具体描述
编译原理及实现技术，ISBN：9787111171164，作者：刘磊[等]编著
好的，以下是一本名为《面向现代计算的底层架构设计与实践》的图书简介，字数约1500字，旨在详细阐述该领域的核心内容，而不涉及您提到的特定主题： --- 《面向现代计算的底层架构设计与实践》 图书简介 在当前数字化浪潮席卷全球的背景下，计算的复杂性与日俱增，对底层架构的设计与实现提出了前所未有的挑战。从云原生应用到边缘计算，再到高性能数据处理，一切高效能系统的基石都取决于其对硬件资源的抽象、调度与优化。《面向现代计算的底层架构设计与实践》正是这样一本立足于当前技术前沿，深入剖析现代计算机系统底层运行机制，并指导读者构建健壮、高效、可扩展基础设施的权威指南。 本书并非停留在理论模型的阐述，而是聚焦于工程实践，系统性地梳理了从硬件接口到操作系统内核，再到虚拟化与容器化技术栈的完整脉络。我们深知，理解现代计算的本质，必须回归到对资源（CPU、内存、I/O）的精细化控制与管理。因此，本书的核心价值在于揭示这些底层机制是如何在实际工程场景中被构建、优化和运维的。 第一部分：现代计算的硬件基础与指令集架构（ISA） 本部分内容着重于夯实读者对底层硬件的认知。我们首先深入探讨了现代处理器（如x86-64、ARMv8）的微架构，包括流水线技术、分支预测、乱序执行等核心设计思想。理解这些机制是理解性能瓶颈和进行代码优化的前提。 内存层次结构与缓存一致性： 详细分析了L1、L2、L3缓存的工作原理，以及多核环境下缓存一致性协议（如MESI协议）如何保证数据正确性。我们着重探讨了如何通过程序设计手法（如数据局部性优化、缓存伪共享规避）来最大化缓存命中率。 SIMD与向量化处理： 针对大规模数据并行计算的需求，本书深入讲解了AVX、SSE等单指令多数据（SIMD）指令集，并提供了C/C++层面的intrinsics编程实践，指导开发者如何利用现代CPU的并行能力加速数值计算密集型任务。 异构计算加速器接口： 鉴于GPU、FPGA等加速器在AI、科学计算中的重要性，本部分还覆盖了它们与CPU之间的数据传输机制、内存模型，以及如何通过标准接口（如OpenCL/CUDA的底层原理）有效地调度计算任务。 第二部分：操作系统内核的资源管理与抽象 操作系统是应用程序与硬件之间的桥梁。本书深入剖析了现代主流操作系统（侧重Linux内核）在资源管理方面的核心算法和数据结构。 进程与线程调度机制： 全面解析了如CFS（Completely Fair Scheduler）等现代调度器的核心逻辑，包括时间片分配、优先级继承与反转的解决策略。我们通过内核代码片段的分析，展示了调度器如何在高负载环境下实现公平性和实时性之间的权衡。 虚拟内存与地址翻译： 详述了MMU（内存管理单元）如何实现虚拟地址到物理地址的翻译，包括页表结构、TLB（转换后援缓冲区）的工作机制，以及缺页中断的处理流程。此外，还探讨了内存碎片整理与大页（Huge Pages）的应用对系统性能的影响。 高效能I/O子系统： 关注I/O路径的优化，从中断处理（如RPS/RFS）、中断合并到异步I/O（AIO）框架。我们特别分析了零拷贝技术的实现原理，以及它在高性能网络服务中的关键作用。 第三部分：虚拟化、容器化与系统级隔离技术 现代基础设施的部署范式已转向轻量级隔离技术。本部分专注于解释支撑这些技术的底层原理。 全虚拟化与硬件辅助： 探讨了Hypervisor（虚拟机监视器）的工作模式（Type 1/Type 2），以及VT-x/AMD-V等硬件虚拟化扩展如何最小化性能损耗，尤其是在I/O虚拟化（如SR-IOV）方面的实现细节。 操作系统级虚拟化（容器技术）： 深入剖析了Linux内核提供的两大核心隔离机制：命名空间（Namespaces）和控制组（Control Groups, cgroups）。本书详细解释了cgroups V2是如何对CPU、内存、I/O带宽进行资源限制和度量的，这对于构建资源可预测的微服务环境至关重要。 安全上下文与权限隔离： 简要介绍了如SELinux/AppArmor等安全增强模块在系统调用层面如何与内核协同工作，为应用提供最小权限的运行环境。 第四部分：系统性能分析与调试工具链 理论知识必须通过实践来验证和优化。《面向现代计算的底层架构设计与实践》的最后一部分聚焦于如何使用专业的工具来洞察系统行为，发现瓶颈。 内核级追踪与分析： 详细介绍了eBPF（扩展的伯克利数据包过滤器）技术栈的原理与应用，展示了如何利用其在不修改内核代码的前提下，安全地进行系统事件追踪、网络数据包过滤和性能度量。 系统调用层级分析： 指导读者使用`strace`、`perf`等工具，分析应用程序的系统调用开销，识别系统调用频繁导致的上下文切换成本。 内存与锁竞争分析： 探讨了如何利用Valgrind或内核调试工具检测内存泄漏、越界访问，并重点分析了多线程程序中的锁粒度对并发性能的影响，提供了锁优化（如读写锁、无锁数据结构）的工程指导。 目标读者 本书面向的是系统工程师、高性能计算开发者、操作系统研究人员、基础设施架构师，以及任何希望深入理解现代计算系统如何“从零开始”构建和优化的技术人员。阅读本书，您将不再满足于对“黑箱”的调用，而是能够掌握设计下一代高效、稳定计算系统的核心能力。通过本书的系统学习，读者将能够自信地在复杂的底层环境中进行诊断、优化和创新。 ---
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