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出版者:北京大学出版社

作者:MICROSOFT公司

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:110.0

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isbn号码:9787301018118

丛书系列:

图书标签:

• Windows图形设备接口
• 图形设备接口
• Windows驱动开发
• 设备驱动程序
• WDM
• KMDF
• UMDF
• 图形编程
• 系统编程
• Windows内核

《操作系统内核设计与实现》 内容简介 本书深入探讨了现代操作系统的核心机制与底层原理，旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解计算机系统是如何被高效、稳定地组织和管理的。全书结构严谨，理论与实践紧密结合，尤其侧重于剖析那些决定系统性能和安全性的关键技术。 第一部分：操作系统的基础架构与抽象 本书首先从宏观上勾勒了操作系统的基本概念、发展历程以及在现代计算环境中的定位。我们将详细解析操作系统如何扮演资源管理器和虚拟机器的角色。 1. 系统调用与内核接口： 深入分析系统调用的实现机制，包括用户态到内核态的上下文切换过程。探讨不同架构（如x86-64）下系统调用的具体协议和性能考量。 2. 进程与线程管理： 详细阐述进程的生命周期、状态转换以及进程控制块（PCB）的结构。重点讲解线程模型（用户级线程与内核级线程的对比），以及如何通过内核实现轻量级进程（LWP）的调度与同步。 3. 中断与异常处理： 剖析硬件中断与软件异常的产生流程，中断向量表（IVT）的组织方式。讲解中断描述符表（IDT）的配置，以及中断处理程序如何确保系统在处理外部事件时的原子性和一致性。 第二部分：内存管理的核心技术 内存是操作系统最宝贵的资源之一。本部分专注于操作系统如何抽象、分配和保护内存空间，实现高效的地址映射和虚拟化。 1. 虚拟内存的原理与实现： 详细介绍分页机制（Paging）——页表（Page Table）的结构、多级页表的设计，以及地址翻译的硬件加速过程（TLB）。探讨分段机制（Segmentation）在现代系统中的残余影响与作用。 2. 内存分配算法： 分析内核中的物理内存管理单元（如Slab分配器、伙伴系统Buddy System），讨论动态内存请求（如`malloc`/`free`的内核实现）如何在高并发下保持效率和避免碎片化。 3. 内存保护与隔离： 讲解内存保护位、权限控制位（如用户/内核环级别）如何防止进程越权访问。讨论现代架构下的内存保护键（MPK）或内存标签（MTE）等前沿技术。 第三部分：并发控制与同步机制 多核处理器的普及使得并发编程成为常态，内核必须提供健壮的机制来管理共享资源，避免死锁和竞态条件。 1. 互斥与同步原语： 深入剖析锁机制的设计。对比自旋锁（Spinlock）和休眠锁（Mutex）的应用场景及其性能权衡。详细解析信号量（Semaphore）和事件计数器（Event Counter）的实现细节。 2. 经典同步问题与死锁管理： 运用经典生产者-消费者、读者-写者问题来阐述同步逻辑。重点讲解死锁的必要条件、检测算法（如资源分配图）以及预防和恢复策略。 3. 原子操作与内存模型： 探讨如何利用硬件提供的原子指令（如Compare-and-Swap, CAS）实现无锁数据结构。引入顺序一致性模型（Sequential Consistency）、释放一致性（Release Consistency）等内存模型概念，指导开发者编写正确的并发代码。 第四部分：进程调度与资源优化 调度算法直接决定了系统的响应时间、吞吐量和公平性。本部分聚焦于内核如何做出“谁先运行”的决策。 1. 调度器架构： 介绍主流调度器（如CFS，完全公平调度器）的设计思想。分析时间片分配、优先级继承和优先级提升机制。 2. 实时与批处理调度： 区分分时系统、实时系统（硬/软实时）的调度需求。探讨固定优先级抢占式调度（FIFO、Rate Monotonic）与动态优先级调度的对比。 3. 多处理器调度（SMP）： 讲解如何处理多核环境下的负载均衡（Load Balancing）。对比非对称多处理（AMP）与对称多处理（SMP）模型，以及缓存一致性对调度的影响。 第五部分：文件系统与I/O管理 文件系统是用户与持久化存储交互的桥梁。本书将探讨其层次结构和关键组件。 1. 文件系统结构概述： 讲解i节点（Inode）、超级块（Superblock）和目录结构的逻辑关系。分析日志文件系统（如Journaling）如何保证数据的一致性和快速恢复能力。 2. 块设备I/O栈： 深入分析I/O请求从用户空间到磁盘的完整路径。重点讲解I/O调度器（如Deadline、Noop、CFQ的演变），以及如何通过DMA（直接内存访问）减少CPU开销。 3. 缓存与缓冲区管理： 探讨页缓存（Page Cache）和缓冲区缓存（Buffer Cache）的作用，以及它们如何通过延迟写入（Write-Back）和预读（Read-Ahead）机制优化磁盘访问性能。 第六部分：系统安全性与隔离 现代操作系统必须提供强大的隔离机制以应对恶意行为和错误软件。 1. 用户权限与安全上下文： 详细解析访问控制列表（ACL）、能力（Capabilities）的概念，以及如何基于UID/GID进行权限验证。 2. 内核保护机制： 探讨地址空间布局随机化（ASLR）、数据执行保护（DEP/NX位）在防止栈溢出和代码重用攻击中的作用。 3. 虚拟化基础： 简要介绍Type-1和Type-2管理程序的基本原理，以及如何通过硬件辅助虚拟化（如Intel VT-x/AMD-V）实现高效的系统隔离。 本书适合具备C语言基础，对计算机体系结构有一定了解的系统程序员、操作系统研究人员和高级课程学生。通过对这些核心组件的深入剖析，读者将能够构建、调试和优化下一代高性能、高可靠性的系统软件。

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从结构上看，这本书的组织方式非常具有实用主义色彩。它似乎是按照图形元素的使用频率和复杂性来编排内容的，比如，对“区域”（Region）和“剪裁”（Clipping）的处理，占据了相当大的篇幅，并且提供了大量关于如何优化复杂几何体交集计算的算法思路。我注意到，书中对GDI如何处理设备无关性（Device Independence）的哲学思辨非常深刻，解释了为什么某些操作在屏幕和打印机上表现可能存在细微差异的原因，这涉及到对“设备能力表”（Device Capabilities Table）的深入理解。特别是，书中对内存DC与屏幕DC之间数据同步的微妙之处进行了详尽的阐述，这对那些进行高性能双缓冲绘图的程序员来说，是避免闪烁和撕裂问题的关键所在。整本书没有华丽的辞藻，语言极其精炼，每一句话都像是一条经过严格验证的汇编指令，直击问题的核心，展现了一种对底层技术毫不妥协的尊重与掌握。

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坦白讲，这本书的阅读体验是相当“硬核”且不轻松的。它毫不避讳地使用了大量晦涩的系统调用术语和未公开的内部约定，仿佛作者默认你已经对操作系统内核有着扎实的了解。我尤其留意了其中关于“设备无关位图”（DIB）部分的处理，作者没有满足于仅仅介绍DIB结构，而是深入探讨了GDI如何高效地在不同的像素格式和内存布局之间进行数据流的转换，特别是涉及到涉及调色板（Palettes）管理的复杂交互。书中对GDI中与打印机驱动交互的特定结构（如GDI渲染流程如何被重定向到打印机spooler）的剖析，几乎是市面上所有公开资料中最详尽的一个版本，这对于需要开发专业报告生成工具的开发者来说，价值无可估量。整本书散发着一种古老而扎实的工程美学，强调的是“对机器的精确控制”而非“对用户的美化”，读起来让人肃然起敬。

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当我翻开这本书时，我首先被它那近乎偏执的严谨性所吸引。它似乎没有丝毫想去迎合初学者的意图，而是直奔主题，直插核心。那些关于设备上下文（DC）的生命周期管理，以及GDI对象（如画刷、字体、路径）的精确引用计数，都被剖析得入木三分，简直就像在给一块精密复杂的瑞士钟表做CT扫描。我特别欣赏作者在讨论字体渲染部分时所展现出的深厚功力，不仅仅是讲解 `CreateFontIndirect`，而是深入到GDI如何与字体文件（如TrueType、OpenType）进行数据交换，以及文本轮廓化（Outlining）和栅格化（Rasterization）过程中的数学基础。这不像是在读一本编程指南，更像是在阅读一份关于数字艺术工程化的学术论文。对于那些需要开发高度定制化打印机驱动程序或者嵌入式图形系统的工程师而言，这本书提供了一种近乎“考古学”式的视角，帮助我们理解为什么早期的图形系统会做出那样的设计决策。它没有过多渲染绚丽的三维效果，而是专注于二维平面上的效率与稳定，这本身就是一种极其宝贵的知识沉淀。

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这本书的书名听起来就让人精神为之一振，尤其是对于那些热衷于深入理解操作系统底层运作原理的资深技术人员来说。“图形设备接口”这个词汇本身就暗示着对底层驱动、硬件交互以及复杂图形渲染管线的深入探讨。我期待它能像一本精心烹制的饕餮盛宴，用详尽的代码示例和清晰的架构图，一步步揭示Windows GDI是如何从抽象的调用层级，转化为对显卡和显示器最直接的命令输出。我希望看到关于位图（Bitmap）、元文件（Metafile）处理的精妙算法，那些看似简单的“画线”或“填充”操作背后，隐藏着多少优化和技巧。更重要的是，一个真正的技术圣经，应该能清晰地阐述GDI与后来的DirectX、WPF等现代图形API之间的继承、演变和取舍，让读者不仅知其然，更能知其所以然。如果这本书能提供大量关于性能瓶颈分析的案例，教我们如何识别和绕开那些经典的GDI陷阱，那它绝对是不可多得的瑰宝。我尤其看重它对不同Windows版本间GDI细微差别的比较，毕竟，在兼容性面前，历史的包袱常常成为创新的阻碍。总而言之，我对它充满期待，希望它不只是API文档的堆砌，而是能将冰冷的规范转化为生动的工程实践指南。

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这本书给我的感觉是，它更像是一本为那些已经与Windows图形系统“搏斗多年”的老兵准备的“武功秘籍”，而非新手入门手册。书中对GDI对象的“资源泄露”案例分析得极为透彻，甚至用大量的篇幅探讨了在多线程环境下，如何安全地共享或同步对图形资源的操作，这在现代应用程序中是至关重要的痛点。我惊喜地发现，作者竟然详尽地梳理了GDI在不同颜色深度（Color Depth）下的内部数据结构差异，比如16位色和真彩色模式下，内存像素格式的转换机制，这在处理遗留系统兼容性时，简直是救命稻草。而且，书中对“GDI句柄”的管理，其描述的细致程度超出了我的想象，它不仅告诉你需要 `DeleteObject`，更解释了为什么在某些特定API调用链中，句柄的释放时机至关重要，甚至涉及到内核对象的回收延迟。这种对“细节的魔鬼”的深入刻画，让阅读过程充满了发现的乐趣。

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