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出版者:中国青年出版社

作者:彭建 杨颖

出品人:

页数:274

译者:

出版时间:2002-9

价格:27.00

装帧:

isbn号码:9787502758011

丛书系列:

图书标签:

• Windows XP
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《深入理解现代操作系统原理与实践》 图书简介 本书并非一部针对特定操作系统的应用操作指南，而是一部旨在剖析现代操作系统核心机制、设计哲学与前沿发展方向的深度技术著作。我们的目标是超越用户界面和特定版本的功能介绍，带领读者进入操作系统的“心脏”，理解其如何管理资源、调度任务、保护数据，并为上层应用提供稳定、高效的运行环境。 本书内容涵盖了操作系统理论的基石，并结合当代主流操作系统（如Linux内核、Windows NT/2000系列内核设计思想的抽象概念、以及类Unix系统的核心设计模式）的实践经验，构建了一个全面且深入的知识体系。 第一部分：操作系统的基础架构与核心概念 第一章：操作系统的定义、历史演进与体系结构 本章首先界定现代操作系统的范畴，区分引导程序、内核、系统调用接口与用户空间应用程序的边界。我们将追溯操作系统从批处理系统、分时系统到现代多处理器、分布式环境的演变路径，重点分析硬件发展（如中断机制、内存管理单元MMU）如何驱动操作系统设计范式的转变。随后，详细阐述操作系统的主要结构模型，包括宏内核（Monolithic）、微内核（Microkernel）和混合式内核的优劣势，并通过实例解析内核与用户空间交互的机制。 第二章：进程与线程管理 进程是操作系统进行资源分配的基本单位，线程则是CPU调度的基本单位。本章深入探讨进程的生命周期模型（如五状态模型、七状态模型）及其上下文切换的开销与实现细节。重点剖析线程的实现方式（用户级线程与内核级线程），以及如何通过线程池、线程同步原语（互斥锁、信号量、条件变量、屏障）有效管理并发执行流，避免死锁和竞态条件。高级内容将涉及轻量级进程（LWP）的概念及其在不同架构中的应用。 第三章：CPU调度算法的理论与性能分析 本章详细阐述CPU调度的目标（高吞吐量、低延迟、公平性）与评估指标。我们将系统地分析经典调度算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度、轮转法（Round Robin），并扩展到更复杂的现代调度策略，如多级反馈队列（MLFQ）以及实时系统中的硬/软实时调度算法（如EDF、RMS）。通过数学模型和性能模拟，读者将掌握如何根据系统负载特性选择或设计最优的调度策略。 第二部分：内存管理与虚拟化 第四章：内存的物理组织与地址翻译机制 本章是理解现代系统性能的关键。我们首先回顾主存的物理组织（连续与非连续分配），并深入讲解地址转换过程，包括逻辑地址、线性地址到物理地址的映射。核心内容在于分页机制（Paging）的实现，包括页表的结构（单级、多级、倒排页表）及其对TLB（Translation Lookaside Buffer）性能的依赖。我们将解析硬件辅助的内存保护机制和地址空间分离的原理。 第五章：虚拟内存与页面置换策略 虚拟内存是现代操作系统的基石，它允许程序使用大于物理内存的地址空间。本章聚焦于虚拟内存的实现，包括缺页中断的处理流程。我们将详尽分析页面置换算法的优劣，如最佳置换算法（OPT）、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）及其在实际系统中的近似实现（如Clock算法）。此外，本章还将探讨内存映射文件（Memory-Mapped Files）的工作原理及其在进程间通信中的应用。 第六章：内核内存分配器与缓存管理 本章深入探讨内核层面的动态内存管理。我们将对比slab分配器、伙伴系统（Buddy System）等内核级内存管理器的设计哲学，理解它们如何高效地服务于内核对象（如VFS节点、进程描述符）的分配与回收，以减少外部碎片和内部碎片。同时，讨论内核缓存的一致性维护策略。 第三部分：存储系统与文件管理 第七章：文件系统的结构与抽象 本章从用户视角出发，界定文件、目录、文件系统抽象（如i-node结构）的概念。随后，我们将剖析磁盘的物理结构、I/O调度机制（如SSTF、LOOK算法）以及数据如何被组织在块设备上。重点分析日志文件系统（如Ext4、NTFS的日志特性）如何确保数据一致性和快速恢复能力。 第八章：文件系统的实现细节与性能优化 深入探讨文件系统的内部机制，包括目录查找、文件访问的系统调用路径、数据一致性的保障（如写时复制Copy-on-Write的原理）。本章还将分析磁盘缓存、缓冲区缓存（Buffer Cache）的设计，以及如何通过预读（Read-ahead）和延迟写入（Write-back）策略来优化I/O性能。 第九章：持久性存储与RAID技术 本章关注数据在非易失性介质上的可靠存储。我们将系统介绍RAID（冗余磁盘阵列）的不同级别（RAID 0到RAID 6）的工作原理、容错能力和性能权衡。同时，探讨固态硬盘（SSD）的特性（如磨损均衡、TRIM命令）对传统存储管理策略带来的挑战与应对方案。 第四部分：并发、同步与系统安全 第十章：并发控制与死锁预防 本章回归到并发编程的核心挑战。除了进程/线程同步原语，我们将深入讲解更复杂的同步机制，如屏障（Barriers）、读写锁（RWLocks）的设计与应用场景。对死锁问题进行系统的数学建模，分析必要条件（Hold and Wait, Circular Wait等），并详细介绍银行家算法（Banker's Algorithm）在资源预分配中的应用与局限性。 第十一章：系统保护与安全机制 操作系统必须提供隔离和保护机制。本章探讨域与权限模型、访问控制列表（ACL）的工作方式。重点解析硬件提供的保护机制，如保护环（Protection Rings）和内存保护单元（MMU）如何实现用户态与内核态的隔离。高级内容将涉及操作系统的安全加固技术，如地址空间布局随机化（ASLR）和数据执行保护（DEP/NX位）。 第十二章：系统调用接口与I/O设备管理 本章分析用户程序如何通过系统调用请求内核服务。我们将解析系统调用的封装、参数传递机制以及上下文切换在系统调用发生时的特殊处理。最后，系统地阐述设备驱动程序的结构、中断处理流程，以及I/O请求如何通过中断和DMA（直接内存访问）高效地在硬件和内核之间传递数据。 总结 本书内容侧重于操作系统设计背后的原理和工程权衡，旨在培养读者构建、分析和优化复杂系统软件的能力。它面向计算机科学专业的高年级学生、研究生以及从事底层系统开发、性能调优的工程师。阅读本书，读者将能够深刻理解任何现代操作系统是如何在有限的硬件资源上，构建出稳定、安全且高效的计算环境。

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