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出版者:Wiley

作者:James Wilson

出品人:

页数:240

译者:

出版时间:1991-01

价格:USD 33.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780471615828

丛书系列:

图书标签:

• UNIX
• 操作系统
• 计算机科学
• 编程
• Berkeley
• BSD
• 系统编程
• 技术
• 经典
• 教材
• Linux

操作系统原理与实践：深入解析现代计算架构 本书深入剖析了现代操作系统的核心概念、设计哲学以及底层实现机制，旨在为系统工程师、高级程序员以及计算机科学专业的学生提供一份详尽而实用的技术指南。 本书的结构围绕操作系统的三大核心职能展开：进程与线程管理、内存管理、以及并发控制与同步。我们避开了对特定商业化操作系统（如Windows NT内核或macOS XNU）的琐碎细节描述，而是聚焦于那些普适于所有类Unix和类POSIX兼容系统环境下的理论基础和工程实践。 第一部分：系统基础与进程环境 本部分奠定了理解操作系统的理论基石。我们首先从系统调用接口（System Call Interface）的架构出发，详细阐述用户空间程序如何安全、高效地与内核空间进行交互。这包括对中断（Interrupts）和异常（Exceptions）处理流程的细致描绘，以及系统调用表（System Call Table）的内部工作原理。 进程（Process）被定义为程序执行的环境，而非仅仅是代码的序列。我们详细探讨了进程的生命周期管理，从进程的创建（`fork()`和`exec`族操作的机制剖析）到最终的终止。关键在于对进程控制块（PCB, Process Control Block）内部结构的全面解析，包括寄存器快照、栈指针、以及内存映射信息。 线程（Thread）作为现代并发编程的基本单元，其复杂性远超进程。本书将用户级线程（User-level Threads）与内核级线程（Kernel-level Threads）进行了系统的对比分析，探讨了如何通过M:N调度模型在有限的内核资源下实现高并发。我们着重分析了上下文切换（Context Switching）的开销和优化策略，这是衡量并发性能的关键指标。 第二部分：CPU调度与资源分配 本部分聚焦于操作系统如何实现对有限CPU资源的公平和高效分配。我们系统地介绍了各种CPU调度算法，并从理论上分析了它们的性能指标，如吞吐量、等待时间、周转时间以及响应时间。 批处理调度： 介绍先来先服务（FCFS）的局限性。 分时系统： 深入探讨了时间片长度对交互式系统的影响，以及轮转法（Round-Robin）的实现细节。 实时系统调度： 对最早截止时间优先（EDF）和固定优先级抢占式调度（Rate Monotonic Scheduling, RMS）进行了严格的数学分析，解释了其在嵌入式和控制系统中的应用。 此外，本书还详细阐述了多级反馈队列调度器（Multilevel Feedback Queue, MLFQ）的设计思想，这是许多现代非实时操作系统中用于平衡交互性和批处理任务的混合策略。我们不仅描述了算法流程，还讨论了如何通过动态调整优先级来防止“饥饿”现象的发生。 第三部分：内存管理的高级技术 内存管理是操作系统最复杂且对性能影响最大的领域之一。本书首先确立了虚拟内存（Virtual Memory）的基本概念，强调其作为抽象层在隔离进程和有效利用物理内存方面所起的作用。 分页机制（Paging）是现代系统的核心。我们细致地解析了页表（Page Table）的层次结构（如二级或三级页表），以及快表（TLB, Translation Lookaside Buffer）在加速地址转换过程中的关键作用。TLB的命中率和失效处理机制被视为性能优化的核心点。 面对物理内存的有限性，页面置换算法（Page Replacement Algorithms）成为必须掌握的技术。我们不仅回顾了经典的FIFO、LRU（Least Recently Used），还深入分析了二次机会算法（Second-Chance）和工作集模型（Working Set Model），这些模型是实现更优置换策略的基础。我们探讨了抖动（Thrashing）现象的产生原因和检测方法，并提供了防止系统进入抖动状态的系统级策略。 内存分配方面，本书区分了内部碎片（Internal Fragmentation）和外部碎片（External Fragmentation），并对比了固定分区、可变分区以及伙伴系统（Buddy System）在解决碎片化问题上的优劣。 第四部分：并发、同步与死锁 并发程序的正确性依赖于对共享资源的精确控制。本部分是关于并发控制的详尽论述。 我们从竞态条件（Race Conditions）和临界区（Critical Section）的基本问题入手，系统地介绍了实现同步的各种工具： 1. 硬件支持机制： 深入探讨了测试并设置（TestAndSet）指令和互斥体（Mutex）的底层实现，强调原子操作的重要性。 2. 传统软件同步原语： 详细分析了信号量（Semaphores）（包括计数信号量和二进制信号量）的使用方法和潜在陷阱。 3. 高级同步结构： 对管程（Monitors）的概念进行了结构化介绍，展示了它如何通过将数据和操作封装，提供更高级别的程序化同步保证。 死锁（Deadlock）问题是并发编程的固有挑战。本书全面涵盖了死锁的四个必要条件（互斥、持有并等待、不可抢占、循环等待）。我们详细对比了死锁预防（如强制有序资源请求）、死锁避免（如银行家算法的严格资源需求分析）以及死锁检测与恢复策略的适用场景和计算复杂度。 第五部分：I/O管理与文件系统结构 文件系统是用户与持久化存储交互的桥梁。本书从存储设备的物理特性出发，构建起逻辑文件系统的抽象模型。 文件系统结构部分涵盖了目录管理（线性列表、哈希链表、树形结构）、文件分配方法（连续分配、链式分配、索引节点i-node的机制）。我们着重剖析了磁盘调度算法，如先来先服务（FCFS）、最短寻道时间优先（SSTF）以及SCAN（电梯算法），分析它们如何最大化磁盘吞吐量并减少平均寻道时间。 数据一致性与可靠性是文件系统的重中之重。我们探讨了日志（Journaling）技术，解释了它如何通过记录操作的意图和状态来确保在系统崩溃后能够快速恢复到一致性状态。此外，对缓冲管理（Buffer Cache）的分析揭示了操作系统如何平衡对慢速I/O设备的访问延迟与内存缓存的效率。 本书的深度和广度，旨在提供一套坚实的、独立于任何特定商业实现的操作系统核心知识体系，使读者能够理解驱动现代计算环境的深层原理。

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坦白说，这本书的价值更偏向于历史研究者或对操作系统发展史有浓厚兴趣的极客，而不是需要快速掌握现代系统编程技能的从业者。阅读它，我最大的收获是理解了为什么某些设计决策被采纳——比如，为什么早期的shell需要那么多的复杂重定向和管道操作。这是因为这本书生动地展示了，在图形界面和高级编程语言尚未普及的年代，命令行接口是如何被塑造成“万能工具箱”的。然而，它在阐述这些历史背景时，常常会陷入冗长的叙事，使得核心的技术洞察被稀释了。例如，对磁盘I/O请求队列的管理，它用了一整章的篇幅来描述一个特定的调度算法的性能曲线，引用了大量未经现代软件工程规范处理的实验数据，图表清晰度令人堪忧。对我而言，这本书更像是一份博物馆的展品说明书，它告诉你展品（Berkeley UNIX）的来历、用途以及它在历史中的地位，但你很难从展品本身拿起工具，去进行实际的建造工作。它的深度是历史的深度，而不是技术实现的深度。

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我尝试将这本书作为学习UNIX系统调用的参考手册，但很快就放弃了这个想法。它似乎对标准库函数的使用介绍得非常保守和谨慎，更多地强调了在特定硬件和OS版本下，直接操作寄存器或特定内存地址的“黑客”技巧，而非符合ANSI标准的、可移植的代码编写规范。我记得有一个部分专门讨论了如何绕过标准I/O库，直接使用底层系统调用来实现更快的日志写入，这在当时也许是解决性能瓶颈的妙招，但放在现在，这种做法几乎是反模式的。这本书没有提供一个关于“如何写出可维护、可扩展的代码”的视角，它完全聚焦于“如何让它在那一刻跑起来”。这种技术导向的偏差，使得我对书中一些关于架构决策的论述持保留态度。当它谈及“优雅的设计”时，我看到的往往是基于当时资源限制而做出的妥协，而非是超越时代的抽象和设计哲学。总而言之，它在技术实践上更倾向于“一次性解决方案”的记录，而非“通用设计原则”的阐述。

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翻阅此书的过程，体验感有点像在阅读一本年代久远的杂志合订本，而非一本结构严谨的教科书。它的章节组织结构并不线性，更像是对不同时期、不同技术热点的随机汇编。例如，前一章可能还在深入讨论C语言在那个特定编译器版本中的一个晦涩的语法特性对性能的影响，后一章却突然跳跃到如何使用`vi`进行高效文本编辑，并且配有大量截图（当然，那些截图的分辨率和现在的标准相比，简直是惨不忍睹）。更让人摸不着头脑的是，它对一些关键概念的解释常常是点到为止，仿佛读者已经拥有了某些预备知识。比如，当我试图理解它对“信号处理”的描述时，它只是简要提及了信号的产生和捕获，但对于信号如何在不同进程间传递的底层机制，以及中断向量表的具体操作，描述得非常模糊。这让我不得不频繁地去查阅其他更侧重理论的参考资料来填补空白。这本书更像是某个资深工程师的个人笔记集合，充满了“哦，对了，当时我们还做了这个”的心得体会，缺乏一个贯穿始终的、逻辑严密的理论框架来支撑起“Berkeley UNIX”这个宏大的主题。

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这本书，说实话，我当初买的时候是冲着名字去的——“Berkeley UNIX”。我希望它能带我深入那个传说中的、充满创新精神的伯克利系统内核的诞生地。然而，当我翻开它的时候，我立刻意识到这可能不是我预想的那种详尽的、手把手的内核剖析指南。首先映入眼帘的是大量关于早期系统管理和用户环境配置的论述。比如，它花了好大的篇幅来解释如何搭建一个符合当时标准的邮件系统，或者如何优化终端输入/输出的缓冲区设置。对于一个追求理解`fork()`和`execve()`底层机制的读者来说，这些内容显得过于宏观，缺乏足够的深度。我记得有一章专门讲文件系统的权限管理，它详细描述了ACL（访问控制列表）在那个时代是如何被概念化和初步实现的，这很有历史价值，但对于现代Linux用户来说，读起来就像是在考古。我期望的，是关于调度算法的细节，或者是内存分页机制的实现细节，但这本书更像是一部那个时代操作系统的“社会学观察报告”，而非纯粹的技术手册。它描绘了在那个计算资源极其宝贵的年代，工程师们是如何在有限的硬件上榨取出最大效率的智慧，这一点毋庸置疑是引人入胜的，但对于实战派的开发者而言，它提供的直接可操作性，相对有限。

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从排版和语言风格来看，这本书明显是那个特定年代的产物，这本身无可厚非，但阅读体验上确实构成了一些障碍。它的图表，特别是关于网络协议栈的流程图，简直是噩梦——线条交错复杂，关键节点标注不清，很多箭头指向不明，让人看了之后只会增加更多疑问而非解答。而且，书中的术语使用有时显得非常随意。同一个概念，在不同的上下文中，可能被赋予了细微但重要的差异化含义，但作者似乎没有意识到需要进行明确的区分和标准化。举个例子，关于“作业控制”的描述，它混合了批处理（Batch Processing）和分时（Time-Sharing）的概念，使得对于初学者来说，很难界定什么时候系统在做A操作，什么时候又在做B操作。这本书似乎在预设读者已经深度沉浸于那个计算环境之中，对环境的细微差别习以为常。因此，如果指望通过它来系统学习一个现代操作系统设计的基础，我认为它提供的上下文信息远多于直接可用的技术实现细节。它更像是一份对特定历史时期的技术环境的侧面记录。

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