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出版者:清华大学出版社

作者:施威铭工

出品人:

页数:555

译者:

出版时间:2001-10

价格:48.00元

装帧:

isbn号码:9787302049937

丛书系列:

图书标签:

• 互联网协议
• TCP/IP
• 网络编程
• 计算机网络
• 协议分析
• 网络安全
• 实践
• 技术
• 通信
• 底层原理

深入剖析现代计算的基石：操作系统设计与内核编程实战 一、 绪论：操作系统——数字世界的无名英雄 我们日常使用的所有数字设备，从智能手机到高性能服务器，其运行的底层都依赖于一个核心软件：操作系统（Operating System, OS）。它如同一个精密的管弦乐队指挥家，协调着硬件资源、管理着软件进程，并为用户和应用程序提供了一个稳定、高效的运行环境。然而，操作系统究竟是如何运作的？驱动其核心功能的内核（Kernel）是如何构建的？ 本书《深入剖析现代计算的基石：操作系统设计与内核编程实战》并非关注网络通信协议栈的细节，而是将焦点完全集中于操作系统这一复杂系统的内部机制。我们将穿越抽象的概念，深入到代码的层面，揭示现代操作系统的设计哲学、核心数据结构以及关键算法的实现细节。本书旨在为计算机科学的学生、系统级程序员以及希望理解计算机底层运行原理的工程师，提供一个全面且深入的视角。 二、 内存管理的艺术与科学 内存是操作系统最宝贵的资源之一，如何高效、安全地分配和回收内存，是决定系统性能和稳定性的关键。本书将详尽阐述内存管理单元（MMU）的工作原理，以及操作系统如何利用它来实现虚拟内存。 我们将详细探讨分页机制（Paging）的实现细节，包括页表的结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的缓存策略及其对性能的影响。对于更高级的内存管理，我们会深入研究分段机制（Segmentation）在现代架构中的残余影响，以及如何处理内存碎片化（Fragmentation）问题。 一个重要的章节将聚焦于虚拟内存的动态调页机制。我们将分析操作系统在发生缺页中断（Page Fault）时所执行的复杂流程，包括页面置换算法（如LRU、FIFO及其变种）的实际应用。对于用户空间进程而言，内存的分配并非简单地从堆或栈中取用，本书将剖析`malloc`/`free`的底层实现，包括堆管理器（Heap Manager）如何使用如`sbrk`或内存映射（mmap）系统调用来管理程序动态内存。 三、 进程与线程：并发世界的组织者 并发是现代计算的基石。操作系统必须有效地管理数以千计同时运行的任务，即进程（Processes）和线程（Threads）。本书将从进程的生命周期开始讲解，包括创建、上下文切换（Context Switching）的开销与优化，以及进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）的各种机制，例如管道（Pipes）、消息队列、共享内存和信号量（Semaphores）。 在线程层面，我们将区分用户级线程与内核级线程的优劣。重点将放在调度器（Scheduler）的设计上。我们将分析经典的调度算法，如分时（Time-Sharing）、优先级抢占（Preemptive Priority）以及多核环境下的负载均衡策略。本书会提供对完全公平调度器（CFS）等现代Linux内核调度算法的深入剖析，揭示它们是如何在保证系统响应性和高吞吐量之间取得平衡的。 四、 同步与互斥：应对竞争的挑战 当多个线程或进程试图访问共享资源时，必须确保操作的原子性和一致性。本书将系统地介绍实现同步与互斥的原语。从锁（Locks）、互斥量（Mutexes）到条件变量（Condition Variables），我们将分析它们在不同场景下的适用性。 更进一步，我们将探讨避免死锁（Deadlock）的预防、检测和恢复策略。书中将包含对屏障（Barriers）、读写锁（Read-Write Locks）等复杂同步工具的实现原理探讨，以及无锁（Lock-Free）或无等待（Wait-Free）数据结构的设计思想，这些是构建高性能并发系统的关键技术。 五、 文件系统与持久化存储 操作系统必须提供一种机制来抽象和管理持久化存储设备（如硬盘、SSD）。本书将详尽阐述文件系统的内部结构。我们将解析磁盘布局，包括超级块（Superblock）、索引节点（Inode）的结构及其在文件查找中的作用。 本书不仅会讨论FAT或NTFS等常见文件系统的基本概念，更会深入分析日志文件系统（Journaling File Systems）如Ext4或XFS如何通过日志机制保证数据的一致性和快速恢复能力。对于性能优化，我们会探讨缓存策略在文件系统I/O路径上的应用，以及写回（Write-back）与直写（Write-through）模式的区别。 六、 设备驱动与I/O子系统 操作系统与物理硬件之间的桥梁是设备驱动程序（Device Drivers）。本书将介绍I/O子系统的架构，包括中断处理（Interrupt Handling）的流程，以及直接内存访问（DMA）技术如何减轻CPU的负担，实现高效的数据传输。 我们将探讨块设备（Block Devices）和字符设备（Character Devices）的不同之处，以及操作系统如何管理设备队列。对于网络设备，虽然本书不深入网络协议栈，但会涉及I/O多路复用技术（如`select`, `poll`, `epoll`）在操作系统层面的实现，以实现高并发的网络服务。 七、 系统调用接口与安全边界 系统调用（System Call）是用户空间程序请求操作系统服务的唯一官方途径。本书将分析系统调用的陷阱（Trap）或中断（Interrupt）机制，以及内核态和用户态之间的特权级别切换（Privilege Level Switching）过程。理解这一边界对于编写安全、可靠的应用程序至关重要。我们将剖析关键系统调用的内部流程，揭示它们是如何在用户程序请求与底层硬件操作之间建立起安全隔离的。 结论 本书《深入剖析现代计算的基石：操作系统设计与内核编程实战》通过对内存、进程、同步、文件系统和I/O子系统的系统性解构，为读者构建了一个清晰、可操作的操作系统蓝图。它要求读者具备一定的C/C++编程基础，并通过大量的代码示例和设计权衡分析，帮助读者从“使用”操作系统的用户，转变为“理解并有能力构建”操作系统的设计者。

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