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出版者:Addison-Wesley

作者:Marshall Kirk McKusick

出品人:

页数:580

译者:

出版时间:1996-4-30

价格:USD 74.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9780201549799

丛书系列:

图书标签:

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《Unix 内部原理》 作者： [此处可填一个虚构的、与操作系统领域相关的作者姓名] 出版社： [此处可填一个虚构的、专注于技术书籍的出版社名称] 出版年份： [此处可填一个与操作系统发展历史相关的年份] --- 内容简介：深入探索现代操作系统内核的构造与机制 本书旨在为系统程序员、操作系统研究人员以及对计算机底层工作原理抱有浓厚兴趣的读者，提供一份详尽而深入的指南，剖析一个复杂、健壮的类Unix操作系统的核心设计哲学、结构布局与实现细节。我们不关注特定的BSD变种或历史版本，而是聚焦于操作系统内核所必须面对的通用挑战以及成熟设计模式所提供的优雅解决方案。 本书的基调是实用主义与理论深度并重。它不仅仅是对某一特定代码库的注释，更是对操作系统设计原则的系统性梳理。我们将把一个复杂的现代操作系统分解为若干个核心子系统，逐一剖析它们是如何协同工作，以实现高效资源管理和稳定系统运行的。 第一部分：内核基础与启动过程 本部分首先建立一个坚实的理论基础，概述操作系统的核心职能和基本抽象。 启动序列的奥秘： 我们将详尽阐述系统上电后，硬件如何交接控制权给固件（BIOS/UEFI），固件如何定位并加载引导加载程序（Bootloader）。重点在于Bootloader如何初始化基本内存布局，并最终跳转到内核的入口点。这部分内容将深入探讨自举（Bootstrap）过程中的特权级转换、初步的内存映射建立，以及如何从一个极简的状态过渡到一个可以运行复杂任务的环境。 内存管理的基础架构： 内核需要对物理硬件进行抽象。本章将细致讲解物理内存管理的设计，包括内存的分配策略（如伙伴系统或Slab分配器）如何设计以减少外部碎片，以及如何维护一个准确的物理页帧（Page Frame）数据库。我们将探讨内存管理单元（MMU）的硬件特性如何被内核利用，以及页表（Page Table）层级结构的设计考量。 中断与异常处理： 操作系统与硬件通信的生命线。本书将详细描述中断描述符表（IDT）或等效结构的设置，一级处理程序（Assembly stub）的作用，以及内核如何安全地从硬件中断中恢复或处理异常。这包括上下文保存与恢复的细节，以及如何设计一个健壮的、不阻塞其他操作的底层中断服务程序（ISR）。 第二部分：进程与线程管理 进程和线程是操作系统的核心实体。本部分将深入探讨这些抽象背后的复杂调度与同步机制。 进程的生命周期与上下文切换： 我们将分析一个进程从创建到销毁的完整生命周期。核心在于进程控制块（PCB）的设计，它必须包含运行所需的所有信息。重点讲解上下文切换（Context Switching）的原子性与效率要求，包括寄存器集、栈指针以及地址空间指针的保存与加载过程。 调度器的设计哲学： 调度器是系统的“心脏”。本书将对比不同的调度策略（如分时、优先级继承、实时调度），并着重分析可抢占式调度器的设计。我们将探讨时间片管理、调度队列的组织方式（如运行队列、睡眠队列），以及如何平衡系统吞吐量与进程响应性。尤其会深入分析在多核或超线程环境下，如何实现无锁或低锁的调度数据结构，以避免不必要的锁竞争。 同步原语的实现： 并发程序对同步机制有着迫切需求。我们将剖析互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）以及条件变量（Condition Variables）在内核层面的具体实现。这包括如何利用硬件提供的原子操作（如Test-and-Set或Compare-and-Swap）来构建高效、无死锁的锁原语。对优先级反转问题及其在内核级同步机制中的解决方案将给予充分讨论。 第三部分：内存虚拟化与地址空间管理 虚拟内存是现代操作系统提供的最强大的抽象之一。本部分将揭示如何将有限的物理内存抽象为进程眼中无限且隔离的地址空间。 虚拟地址到物理地址的转换： 详述分页机制（Paging）的运作，包括多级页表的遍历过程、TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用与管理策略。我们将分析内核如何维护每个进程的页表，以及地址翻译失败（Page Fault）的处理流程——从硬件陷阱到内核代码响应，最终可能涉及从磁盘加载数据或终止进程。 内核与用户地址空间的隔离与共享： 探讨内核空间与用户空间的分界，以及这种隔离的必要性。同时，分析内存映射（mmap）系统调用背后的实现机制，特别是如何高效地共享内存区域（如共享库、匿名映射）以及如何处理写时复制（Copy-on-Write, COW）策略以优化进程的`fork()`操作。 交换与置换策略： 当物理内存耗尽时，操作系统必须进行页面置换。本书将系统分析经典的置换算法（如LRU、FIFO），并探讨现代内核如何利用硬件支持（如页表脏位、访问位）来估算页面的“热度”，从而实现更优的页面置换策略。 第四部分：文件系统与I/O子系统 文件系统是用户与持久化存储交互的桥梁。本部分关注数据如何在内核中被组织、缓存和传输。 I/O 栈的抽象： 我们将描述I/O子系统的层次结构，从用户空间的系统调用（如`read`/`write`）到内核中的VFS（Virtual File System）层，再到底层的块设备驱动。VFS的设计如何使得内核能够透明地支持多种不同的具体文件系统（如Ext4, XFS等）。 缓冲区缓存与数据一致性： 文件I/O的性能瓶颈往往在磁盘。本章将详细介绍缓冲区缓存（Buffer Cache）或页缓存（Page Cache）的设计，包括其数据结构、查找机制，以及脏页（Dirty Pages）的回写策略。同步机制如何确保在多进程并发访问同一文件数据时，缓存的一致性不受破坏。 块设备驱动模型： 探讨内核如何与磁盘、SSD等块设备通信。我们将分析I/O调度器（I/O Scheduler）的角色，例如CFQ、Deadline或Noop调度器，它们如何重新排序对物理设备的请求，以优化机械硬盘的寻道时间或SSD的吞吐量。 第五部分：系统调用接口与安全模型 系统调用是用户程序进入内核的唯一受控途径。 系统调用的实现机制： 详细解析从用户态陷阱到内核中相应系统调用处理函数的整个流程。这包括参数的校验、用户空间指针的验证，以及确保调用者权限是否满足操作要求。 权限与安全边界： 探讨内核如何维护安全隔离。我们将分析用户身份与权限（UID/GID）的管理，以及访问控制列表（ACLs）或标准Unix权限模型是如何在内核层面被强制执行的。内核如何防御来自用户空间的恶意输入，是保证系统稳定性的关键。 --- 总结： 本书避免了对特定项目代码库的冗余引用，而是致力于提炼出可迁移的、经过时间检验的操作系统设计模式。通过对内核核心组件的解构与重构，读者将获得对现代计算环境如何实现高效、稳定和安全运作的深刻理解。学习的重点在于“为什么”要这样设计，以及“如何”在资源受限的环境下权衡性能与复杂性。这本书是为那些渴望超越API表面，触及系统“灵魂”的工程师准备的。

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我认为这本书的优点是： 1.很多地方解释了一些功能为什么要这样设计。 2.思路比较清晰 觉得结合《unix环境高级编程》和linux内核的一本书，参照着看，按照专题互相揣摩，既有理论层面的了解又有编程实践和内核对比（Freebsd 和linux），我想收获会大一些吧。 ps：14年9月好像...  

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这本书有中文版，但是不推荐，翻译质量不好。 这本书没有讲具体的代码，而是分析了4.4 BSD内核的各个子系统的结构，因此对于初学OS的同学不太合适。但是对于已经理解基本概念的同学来说，这本书非常值得一看，仅凭虚拟内存(VM)首先在BSD上实现就不能错过本书。

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当我第一次翻开这本书，我就知道这是一次不同寻常的学习体验。与那些侧重于API调用或编程语言语法的书籍不同，这本书直击操作系统的核心，揭示了4.4 BSD系统是如何在硬件之上构建起一个功能齐全、性能卓越的运行环境的。作者的写作风格清晰而有力，每一章节都围绕着一个核心主题展开，逻辑严密，层层递进。我尤其被其在网络协议栈设计方面的讲解所折服。在理解TCP/IP协议的工作原理时，我常常感到信息量巨大且难以消化，但本书通过对4.4 BSD网络实现细节的剖析，将抽象的网络概念具象化。从数据包的封装、路由、到最终的可靠传输，每一个环节都如同精密的齿轮运转，协同工作。我花了不少时间去理解其在数据链路层、网络层、传输层和应用层之间的交互，特别是其对套接字（socket）接口的设计，它如何成为用户程序与网络内核通信的桥梁。这种深入的系统级理解，让我对互联网的运作有了更深刻的认识。我开始能够分析网络性能瓶颈，理解不同网络协议的优劣，甚至能够在脑海中构建出数据在网络中传输的完整路径。这本书不仅仅是技术手册，它更是一次对计算机科学基础原理的深度探索，一次对工程实践智慧的致敬。

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这本书对我来说，是一次对“模块化”和“接口设计”原则的深度学习。4.4 BSD系统之所以能够如此稳定和强大，离不开其清晰的模块划分和良好的接口设计。作者在书中对各个子系统，如进程管理、内存管理、文件系统、网络协议栈等的独立讲解，让我能够清晰地看到各个部分是如何协同工作的，同时又不相互耦合。我特别欣赏它对文件系统缓冲区（buffer cache）的阐述。它不仅仅是一个简单的缓存，更是一个复杂的协调机制，用来管理磁盘I/O的效率。理解缓冲区是如何管理和淘汰页面的，如何与磁盘的块设备进行交互，让我对文件系统的性能优化有了更深的认识。这本书让我学会了如何将一个庞大而复杂的系统，分解成一系列可管理、可维护的模块，并通过明确的接口将它们连接起来。这种设计思想，对于我日后参与任何软件开发项目，都具有极其重要的指导意义。它教会我，一个优秀的系统，其内部的组织结构和模块间的通信方式，与最终的性能和可扩展性同样重要。

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这本书给我带来了前所未有的视角，让我得以窥探一个操作系统设计思维的巅峰之作。在阅读过程中，我仿佛置身于一个由逻辑和代码构建的精密宇宙，每一个概念的引入都如同一颗精心打磨的宝石，散发出璀璨的光芒。作者并非简单地罗列代码片段，而是深入浅出地阐释了4.4 BSD系统在设计层面所秉持的哲学和指导原则。我尤其被其对内存管理模块的深入剖析所吸引，从虚拟内存的实现到页置换算法的权衡，每一个细节都充满了智慧的结晶。理解这些概念不仅是技术上的提升，更是对计算机系统运作方式的深刻认知。它教会了我如何去思考资源分配的效率，如何去设计能够应对复杂并发场景的健壮系统。我发现自己开始不自觉地将书中的设计理念应用到我日常接触到的其他软件系统中，去审视它们的优劣，去思考它们的改进空间。这种能力上的飞跃，是我在其他技术书籍中鲜少体验到的。这本书的魅力在于其深邃的理论基础与严谨的工程实践的完美结合，它不仅仅是一本关于操作系统的书，更是一本关于如何构建复杂、高效、可靠系统的思想启迪录。我强烈推荐给所有对操作系统内核、系统编程、计算机体系结构有浓厚兴趣的开发者和研究者，它绝对会刷新你对操作系统的认知，并为你打开一扇通往更高层次技术理解的大门。

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这本书就像是一次穿越时空的旅程，把我带回了那个计算机系统设计尚未完全成熟，但已然蕴藏无限可能的时代。4.4 BSD，作为一个在操作系统历史上留下了浓墨重彩印记的系统，其设计理念至今仍对我们有着重要的借鉴意义。作者以一种非常结构化的方式，引领我一步步探索了这个系统的内部构造。我特别欣赏它对进程调度策略的详细阐述，从早期的先来先服务到更复杂的优先级调度，再到4.4 BSD中引入的公平共享调度，每一个演进都反映了对系统性能和用户体验的不断追求。阅读过程中，我尝试将书中提到的各种调度算法在脑海中进行模拟，设想在不同的负载情况下，它们如何影响系统的响应速度和吞吐量。这种主动的思考和模拟，极大地加深了我对调度算法背后权衡的理解。此外，文件系统的设计也是书中着重探讨的领域。它不仅仅是数据的存储，更是一个复杂的文件组织和访问控制体系。对UFS（Unix File System）的剖析，让我看到了文件系统如何平衡性能、可靠性和易用性。我开始意识到，即使是看似简单的文件读写操作，背后也隐藏着大量精巧的设计和算法。这本书不仅提供了知识，更重要的是培养了一种“系统性”的思维方式，让我学会从宏观到微观，全面地审视一个软件系统的设计。

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阅读这本书，让我对“权衡”这个词有了更深刻的理解。在操作系统的设计中，几乎处处都存在着各种各样的权衡，比如性能与可靠性、资源占用与响应速度、通用性与专业性。4.4 BSD的设计，正是这些权衡博弈的杰出范例。作者在书中对进程间通信（IPC）机制的剖析，让我看到了在不同场景下，选择不同IPC方式所带来的效率和复杂度的差异。无论是管道、消息队列还是共享内存，每一种方式都有其适用的场景和固有的局限性。我尝试去分析，为什么在某些情况下，共享内存比消息队列更受欢迎，而在另一些情况下，消息队列又显得更为安全。这种对细节的深入探究，让我逐渐形成了对各种IPC机制的直观感受。此外，对内存分配策略的讨论，也让我领略到在有限的物理内存资源下，如何进行高效的动态内存管理。从内存池到分块分配，每一种策略都有其独特的优缺点。这本书不仅仅是理论知识的堆砌，更是一种思维的训练，它教会我如何在复杂的问题面前，辨析出各种因素之间的关联，并做出最优的选择。

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对我而言，这本书是一次关于“系统演进”和“工程哲学”的深度反思。4.4 BSD作为一个在Unix操作系统发展历程中具有里程碑意义的系统，其设计中蕴含着丰富的历史沉淀和技术智慧。作者的讲解，让我能够以一种更加历史和发展的视角来审视这个系统。我特别喜欢其在中断处理机制的剖析。中断是操作系统响应外部事件的关键，而4.4 BSD如何高效、有序地处理各种中断，并将其映射到相应的内核服务，让我对事件驱动的系统设计有了更深的理解。它让我看到了，一个成熟的操作系统，是如何通过精心设计的机制来处理各种突发事件，并保证系统的稳定运行的。此外，对系统启动过程的解读，同样让我大开眼界。从BIOS的初始化到内核的加载，再到各个子系统的启动，每一个环节都充满了精密的逻辑和设计。这本书不仅仅提供了关于4.4 BSD的知识，更是一种对“系统工程”的致敬，它让我学会了如何从全局的角度去理解一个复杂系统的构成和运作，并从中汲取设计灵感。

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这本书是一扇通往操作系统设计艺术殿堂的窗户。4.4 BSD的出现，不仅仅是技术上的进步，更是对如何构建一个高效、可扩展、易于维护的系统的一次深刻实践。作者的引导，使我能够以一种更加系统和全面的视角来审视这个历史性的操作系统。我特别着迷于其对设备驱动程序设计部分。理解操作系统如何与硬件打交道，如何通过抽象层来屏蔽硬件差异，是深入理解系统运行的关键。本书通过对一些典型设备驱动的分析，揭示了中断处理、DMA（直接内存访问）等机制的精妙之处。我曾为如何高效地管理大量的I/O请求而困扰，而通过这本书，我看到了4.4 BSD是如何通过精心设计的I/O子系统来优化性能的。缓冲、队列、调度等策略的运用，让我对I/O操作的复杂性有了全新的认识。更重要的是，它让我意识到，一个优秀的操作系统，必须能够与各种各样、千差万别的硬件设备和谐共存。这本书的价值在于，它不仅提供了关于4.4 BSD的知识，更重要的是，它提供了一种解决复杂系统设计问题的思维框架和方法论。

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这本书对我而言，更像是一次对“工程之美”的深度品鉴。4.4 BSD，作为Unix家族的重要分支，其设计中蕴含着一种简洁、优雅而强大的力量。作者的讲解，将这种力量淋漓尽致地展现出来。我并非直接从代码中学习，而是通过对设计思路和原理的理解，来体会“为什么”要这样设计，而不是“如何”去实现。例如，在信号处理机制的解读中，我不仅了解了信号是如何产生的，如何被捕获，更理解了在多任务环境下，信号传递的复杂性以及4.4 BSD如何巧妙地处理这些潜在的冲突和异常情况。它让我意识到，一个健壮的操作系统，不仅仅要有高效的算法，更要有对各种边缘情况和错误处理的周全考虑。同步机制的讲解，如互斥锁、条件变量等，同样让我受益匪浅。在多线程编程中，理解这些同步原语的正确使用至关重要，而本书则从内核的视角，阐释了它们是如何在底层实现的，以及在并发场景下可能出现的死锁、竞态条件等问题，以及4.4 BSD是如何设计来规避这些问题的。阅读这本书，让我不仅仅是知识的接收者，更是设计思想的探索者，它激发了我对代码背后的逻辑和对系统整体架构的思考，培养了我一种“反思式”的学习习惯。

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这本书如同一位经验丰富的向导，带领我在4.4 BSD操作系统的复杂世界中进行一次精彩的探索。作者并非只是简单地介绍功能，而是深入挖掘了其背后所蕴含的设计思想和工程智慧。我尤其被其在进程同步和通信机制的阐释所吸引。在多线程或多进程环境下，如何保证数据的一致性和程序的正确性，一直是困扰很多开发者的问题。本书对4.4 BSD如何实现互斥、信号量、条件变量等同步原语的底层细节进行了详细的讲解，让我理解了这些机制在内核中的具体实现方式，以及它们是如何协同工作来避免竞态条件和死锁的。我曾为如何设计一个能够安全地共享资源的并发程序而苦恼，而这本书则为我提供了最直接、最深入的解决方案。它不仅仅是关于4.4 BSD的知识，更是一种关于“并发编程”的哲学启蒙，让我学会了如何从系统底层去理解和解决并发带来的挑战，从而写出更健壮、更高效的并发程序。

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这本书为我打开了理解复杂软件系统内部工作机制的一扇大门。4.4 BSD，作为Unix系统发展史上的一个重要里程碑，其设计理念和实现细节，至今仍是计算机科学领域宝贵的财富。作者以一种深入浅出的方式，引导我一步步探索这个操作系统的核心组件。我尤其被其在系统调用接口设计上的严谨所吸引。系统调用是用户空间程序与内核空间交互的唯一途径，其设计的优劣直接影响到应用程序的性能和系统的稳定性。本书通过对常见系统调用的剖析，如`fork`、`exec`、`read`、`write`等，让我了解了它们在内核中的具体实现，以及它们如何高效地完成用户请求。理解这些接口背后的逻辑，对我来说是理解整个系统运作流程的关键。我曾为如何高效地编写能够与操作系统进行交互的程序而思考，而这本书则提供了最根本的答案。它不仅仅是技术的介绍，更是一种对“抽象”和“封装”艺术的展现，让我看到了如何将复杂的内核操作，以简洁、易用的接口呈现给用户。

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講得精彩 @2011-04-18 11:17:15