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出版者:Pearson Custom Publishing

作者:Peter Abel

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1989

价格:0

装帧:Spiral-bound

isbn号码:9780536738547

丛书系列:

图书标签:

• 汇编语言
• 程序设计
• 计算机科学
• 底层编程
• x86
• 汇编器
• 基础教程
• 计算机体系结构
• 低级语言
• 编程入门

深入探索现代操作系统核心：基于 C 语言的系统编程实践 书名：深入探索现代操作系统核心：基于 C 语言的系统编程实践 图书简介 本书旨在为有一定 C 语言基础的读者提供一套全面而深入的操作系统（OS）核心概念和底层编程实践指南。我们聚焦于现代类 Unix 系统（如 Linux）的架构和工作原理，通过大量的实际代码示例和清晰的理论阐述，帮助读者构建起对操作系统内核、进程管理、内存布局、文件系统及并发控制的扎实理解。 第一部分：奠基：硬件、启动与底层接口 本部分从最基础的层面入手，为后续的系统编程打下坚实的基础。 第一章：计算机体系结构回顾与汇编基础 虽然本书的核心是 C 语言系统编程，但理解底层硬件对高效编程至关重要。本章将快速回顾冯·诺依曼架构、内存层次结构（寄存器、缓存、主存）和 I/O 访问模式。重点在于介绍现代 x86-64 架构下的基本指令集结构和调用约定（ABI），这不是为了教授汇编编程，而是为了理解 C 代码是如何被编译成机器指令，以及函数调用栈帧是如何构建和维护的。我们将分析函数序言和尾声，解析寄存器在参数传递和局部变量存储中的作用。理解这些，是理解程序崩溃和调试底层 Bug 的关键。 第二章：引导过程与内核加载 我们深入探讨计算机启动的初始化序列。从 BIOS/UEFI 固件的初始化，到引导加载程序（如 GRUB）的工作，再到内核映像的加载。本章会介绍内核如何在内存中解压并开始执行其自身的初始化代码。读者将了解到，当操作系统接管控制权时，它首先需要建立哪些基础数据结构，例如页表和中断描述符表（IDT）。我们将通过分析一个简化的引导加载代码片段（非汇编核心，而是 C 语言对底层硬件操作的模拟）来理解这种“白手起家”的初始化过程。 第三章：C 语言的内存视图：从源代码到运行时布局 本章详细剖析 C 程序在内存中的组织方式。内容包括：代码段（Text）、数据段（Initialized Data）、未初始化数据段（BSS）、堆（Heap）和栈（Stack）的精确边界和生命周期。我们将重点讨论静态存储期、自动存储期和动态存储期变量的差异，并通过内存地址打印等技术，直观展示这些区域是如何被分配和使用的。特别关注栈溢出的原理，以及为什么过大的局部变量或深度递归会导致系统崩溃。 第二部分：进程与执行环境的精细控制 操作系统最核心的功能之一是管理程序的执行。本部分将深入 C 语言提供的系统调用接口，学习如何显式控制进程的创建、通信和终止。 第四章：进程的诞生与生命周期 本章聚焦于 `fork()`、`execve()` 和 `wait()` 系列系统调用的底层实现逻辑。我们将详细解析 `fork()` 调用是如何复制父进程的地址空间（Copy-on-Write 机制的概述），以及为什么 `execve()` 会替换当前进程的整个地址空间。通过编写复杂的进程创建和同步程序，读者将掌握如何构建多阶段的程序启动流程。我们还将探讨进程的退出状态、僵尸进程（Zombie）和孤儿进程的处理机制。 第五章：进程间通信（IPC）：同步与数据交换 进程间的隔离是操作系统的基石，但协作又是必需的。本章系统介绍 POSIX IPC 机制。我们将深入探讨： 1. 管道（Pipes）与命名管道（FIFOs）：作为半双工通信的基础，分析内核如何维护管道的缓冲区及其读写阻塞行为。 2. 信号（Signals）：信号的发送、接收、默认处理和自定义信号处理器（Signal Handlers）的编写。重点在于处理信号的异步性及其对代码执行流程的潜在干扰。 3. 消息队列与共享内存：分析它们在数据传输效率上的优劣。特别是共享内存，我们将结合下一章的内存管理来理解如何安全地在不同进程间共享物理内存页。 第六章：系统调用接口与错误处理的艺术 系统调用是用户空间程序与内核交互的唯一安全途径。本章讲解如何正确地调用 POSIX API，并强调错误处理的重要性。我们将剖析 `errno` 变量、`strerror()` 函数，以及如何根据返回码判断操作是否成功。此外，我们会讨论系统调用在不同系统负载下的性能表现差异，以及如何避免常见的系统调用陷阱（如被中断的系统调用需要重新发起）。 第三部分：内存管理与虚拟地址空间 理解虚拟内存是掌握现代操作系统性能和安全性的关键。 第七章：虚拟内存与地址翻译 本章解释了虚拟地址到物理地址的转换过程，不涉及汇编层面的页表操作，而是从 C 语言应用程序的角度理解这一抽象。我们将介绍内存映射（mmap）系统调用，它是现代 I/O 和动态内存分配的基石。通过 `mmap`，读者将学会如何将文件直接映射到进程的地址空间，实现高效的文件读写，以及如何使用匿名映射进行内存共享。 第八章：动态内存分配的底层实现 我们不再依赖标准库的 `malloc`/`free`，而是深入探索它们是如何实现的。本章将构建一个简化的堆管理器。通过分析一个内存分配器（如 `dlmalloc` 的简化模型），读者将了解空闲链表、内存池和内存碎片等概念。学习如何使用 `sbrk()` 和 `mmap()` 向内核请求更大的内存块，并理解 `free()` 操作背后的数据结构维护工作。 第四部分：并发、同步与 I/O 范式 现代应用必须是并发的。本部分关注如何安全地在单进程内管理多线程执行流，并掌握高效的 I/O 模式。 第九章：线程的生命周期与 POSIX 线程（Pthreads） 本章详细介绍线程与进程的区别与联系。我们将聚焦于 Pthreads 库：线程的创建 (`pthread_create`)、线程同步原语的使用（互斥锁 `pthread_mutex`、条件变量 `pthread_cond`）。重点剖析竞态条件（Race Condition）的形成机理，并展示如何通过正确使用锁来保护共享资源，避免数据损坏。 第十章：高级同步：读写锁与内存屏障 在某些场景下，互斥锁的粒度过粗。本章介绍读写锁（`pthread_rwlock`）的应用场景，以提高读取密集型应用的性能。更进一步，我们将探讨在多核环境下，内存屏障（Memory Barriers）的重要性，解释编译器优化和硬件缓存一致性协议可能如何打乱指令顺序，并介绍如何使用原子操作（如 C11 `stdatomic.h`）来实现无锁（Lock-free）操作的基础。 第十一章：I/O 多路复用与非阻塞编程 传统的阻塞 I/O 模式难以应对高并发网络服务。本章深入讲解事件驱动编程模型。我们将详细对比 `select()`, `poll()`, 和现代的 `epoll`（Linux）/ `kqueue`（BSD/macOS）系统调用的机制、性能特点和使用方法。读者将学会如何使用这些工具高效地管理成千上万个并发连接，这是构建高性能服务器的基础。 附录：调试与性能分析工具 本附录提供了一套实用的工具集，帮助读者在系统编程中定位问题：如何使用 GDB 进行信号处理和多线程调试；如何利用 Valgrind 检查内存泄漏和越界访问；以及如何使用 `strace` 跟踪系统调用，直观地验证代码对内核接口的实际调用情况。 目标读者 本书适合具有扎实的 C 语言基础，并希望深入理解程序是如何在操作系统上运行的软件工程师、系统架构师以及计算机科学专业的学生。掌握本书内容后，读者将能自信地编写出更健壮、更安全、性能更高的底层应用和系统工具。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴，那种深邃的蓝色背景配上简洁有力的白色字体，透露出一种专业且令人信服的气质。拿到手里沉甸甸的质感，也让人对其中蕴含的知识充满期待。光是翻开扉页，就能感受到作者在排版和细节处理上的用心良苦，字体选择非常经典，阅读起来毫不费力，这对于一本涉及底层技术的书籍来说至关重要。我尤其欣赏它对概念引入的处理方式，没有一上来就抛出晦涩难懂的指令集，而是用一系列非常生活化、易于理解的比喻来搭建起对计算机工作原理的基本认知框架。比如，它将内存的寻址方式比作城市里的精确门牌号，将寄存器的功能比作临时工作台，这些类比极大地降低了初学者的心理门槛。我记得其中有一章专门讲解了堆栈（Stack）的LIFO特性，作者没有直接给出枯燥的定义，而是详细描绘了一个“叠盘子”的过程，每一步操作都配有清晰的图示，让人瞬间就能抓住核心概念。整本书的逻辑流非常顺畅，章节之间过渡自然，仿佛一位经验丰富的导师在循循善诱，引导着我们一步步深入这片看似神秘的技术领域。可以预见，即便是对汇编语言一无所知的新手，也能凭借这本书建立起坚实而扎实的理论基础，为其后续更深入的学习铺平了道路。

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这本书在理论深度上的挖掘是同类教材中少有的，它超越了仅仅教授“如何写汇编代码”的范畴，而是致力于构建一个完整的底层架构认知。它花了相当大的篇幅去讨论程序是如何被链接、加载以及执行的整个生命周期，这对于理解操作系统的启动过程和内存管理至关重要。我特别欣赏作者对于“调用约定”（Calling Conventions）的探讨，这部分内容往往是其他入门书籍会一带而过的地方，但这本书却详细对比了cdecl、stdcall乃至fastcall在参数传递和栈帧维护上的细微差别，并解释了这些差别对程序性能和兼容性的实际影响。此外，书中对异常和中断处理的章节也写得极其透彻，它不仅仅列出了中断向量表的内容，还详细解析了中断发生时CPU状态的保存与恢复过程，这对于编写设备驱动或实时系统至关重要。读完这部分内容，我对自己编写的任何高级语言程序在底层是如何与硬件交互的，有了一种前所未有的清晰感，仿佛获得了透视底层代码的“X光”能力。这本书的知识深度，足以支撑读者迈向更专业的系统编程领域。

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这本书的实战性简直令人赞叹，它绝对不是那种只停留在纸上谈兵的理论说教读物。作者似乎深谙“实践出真知”的道理，每一章的关键知识点讲解完毕后，都紧跟着一系列精心设计的代码示例和练习题。这些练习的设计梯度非常科学，从最基础的加减乘除到涉及中断处理的复杂逻辑，难度是循序渐进的。我印象最深的是关于I/O端口操作的那一部分，书上不仅展示了如何在不同的硬件架构下（比如x86和早期的8051架构的对比）实现相同的功能，还深入探讨了为什么在特定场景下选择位操作而非字节操作的性能优势。更难能可贵的是，书中对每个代码块的解析都做到了极致的细致，不仅仅是注释了每一行指令的宏观作用，连操作码（Opcode）本身在内存中的二进制表示和CPU执行时的时序逻辑都有提及。对于那些渴望真正理解“机器如何思考”的读者来说，这种深度的剖析是无价的。我尝试着自己编译并调试了书中一个关于内存拷贝的例程，发现书中的预期输出和实际运行结果完全吻合，这极大地增强了我对书中内容可信度的信心。这本书的价值，在于它能将抽象的指令转化为读者手中可运行、可调试的实体代码。

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阅读体验上，这本书给我带来了一种非常沉静而专注的感觉，仿佛置身于一个老图书馆里，周围全是严谨而可靠的知识体系。它没有过多花哨的图表或现代感过强的设计元素，而是选择了那种经典、略带学术气息的风格，这非常符合汇编语言本身的严肃性。作者的语言风格是内敛而精准的，每一个句子都像是经过反复推敲的，力求信息密度最大化，避免任何冗余的叙述。在处理那些涉及到特定处理器寄存器或特定内存区域的描述时，作者展现了惊人的耐心和严谨性，他会非常明确地指出当前讨论的上下文环境，比如“在保护模式下”或“当使用DOS中断服务时”，这避免了读者在不同操作系统或CPU模式间产生混淆。我发现自己读这本书时，常常需要放慢语速，甚至需要配合外部的十六进制转换工具来辅助理解，但这绝非是书本身晦涩难懂，而是因为它强迫你进入一种更深层次的、机器级别的思考模式。这本书成功地将一种容易被现代编程语言“隐藏”起来的底层细节，以一种尊重历史和技术本源的方式呈现了出来。

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这本书的价值在于它对“底层思维”的培养，这种思维方式一旦建立，受益终身，绝非仅仅针对汇编语言本身。作者在处理复杂数据结构操作时，常常会展示两种解决方案：一种是高级语言程序员的直观思路，另一种则是纯粹使用汇编指令进行优化后的实现。通过对比这两种实现方式，读者可以清晰地看到“抽象层级”带来的性能损耗和设计权衡。例如，在讲解循环展开（Loop Unrolling）和分支预测（Branch Prediction）对性能的影响时，书中通过实际运行时间的数据对比，有力地证明了指令层面的微小调整能带来的巨大效率提升。更重要的是，作者在全书过程中都在不断地引导读者去思考：“如果编译器不做优化，我该如何手工完成这一步？”这种不断的自问自答，极大地锻炼了读者的逻辑分解能力和对资源使用的敏感度。这本书就像一把精良的瑞士军刀，它给予你的不是一堆现成的工具，而是让你学会了如何根据不同的任务，用最少的资源，打造出最高效的解决方案。它教会的，是一种高效、精简、直击本质的编程哲学。

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