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出版者:清华大学出版社

作者:徐孝凯

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2003-1-1

价格:29.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302060680

丛书系列:

图书标签:

• C++
• 程序设计
• 编程
• 计算机科学
• 软件开发
• 算法
• 数据结构
• 面向对象
• 初学者
• 教材
• 技术

《深入理解操作系统：从理论到实践》 本书旨在为计算机科学、软件工程等相关专业的学生以及对操作系统原理有浓厚兴趣的工程师提供一本全面、深入且富有实践指导意义的教材。 操作系统是计算机系统的核心和灵魂，它管理着硬件资源，为上层应用提供了一个稳定、高效的运行环境。理解操作系统的内部机制，对于编写高性能的软件、调试复杂的系统问题乃至进行未来的系统级创新都至关重要。 本书摒弃了传统教材中过于抽象和概念化的叙述方式，而是采用了“理论与实践紧密结合”的编撰策略。我们选取了当前业界主流的、具有代表性的操作系统（如 Linux 内核的某些核心设计思想）作为案例，深入剖析操作系统的核心组件和关键算法。全书内容按照操作系统功能模块的逻辑顺序展开，层层递进，力求让读者建立起一个完整而清晰的知识体系。 --- 第一部分：基础与架构概览 本部分为后续深入学习奠定坚实的理论基础。 第一章：引言与历史沿革 本章首先界定了操作系统的概念、功能和目标，并回顾了操作系统的发展历程，从批处理系统到分时系统，再到现代多用户、多任务的通用操作系统。重点讨论了操作系统的“守门员”角色及其面临的挑战，如安全性、性能优化和可移植性。 第二章：计算机系统硬件基础 深入探讨操作系统赖以生存的硬件环境。内容涵盖：CPU 结构（特权级、指令集架构、流水线技术），存储器层次结构（Cache、主存的工作原理），I/O 子系统（中断机制、DMA 控制器）。这一章强调理解硬件如何影响操作系统设计决策，特别是中断向量表和内存保护单元（MMU）的初始化过程。 第三章：内核与用户态的隔离 详细阐述了操作系统如何通过硬件提供的机制实现系统调用和进程/线程的上下文切换。我们将分析系统调用接口的设计模式，解释内核态与用户态之间转换的开销和安全考量。内容包括系统调用表的查找机制，以及如何通过寄存器保存与恢复来实现高效的模式切换。 --- 第二部分：进程与线程管理 这是操作系统的核心职能之一，本部分将详细剖析程序执行的模型。 第四章：进程的概念与表示 定义了进程与程序的区别，并深入讲解了进程控制块 (PCB) 的数据结构，PCB 中包含的上下文信息（寄存器值、栈指针、程序计数器等）。本章还对比了不同操作系统中进程状态模型的细微差异，以及父子进程的创建与销毁机制（如 `fork()` 和 `exec()` 的底层实现）。 第五章：处理机调度算法 系统地介绍了各种 CPU 调度算法，包括：先来先服务 (FCFS)、最短作业优先 (SJF)、优先级调度、轮转调度 (RR)，以及面向多核环境的多级反馈队列调度 (MLFQ)。我们将使用实际的执行时间序列图和性能指标（如平均等待时间、周转时间）对这些算法进行量化分析。特别关注实时系统的调度策略（如 EDF 和 RMS）。 第六章：并发与同步——临界区保护 处理并发执行带来的数据不一致性问题。本章从互斥性需求出发，逐步引入硬件支持的同步机制（如 Test-and-Set 锁），然后详细讲解信号量（计数信号量与二进制信号量）的应用，并分析经典的同步问题，如生产者-消费者、读者-写者问题。 第七章：高级并发控制与死锁 深入探讨更复杂的并发控制机制，如管程 (Monitor) 的设计思想及其在 C++ 等高级语言中的实现映射。随后，重点分析死锁的四个必要条件，并详细介绍死锁的预防、避免（银行家算法）和检测与恢复策略。 第八章：现代多线程模型 区分进程与线程，并对比用户级线程 (User-Level Threads) 与内核级线程 (Kernel-Level Threads) 的优缺点。深入讨论M:N 线程模型（如绿色线程），以及如何利用多核架构下的并发编程模型（如 OpenMP 或线程库 API）来实现高效并行。 --- 第三部分：内存管理 内存是操作系统需要精细调度的宝贵资源，本部分聚焦于如何高效、安全地分配和使用内存。 第九章：内存管理的原理 讲解连续内存分配（固定分区与动态分区）的碎片化问题，并详细阐述分页机制作为现代操作系统的基础。深入分析页表结构（单级、多级页表、倒排页表）的设计，以及硬件转换后援缓冲区 (TLB) 的工作原理。 第十章：虚拟内存与页面置换 虚拟内存是现代操作系统最伟大的发明之一。本章解释了地址翻译过程，以及如何通过硬件 MMU 实现虚拟地址到物理地址的映射。重点分析了各种页面置换算法（如最佳、FIFO、LRU、第二次机会），并通过实例对比它们的性能差异。讨论了抖动 (Thrashing) 现象及其预防措施。 第十一章：内存分配的实现细节 关注内核级别内存管理器的实现。介绍内核内存分配器的设计，如伙伴系统 (Buddy System) 如何处理固定大小的块分配，以及slab 分配器如何为特定内核数据结构提供高效、无碎片化的内存池。 --- 第四部分：文件系统与存储管理 本部分关注数据如何在持久化存储设备上组织和访问。 第十二章：文件系统接口与实现 定义文件、目录的抽象概念，并分析不同文件组织方法（顺序、直接、间接块）。详细探讨文件系统的结构，包括超级块、i 节点（Inode）表和数据块的组织方式。 第十三章：磁盘 I/O 与调度 分析机械硬盘 (HDD) 和固态硬盘 (SSD) 的物理特性差异。重点讲解磁盘调度算法（如 FCFS、SSTF、SCAN/C-SCAN），并对比它们在不同负载下的性能表现。探讨如何优化数据写入以适应 SSD 的特性。 第十四章：文件系统的一致性与保护 讨论日志 (Journaling) 机制如何保证文件系统在断电后的一致性和快速恢复能力。深入研究文件保护机制（如权限位、ACLs）以及不同操作系统中文件缓存的策略（如延迟写入、预读）。 --- 第五部分：I/O 子系统与设备驱动 操作系统与外部设备的交互是其复杂性的重要来源。 第十五章：I/O 硬件与软件接口 概述 I/O 设备类型及其控制器的基本功能。详细分析中断驱动 I/O、轮询 I/O 和直接内存访问 (DMA) 的工作流程和适用场景，强调 DMA 如何解放 CPU 进行并行工作。 第十六章：设备驱动程序结构 介绍设备驱动程序在内核中的位置和作用。分析字符设备、块设备和网络设备的驱动程序的基本框架，包括请求队列管理和上层服务的注册/注销过程。 第十七章：网络协议栈的操作系统视角 虽然网络通信常被视为独立学科，但操作系统在其中扮演关键角色。本章从内核角度审视 TCP/IP 协议栈在操作系统中的实现，特别是套接字 (Socket) 接口的系统调用，以及内核如何处理网络数据包的接收、缓冲和分发给用户进程。 --- 附录：性能分析与调试工具 本书最后提供了一系列实用工具和方法论，指导读者如何使用实际工具来观察和分析操作系统的行为。内容包括使用 `top`, `vmstat`, `iostat` 等工具对系统性能瓶颈进行初步诊断，以及如何利用 `strace` 或内核调试器来追踪系统调用的执行流程。 本书的特点在于，每一章都配有大量的伪代码和实际案例分析，鼓励读者跳出“黑箱”思维，亲手去理解这些抽象概念是如何在真实的系统代码中被实现的。 通过本书的学习，读者将不仅掌握操作系统的理论知识，更能建立起在系统层面思考问题的能力。

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