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出版者:科学出版社

作者:李珊珊等编

出品人:

页数:525

译者:

出版时间:2003-12

价格:49.0

装帧:平装

isbn号码:9787030109699

丛书系列:

图书标签:

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深入解析现代操作系统：从内核架构到前沿应用 一本全面覆盖现代操作系统核心技术与实践的深度指南 本书旨在为计算机科学专业的学生、系统级软件工程师以及对操作系统底层原理有浓厚兴趣的读者，提供一套系统、深入且与时俱进的学习资源。我们避开了对老旧系统（如Windows 9x系列）的冗余叙述，将全部焦点集中在当前主流及未来发展方向——现代多核、高并发、虚拟化与云原生环境下的操作系统设计与实现。 本书的结构设计遵循从基础理论到高级实践的递进逻辑，共分为六个宏大章节，力求构建一个完整的知识体系。 --- 第一部分：现代操作系统的核心基础与演进（The Foundation） 本部分奠定了理解现代操作系统的基石，重点关注在多处理器和异构计算环境下，传统操作系统模型如何进行根本性重构。 1.1 处理器架构的变革与OS的适应 我们首先考察x86-64架构（及其在服务器和移动设备上的变体）的内存模型、缓存一致性协议（如MESI/MOESI），以及它们对操作系统同步原语设计的制约与优化。详细分析了指令集扩展（如SSE/AVX）如何被内核用于加速关键任务。 1.2 内核设计范式的对比与选择 深入剖析了单内核（Monolithic）、微内核（Microkernel，重点分析Mach/L4的现代衍生品）、混合内核（Hybrid）的设计哲学及其性能权衡。重点探讨了如何通过模块化设计、动态加载和运行时重配置来兼顾灵活性与效率。我们不讨论Win9x的混合体结构，而是专注于如Linux 6.x系列和Windows NT 10/11的最新架构演进。 1.3 启动过程的革命：从BIOS到UEFI与安全启动 详细解析UEFI（统一可扩展固件接口）取代传统BIOS的全过程，包括安全启动（Secure Boot）的机制、如何验证内核映像的数字签名，以及直接内核执行（Direct Kernel Execution, DKE）在现代引导流程中的角色。 --- 第二部分：进程与线程管理的高级优化（Concurrency Mastery） 本章聚焦于如何高效地管理成千上万的并发执行流，这是现代高性能计算系统的核心挑战。 2.1 调度算法的未来：实时性与公平性的平衡 放弃对早期分时系统的讨论，深入研究CFS（Completely Fair Scheduler）的红黑树实现细节、对延迟敏感型任务的SCHED_DEADLINE调度策略，以及在NUMA（非统一内存访问）架构下如何进行CPU亲和性与内存节点的智能绑定，以最小化跨节点通信延迟。 2.2 同步原语的无锁化（Lock-Free Programming） 全面介绍基于硬件指令的同步机制，如CAS（Compare-and-Swap）、LL/SC（Load-Linked/Store-Conditional）。详细讲解如何使用这些原子操作来构建高性能、无死锁的无锁数据结构（如无锁队列、无锁哈希表），并分析内存屏障（Memory Barriers/Fences）在确保跨处理器可见性中的精确作用。 2.3 现代线程模型：用户级与内核级线程的协作 分析不同操作系统如何实现用户级线程库（如NPTL）与内核调度实体之间的映射。探讨协程（Coroutines）和绿色线程（如Go语言中的Goroutines）如何通过M:N调度模型，在用户空间实现超大规模并发，以及内核如何识别并优化对此类工作负载的调度。 --- 第三部分：内存管理与虚拟化（The Virtual Landscape） 本部分深入探讨操作系统如何抽象和管理物理内存，以及现代虚拟化技术如何建立在这些抽象之上。 3.1 虚拟内存的现代实现与优化 细致讲解二级和三级页表结构（如x86-64中的4级分页），以及TLB（Translation Lookaside Buffer）的硬件管理机制。重点分析大页（Huge Pages）的应用场景、TLB填充效率分析，以及内存碎片整理（Compaction）在内存压力下的动态策略。 3.2 内存保护与隔离技术 探讨现代内核如何利用硬件特性（如页表隔离PTI/KAISER）来缓解侧信道攻击（如Spectre/Meltdown）。详细介绍地址空间布局随机化（ASLR）的熵值设计，以及堆栈保护（Stack Canaries）的实现细节。 3.3 操作系统与硬件虚拟化的交汇 深入Hypervisor（如KVM/Xen）的工作原理。分析硬件辅助虚拟化（Intel VT-x/AMD-V）如何实现特权指令捕获与陷阱处理。重点讲解影子页表（Shadow Paging）与EPT/NPT（扩展页表/嵌套页表）在减少虚拟化开销方面的核心区别与性能优势。 --- 第四部分：文件系统与持久化存储（Data Integrity and Speed） 本章专注于现代高性能、高可靠性文件系统的设计，摈弃对FAT或早期NTFS的介绍。 4.1 日志结构化与写时复制（CoW）文件系统 全面解析日志结构文件系统（如Ext4的Journaling）的工作原理，以及写时复制（Copy-on-Write）范式（如ZFS/Btrfs）如何实现数据快照、数据完整性校验和透明压缩。分析CoW在解决写放大问题上的优越性。 4.2 块设备的抽象与I/O栈优化 探讨多路径I/O、I/O调度器的演进（从CFQ到BFQ/MQ-Deadline）。重点分析VirtIO在虚拟化环境中提供的高效I/O路径，以及SPDK（Storage Performance Development Kit）等用户空间I/O框架如何绕过传统内核I/O栈以达到纳秒级延迟。 4.3 网络协议栈的内核优化 分析TCP/IP协议栈（如TCP BBR拥塞控制算法）在内核中的实现细节。探讨零拷贝（Zero-Copy）技术（如sendfile()）如何避免数据在内核和用户空间间的重复搬运，以及eBPF/XDP如何在内核早期阶段高效处理网络数据包。 --- 第五部分：安全与隔离机制（Trust and Containment） 本部分专注于操作系统如何构建可信执行环境和资源隔离。 5.1 访问控制模型的现代化 对比传统的DAC（自主访问控制）与MAC（强制访问控制，如SELinux/AppArmor）的实现复杂性。重点分析基于角色的访问控制（RBAC）在企业级系统中的应用。 5.2 容器化技术与内核命名空间 深入解析Linux命名空间（Namespaces）（PID、Mount、Network等）和控制组（cgroups）如何作为容器技术（如Docker/Kubernetes）的基础隔离机制。分析这些机制在资源限制、进程隔离和资源公平分配中的精确技术实现。 5.3 安全增强型操作系统特性 探讨Trusted Platform Module (TPM)在系统度量和密钥存储中的作用。分析内核地址空间隔离（KASLR）的深度实现，以及如何在用户空间使用沙箱（Sandboxing）技术来限制应用程序的权限范围。 --- 第六部分：面向未来的操作系统研究方向（Frontiers） 本章展望了当前操作系统领域的研究热点和下一代计算环境的需求。 6.1 云原生与分布式操作系统概念 讨论在微服务和Serverless架构下，操作系统边界的模糊化。分析Unikernels如何通过极简的内核来优化启动时间和资源占用，以及分布式共享内存（DSM）系统在超大规模集群中的挑战。 6.2 实时操作系统的硬性要求与设计 针对工业控制和自动驾驶领域，详细阐述硬实时（Hard Real-Time）系统的设计约束，如如何保证中断延迟的确定性，以及时间隔离机制的实现。 6.3 异构计算与资源调度 研究操作系统如何有效地调度和管理GPU、FPGA等加速设备。分析CUDA/OpenCL运行时如何与内核驱动程序交互，以及统一内存模型（Unified Memory）在简化异构编程中的作用。 --- 本书通过大量的源代码片段分析（主要取材于现代Linux内核的最新版本及BSD内核的设计思想）、性能基准对比和架构图解，确保读者不仅理解“是什么”，更能掌握“如何实现”和“为何如此设计”。本书是系统工程师迈向深度内核开发者的必备参考手册。

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