具体描述
好的，以下是一本关于 《汇编语言程序设计实验教程》 之外的、内容详实的图书简介，旨在介绍其他计算机科学或编程领域的书籍。 --- 图书简介：深入解析现代操作系统原理与实践 书名：《现代操作系统：原理、结构与内核实现》 ISBN 暂定：978-7-111-XXXX-X 定价：XX 元 字数：约 90 万字 聚焦核心：从理论到实践的操作系统全景解析 本书旨在为读者提供一个全面、深入且紧密结合工程实践的现代操作系统知识体系。在当前多核、分布式、虚拟化和移动计算日益成为主流的时代，对操作系统内核的理解不再是可选项，而是所有高级软件工程师和系统架构师的必备技能。本书突破了传统教科书的理论窠臼，将经典操作系统的核心机制（如进程管理、内存管理、文件系统和并发控制）与当前主流操作系统（Linux、BSD 衍生内核，并适当提及 Windows NT 架构）的实际源码实现紧密结合，提供了一条从抽象概念到具体代码的完整学习路径。 目标读者 本书的目标读者群体涵盖了大学计算机科学专业的高年级本科生、研究生，以及有志于从事底层开发、嵌入式系统、高性能计算、云计算基础设施构建和系统安全研究的专业工程师。对于有一定 C 语言基础，但希望深入理解计算机底层如何运作的开发人员而言，本书将是极佳的实践参考手册。 内容深度剖析 本书共分为五大部分，内容层层递进，逻辑严密： 第一部分：操作系统基础与架构概览 (The Foundations) 本部分首先回顾了计算机体系结构中与操作系统密切相关的部分，包括 CPU 模式切换（用户态/内核态）、中断与异常处理机制，以及现代 CPU 提供的内存管理单元（MMU）和缓存层次结构。 引导过程与启动： 详细阐述了从 BIOS/UEFI 到内核初始化（Bootstrapping）的完整流程，包括早期汇编代码的执行、页表的建立和第一个用户进程的创建。 内核结构设计： 对单体内核（Monolithic）、微内核（Microkernel）和混合内核（Hybrid Kernel）的设计哲学进行了深入的对比分析，并重点剖析了 Linux 内核模块化机制（如加载、卸载和符号导出）。 系统调用接口 (Syscall Interface)： 深入探讨了用户空间如何通过系统调用安全地请求内核服务，包括参数传递约定、系统调用表查找以及上下文切换的成本分析。 第二部分：进程与线程管理 (Process and Thread Management) 进程管理是操作系统的核心功能。本部分不仅解释了进程的生命周期，更关注现代系统如何高效地调度和保护它们。 任务描述符与上下文： 详尽解析了 Linux `task_struct` 结构体（或其他类 Unix 内核的对应结构）的各个字段，特别是寄存器状态的保存与恢复机制。 调度算法的演进： 深入讲解了分时系统下的抢占式调度原理，重点剖析了 完全公平调度器 (CFS) 的红黑树实现机制、调度延迟的控制，以及实时进程调度策略（如 FIFO 和轮询）。 进程间通信 (IPC)： 除了传统的信号量、消息队列，本书着重分析了共享内存、管道（Pipe/FIFO）以及更现代的 System V IPC 和 POSIX 消息队列 的内核实现细节和性能考量。 第三部分：内存管理与虚拟化 (Memory Management and Virtualization) 内存管理是性能优化的关键瓶颈所在。本书以 MMU 硬件为基础，详细描绘了虚拟地址到物理地址的转换过程。 页表结构与TLB： 详述了多级页表（如 Linux 的四级页表）的组织方式，以及 快表 (TLB) 的缓存机制、命中与失效的处理流程，并讨论了如何通过 TLB 优化减少缺页中断。 内存分配策略： 深入研究了内核中的伙伴系统 (Buddy System) 的内存回收与分配算法，并详细解释了 slab/slub 分配器 如何高效地管理小对象内存池，以避免内部碎片。 内存虚拟化与共享： 探讨了 写时复制 (Copy-on-Write, CoW) 技术的实现，以及 内存映射 (mmap) 机制在文件 I/O 和进程间数据共享中的作用。虚拟化层面的内存隔离技术（如 EPT/NPT）也会被引入讨论。 第四部分：并发控制与同步机制 (Concurrency and Synchronization) 在多核处理器日益普及的今天，正确处理并发访问是构建稳定系统的基石。 同步原语的底层实现： 不仅介绍互斥锁（Mutex）和信号量（Semaphore）的使用，更深入分析了它们在内核中如何基于 原子操作 和 自旋锁 (Spinlock) 实现，以及何时使用哪种同步机制以避免死锁和活锁。 内存屏障与一致性模型： 这是本书的难点与重点之一。详细解释了处理器架构（如 x86-64 和 ARM）的内存模型，以及编译器和内核编程中必须使用的 内存屏障 (Memory Barrier) 指令（如 `mfence`, `lock` 前缀）来保证指令执行的顺序性。 无锁数据结构： 介绍现代高并发编程中采用的无锁队列、无锁堆栈等技术，并解释 CAS (Compare-and-Swap) 操作在构建高效并发算法中的核心地位。 第五部分：文件系统与 I/O 栈 (File Systems and I/O Stack) 本书将文件系统视为一种特殊的、持久化的内存管理形式，重点剖析了其结构和性能优化。 虚拟文件系统 (VFS)： 详细阐述 VFS 层如何提供统一的接口来抽象底层不同的文件系统（如 Ext4, XFS, Btrfs），包括 inode、dentry 和 file 结构体的管理。 日志与数据完整性： 分析 日志 (Journaling) 机制的工作原理，如何确保文件系统在意外断电后能够快速恢复一致性状态。 块设备与 I/O 调度： 深入探讨了用户空间 I/O 请求如何穿过内核的 I/O 栈，直至到达块设备驱动层。重点讲解了传统的 Elevator 调度器 及其演进，以及现代 I/O 框架（如 io_uring）带来的革新。 核心特色 1. 源码导向（Code-Driven）： 全书超过三分之一的篇幅用于分析和解读 Linux 内核的实际代码片段，而非仅停留在伪代码层面。 2. 跨平台视野： 虽然以 Linux 为主要分析案例，但会穿插讨论 BSD 和早期 Mach 内核的设计思想，拓宽读者的系统设计视野。 3. 实践项目集成： 随书附带一系列难度递增的实验项目，要求读者自行编写简单的内核模块、实现自定义的系统调用接口，并观察调度器在不同负载下的行为。 《现代操作系统：原理、结构与内核实现》 不仅仅是一本理论教材，它是一份通往系统级编程核心的路线图，旨在培养能够真正理解、修改和优化现代计算基础设施的下一代工程师。
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