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出版者:厦门大学出版社

作者:程仁贵

出品人:

页数:212

译者:

出版时间:2006-3

价格:22.00元

装帧:

isbn号码:9787561524824

丛书系列:

图书标签:

• 操作系统
• 计算机科学
• 基础教程
• 计算机原理
• 系统编程
• 内核
• 进程管理
• 内存管理
• 文件系统
• 虚拟化

《计算机系统导论：从硬件到软件的深度探索》 本书旨在为读者揭示计算机系统运行的底层奥秘，构建一个从物理硬件到高级应用软件的完整认知框架。我们不将重点放在操作系统具体命令的学习，而是着力于阐述操作系统在整个计算机体系结构中扮演的关键角色，以及它是如何与硬件协同工作，为上层应用程序提供服务。 第一部分：硬件基石——计算机的物理世界 在深入操作系统之前，理解计算机的硬件构成是不可或缺的。本部分将从最基本的层面出发，介绍构成现代计算机的核心组件： 中央处理器（CPU）： 讲解CPU的内部结构，包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器。我们将探讨指令集架构（ISA）的概念，理解CPU如何执行指令，以及时钟信号、流水线等技术如何影响其性能。 内存（RAM）： 深入分析随机存取存储器的工作原理，包括内存地址、内存控制器以及内存的读写过程。我们将介绍虚拟内存的概念，虽然不详述其在操作系统中的实现细节，但会阐明其为何存在以及它为程序执行带来的优势。 存储设备： 介绍硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）等存储介质的原理，以及它们与内存的区别。我们将触及I/O（输入/输出）接口和总线的基本概念，理解数据如何在CPU、内存和存储设备之间传输。 输入/输出设备： 简要介绍键盘、鼠标、显示器等常见I/O设备的接口和工作方式，为理解操作系统如何管理这些设备奠定基础。 第二部分：连接硬件与软件的桥梁——计算机体系结构 本部分将引导读者理解硬件如何被组织起来，形成一个可供软件运行的平台。 总线系统： 详细讲解不同类型的总线（如数据总线、地址总线、控制总线），它们如何连接各个硬件组件，以及总线协议的重要性。 中断与异常： 阐述中断和异常发生的原因，以及它们如何打破CPU的正常执行流程。虽然不深入探讨中断处理程序的编写，但我们会解释中断和异常在操作系统中用于响应硬件事件和错误处理的关键作用。 内存管理单元（MMU）： 介绍MMU在硬件层面如何支持内存访问的转换和保护，为理解操作系统如何实现更复杂的内存管理策略打下基础。 第三部分：软件的舞台——指令集、汇编与编译 在硬件和体系结构之上，软件才得以运行。本部分将揭示软件如何被转化为机器能够理解的语言。 指令集架构（ISA）： 回顾并深化ISA的概念，说明不同的处理器架构（如x86、ARM）拥有不同的指令集。 汇编语言： 介绍汇编语言作为机器语言的符号表示，并说明其与机器码的对应关系。我们将通过简化的例子展示汇编代码如何描述基本的计算操作，但不涉及具体的汇编器和汇编过程。 编译过程概述： 简要介绍高级语言（如C、Python）如何通过编译器转化为汇编语言，再由汇编器生成机器码。我们关注的是整个转化流程的概念，而非具体编译器的技术细节。 第四部分：程序执行的生命周期——从加载到退出的旅程 本部分将着眼于一个程序是如何在计算机上从无到有，最终运行并结束的。 可执行文件格式： 介绍可执行文件（如ELF、PE）的基本结构，理解其中包含的代码、数据以及元信息。 加载过程： 阐述程序在被执行时，其内容如何从存储设备加载到内存中，以及加载器（Loader）的概念。 程序执行流程： 描绘CPU如何一步步执行程序中的指令，以及程序计数器（PC）的作用。 运行时环境： 简要介绍程序运行时所需的堆栈、堆等内存区域的概念，以及它们在程序生命周期中的作用。 第五部分：并发与协调——多任务处理的本质 在多用户、多任务的现代计算环境中，理解并发执行的概念至关重要。 进程的概念： 介绍进程作为程序的一次执行实例，拥有独立的内存空间和执行上下文。 线程的概念： 引入线程作为进程内的执行单元，理解线程间的轻量级切换。 并发执行的挑战： 探讨并发执行可能带来的问题，如资源竞争，但不会深入讲解操作系统层面的同步机制。 时间片轮转（概念）： 简要介绍操作系统如何通过在不同任务之间快速切换，为用户创造并发执行的假象，提升系统响应能力。 第六部分：资源管理与系统服务 虽然不深入探讨操作系统具体的管理功能，但我们会强调操作系统在资源管理和服务提供方面的重要性。 硬件抽象： 解释操作系统如何通过驱动程序等机制，屏蔽底层硬件的复杂性，为应用程序提供统一的接口。 系统调用（概念）： 介绍应用程序通过系统调用向操作系统请求服务的机制，例如文件读写、网络通信等，理解这是应用程序与操作系统交互的桥梁。 文件系统（概念）： 简要说明文件系统是组织和管理存储设备上数据的方式，但不涉及具体的文件系统实现细节。 本书的目标读者： 本书适合对计算机系统的工作原理充满好奇的初学者，以及希望深入理解软件与硬件之间交互机制的开发者、系统管理员和计算机科学专业的学生。我们旨在提供一个坚实的理论基础，帮助读者更好地理解更高级的计算机主题，而无需陷入特定操作系统的繁琐细节。通过本书，您将能够更清晰地认识到，我们日常使用的应用程序背后，是一个多么精妙而强大的计算机系统。

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这本书的排版和设计可以说是教科书级别的典范，即便是在讲解最复杂的内存保护和地址翻译时，也能保持极佳的可读性。纸张的质量和墨水的清晰度都无可挑剔，使得长时间阅读眼睛也不会感到疲劳，这对于需要反复查阅特定章节的读者来说，是至关重要的硬件体验。更值得称赞的是，书中引入的“概念自检”小测验，它们不是那种简单的多选题，而是需要读者动手推导或简单证明的微型问题，这有效地避免了“读完就忘”的窘境。通过这些互动环节，我发现自己对那些边缘情况（Corner Cases）的理解变得更加扎实。整体来看，它似乎是专门为那些追求完美学习体验的读者量身定制的，每一个细节都透露出对知识传递的极致用心。

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这本书最让我感到惊喜的是它对现代云计算和虚拟化技术对传统操作系统模型冲击的探讨。它没有将操作系统视为一个孤立的实体，而是将其置于整个计算生态系统中进行审视。关于Hypervisor（虚拟机监控程序）如何介入硬件资源管理，以及容器化技术（如Docker背后的命名空间和Cgroups）如何“欺骗”应用程序，使其以为自己独享了整个系统，这些章节的分析既有理论深度，又不失前沿性。作者对性能隔离和资源配额的深入剖析，让我对云环境下的资源竞争有了更清醒的认识，这对于从事SRE或DevOps工作的技术人员来说，简直是如虎添翼的宝贵资料。它成功地架起了一座连接经典OS原理与未来基础设施的桥梁，让我看到了操作系统学科的无限生命力。

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说实话，一开始我对这本书抱有很大的期望，毕竟市面上关于操作系统的书汗牛充栋，但这本书在并发控制和同步机制的叙述上，真的达到了一个新的高度。它没有满足于仅仅介绍互斥量和信号量这些基本工具，而是花费了大量的篇幅去剖析“死锁”这个魔鬼是如何产生的，并详细对比了预防、避免和检测恢复这三种策略的实际操作难度和系统开销。其中关于Rendezvous机制的讲解，配上了清晰的流程图，使得原本晦涩难懂的同步点概念变得异常直观。对于多线程编程中的竞态条件问题，作者给出了一系列极具前瞻性的代码示例，这些示例不仅展示了如何编写正确同步的代码，更重要的是，它们揭示了在不同架构下，同步原语的行为差异。这种注重实践和细节的深度挖掘，让这本书远超了一般入门读物的范畴，更像是一本面向资深开发者的“工具箱”手册。

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这本书在系统调用接口和用户态/内核态交互的描述上，展现出一种近乎“考古学家”般的严谨态度。作者没有满足于简单列举常见的系统调用，而是追溯了它们在不同Unix变体中的演变历史，解释了为什么某些看似冗余的调用仍然被保留至今，这对于理解操作系统的历史包袱和演进路径非常有帮助。特别是关于I/O多路复用技术（select, poll, epoll）的章节，它不仅对比了它们在性能上的巨大差异，还非常巧妙地结合了网络编程的实际场景，说明了为什么epoll成为了现代高性能服务器的首选。读完这部分内容，我感觉自己不再是仅仅在调用API，而是真正理解了内核是如何在用户空间和硬件之间搭建起高效通信桥梁的。这种对底层“幕后工作”的详尽揭示，极大地增强了我的系统级安全意识。

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这部著作的讲解方式真是令人耳目一新，它没有那种传统教科书里枯燥乏味的术语堆砌，而是用非常生动形象的类比来阐述复杂的内存管理和进程调度概念。读起来就像听一位经验丰富的工程师在分享他多年实践中的心得体会，而不是面对一本冰冷的教材。特别是关于虚拟内存和页面置换算法的部分，作者通过一个生动的“图书馆借阅”模型，将抽象的理论一下子变得清晰易懂，让人瞬间就掌握了其核心思想。我个人最欣赏的是书中对文件系统的描述，它不仅仅停留在理论层面，还深入探讨了现代操作系统中各种文件系统结构的优缺点以及它们在实际应用中的权衡，这对于我们这些希望深入了解底层机制的读者来说，无疑提供了宝贵的视角。这本书的结构安排也非常合理，从最基础的硬件抽象层开始，逐步构建起操作系统的完整图景，每一步都衔接得恰到好处，没有出现逻辑上的断层或突兀感。

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