立、系统调用入口点的硬件支持，以及操作系统的初始化过程如何从裸机状态过渡到可执行环境。本章强调的是硬件如何为OS提供“钩子”（Hooks）和“隔离”（Isolation）。第二章：核心数据结构与抽象操作系统通过精妙的数据结构来管理无序的物理资源。本章详细介绍内核中最基础也最重要的抽象：进程控制块（PCB）的现代演进，线程（Thread）与进程（Process）的细微差别及在多核环境下的语义。我们还将深入探讨软中断和硬中断的调度队列管理、时钟事件的结构化表示，以及内核如何使用链表、红黑树、B-Tree等结构来高效维护系统状态。我们将分析不同抽象层级（如VFS层之前）的数据结构设计哲学。第三章：引导程序与内核加载本章聚焦于计算机启动流程的早期阶段。从固件（BIOS/UEFI）的初始化，到引导加载程序（Bootloader，如GRUB的现代化替代方案）的角色。我们将详细解析Bootloader如何将内核映像从持久存储器加载到物理内存中，以及它在设置初始页表、切换处理器模式（例如从实模式到保护模式/长模式）方面承担的关键职责。对启动协议栈的剖析，是理解操作系统如何“掌控”硬件的第一步。 --- 第二部分：资源管理的核心机制第四章：内存管理的艺术：虚拟化与物理隔离内存管理是操作系统的灵魂。本章彻底解构虚拟内存的原理。我们将详细阐述分页机制（Paging）的工作原理，多级页表在实际系统中的高效实现，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）对性能的巨大影响。重点将放在缺页中断（Page Fault）的处理流程、内核如何实现内存的动态分配与回收（如伙伴系统Buddy System的优化算法），以及如何实现内存保护与地址空间隔离。第五章：进程调度：公平、高效与实时性本章深入探讨现代多处理器系统上的进程调度算法。我们将分析从传统的时分复用（Time-Sharing）到面向多核的公平调度器的演变。重点分析如CFS（Completely Fair Scheduler）这类先进算法的核心思想、权重计算、虚拟运行时间（vruntime）的维护，以及优先级继承协议（Priority Inheritance）在同步操作中的应用。我们还将讨论中断延迟（Interrupt Latency）与调度延迟（Scheduling Latency）之间的权衡。第六章：I/O子系统与设备驱动模型 I/O是系统性能的瓶颈所在。本章不讲解特定设备的驱动编写，而是聚焦于驱动程序的设计模式与I/O子系统框架。我们将探讨中断处理的上下文切换（Top Half/Bottom Half机制）、DMA（Direct Memory Access）如何解放CPU、I/O请求的队列管理（如基于中断驱动和中断合并），以及现代异步I/O模型（如io_uring的架构设计理念）如何根本性地改变用户空间与内核空间的数据交换范式。 --- 第三部分：进程间通信与系统服务第七章：同步、互斥与并发控制并发是现代系统的常态，如何安全地管理共享资源至关重要。本章系统梳理并发控制的原语：锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）的精确语义与陷阱。我们将深入剖析无锁（Lock-Free）和并发安全数据结构的设计原则，以及如何利用内存屏障（Memory Barriers）来强制执行指令重排的顺序，以确保在多核处理器上代码的正确性。本书将分析死锁的检测、预防与避免策略的系统级实现。第八章：进程间通信（IPC）的统一视图 IPC机制是系统提供服务的基础。本章横向比较了管道（Pipes）、消息队列、共享内存（Shared Memory）以及Socket通信在内核中的实现差异与性能特性。重点在于分析系统调用作为用户空间与内核空间通信的桥梁，其上下文切换的开销分析，以及如何通过零拷贝（Zero-Copy）技术来最小化数据在内核和用户空间之间不必要的移动。第九章：文件系统的架构与持久化本章超越具体的文件系统（如ext4或XFS）的语法，着重于通用文件系统的架构。我们将分析VFS（Virtual File System）层如何提供统一的接口，以及元数据管理、数据块分配策略、日志记录（Journaling）如何保证数据的一致性与原子性。对数据缓存层（Buffer Cache/Page Cache）的管理机制的分析，将解释I/O性能的提升关键所在。 --- 第四部分：系统安全与前沿趋势第十章：系统安全基础与隔离技术安全性是操作系统设计不可分割的一部分。本章探讨操作系统如何实施权限控制（ACLs、Capabilities）和强制访问控制（MAC）。我们将分析内核级别的沙箱（Sandbox）机制、地址空间布局随机化（ASLR）的原理与局限性，以及现代操作系统如何利用硬件特性（如Intel SGX/AMD SEV的初步概念）来实现更强的隔离边界。第十一章：系统性能分析与调试基础理解系统行为不仅在于设计，更在于验证和优化。本章介绍内核级性能分析工具的原理（如eBPF/BCC框架的基础概念），如何追踪事件、测量延迟和识别瓶颈。我们将讨论如何通过分析系统调用跟踪点和上下文切换链来诊断性能衰退的根本原因，指导读者建立科学的系统性能评估方法论。结语：面向未来的操作系统设计本书最后对面向未来挑战的操作系统设计趋势进行展望，包括微内核架构的复兴、异构计算资源（GPU、FPGA）的统一调度、以及面向云原生和容器化环境的内核优化方向。本书旨在提供一个坚实的理论框架和深刻的实践洞察，帮助读者构建自己的“系统观”，能够独立分析和设计下一代高性能、高可靠性的软件系统。

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目录信息

读后感

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用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为那些渴望深入理解操作系统核心的工程师量身定做的宝典。从最基础的内存管理机制讲起，作者并没有停留于表面的概念介绍，而是直接深入到内核的数据结构和算法实现层面。我特别欣赏它对进程调度策略的剖析，那种层层剥茧、深入到系统调用和中断处理流程的叙述方式，让原本抽象的调度逻辑变得清晰可见。阅读过程中，我数次停下来，对照着自己的实践经验去思考，书中提供的代码示例和理论推导几乎完美地契合了实际工作中的痛点。比如，在处理并发竞争条件时，书中对自旋锁和互斥量的底层实现细节的阐述，远超我之前阅读的任何一本教材，它不仅仅告诉你“怎么用”，更重要的是解释了“为什么这样设计”，这种对根源的探究精神，极大地提升了我调试和优化复杂系统问题的能力。对于想要从应用层开发者转型到底层驱动或系统级编程的人来说，这本书提供的知识广度和深度都是无与伦比的，它构建了一个坚实的理论和实践的桥梁。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书的时候，我最大的感受就是它的“厚重感”，但这并非指篇幅上的冗余，而是内容上的扎实与沉甸。它并没有采用那种“教科书式”的枯燥讲解，反而更像是一位经验丰富的老兵在手把手地传授战场上的生存法则。书中对设备驱动模型的讲解尤其精彩，从字符设备到块设备，再到网络设备的I/O流程，每一步都穿插了大量的实际操作技巧和性能调优的“内幕消息”。例如，书中关于异步I/O（AIO）框架的介绍，不仅涵盖了libaio的使用，更深入到了内核中与I/O完成端口（IOCP）类似的机制是如何被模拟和优化的，这一点在很多其他资料中是很难找到的。阅读过程中，我发现作者的行文风格带着一种冷静的自信，对于那些容易引起争议或混淆的内核设计决策，他总能给出多角度的权衡分析，而不是简单地给出唯一“标准答案”。这种客观而深刻的分析视角，让我对Linux内核的设计哲学有了更深层次的领悟，它不仅仅是一套代码，更是一套权衡艺术的体现。

评分☆☆☆☆☆

我是一个偏向于性能调优的工程师，这本书在关于内存子系统和网络协议栈的章节中，表现出了惊人的深度。它没有仅仅停留在Buffer Cache或Slab分配器的表面介绍，而是详细解释了伙伴系统（Buddy System）如何应对内存碎片化，以及NUMA架构下内存访问策略对性能的影响。更妙的是，作者将这些理论知识直接关联到了`vmstat`和`slabtop`等工具的输出上，让读者能够立刻将书本上的知识与生产环境中的实时监控数据联系起来。网络栈部分，对TCP/IP协议栈在内核中的处理路径的描述，细致到了每个数据包经过软中断、硬中断、NAPI框架直到最终被交给用户空间套接字的完整流程，这对于诊断网络延迟和丢包问题至关重要。这本书的每一个章节都像是一份深入的工程报告，充满了实战经验的提炼，读起来酣畅淋漓，绝不拖泥带水。

评分☆☆☆☆☆

这本书对系统调用接口的解析细致入微，简直可以作为查阅特定系统调用实现细节的“活字典”。我经常在开发新特性时遇到一些晦涩难懂的内核返回值或错误码，而翻阅这本书，往往能在几十页之内找到那个隐藏在复杂逻辑深处的解释。最让我印象深刻的是它对虚拟文件系统（VFS）层次结构的梳理。作者用清晰的UML图和伪代码（虽然是C语言，但逻辑结构清晰到如同伪代码）展示了VFS如何抽象化底层文件系统的差异，以及inode、dentry等核心对象的生命周期管理。这种自顶向下的架构梳理，极大地帮助我理解了为什么在不同的文件系统上执行相同操作会产生性能差异，以及如何在不修改核心VFS代码的前提下，通过挂载选项或特定的内核参数来影响文件系统的行为。对于那些需要与现有内核API深度交互，或者需要编写自定义内核模块的开发者而言，这本书的参考价值无可替代。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格非常独特，它没有试图让你成为一个“内核黑客”，而是让你成为一个“系统架构的理解者”。在讲解模块加载与卸载机制时，它不仅展示了`module_init`/`module_exit`宏的使用，更深入探究了符号解析和依赖解决的过程，这对于理解内核安全性和稳定性至关重要。我发现作者在处理并发控制和同步原语时，展现出一种对“正确性”的执着，他用大量篇幅阐述了屏障（Barrier）和内存模型在不同CPU架构下的细微差别，这使得我对跨平台内核编程的理解上升了一个层次。这本书的价值在于，它迫使你思考软件设计中的权衡——为什么内核选择了这种复杂的锁机制而不是更简单的替代方案？这种对“设计哲学”的探讨，让这本书超越了一般的技术手册，更像是一部关于健壮系统构建的心法要诀。它让你在写下每一行代码之前，都能预见到它可能在系统深处引发的连锁反应。

评分☆☆☆☆☆