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出版者:Oreilly & Associates Inc

作者:Borate, Milind/ Dabak, Prasad/ Phadke, Sandeep

出品人:

页数:350

译者:

出版时间:1997-10

价格:$ 37.23

装帧:Pap

isbn号码:9781565922884

丛书系列:

图书标签:

• 【技术】底层探索
• windows
• Windows NT
• 操作系统
• 底层原理
• 系统编程
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• 内核
• 技术文档

《深入探索：现代操作系统内核架构与实现》 本书简介 在当今的计算环境中，操作系统是连接硬件与应用程序的基石。本书《深入探索：现代操作系统内核架构与实现》并非聚焦于特定历史版本或已退役系统的细节，而是致力于为系统级程序员、高级操作系统爱好者以及致力于设计下一代计算平台的架构师，提供一套全面、前沿且高度实用的现代操作系统内核的深度解析。我们聚焦于当前主流的、正在积极迭代和维护的操作系统内核，如 Linux 内核的最新稳定版本系列、BSD 系列的现代分支，以及在云原生和嵌入式领域占据重要地位的微内核与混合内核设计范例。 本书的结构设计旨在构建一个从宏观架构到微观实现细节的完整认知框架。我们摒弃了对过时或不活跃技术的冗余描述，而是将笔墨集中于那些决定现代系统性能、安全性和可扩展性的核心机制。 第一部分：内核基础与现代设计哲学 本部分奠定了现代操作系统设计所遵循的指导原则。我们将深入探讨为何现代内核倾向于模块化、可加载驱动模型，以及如何平衡性能与隔离性之间的矛盾。 1. 现代内核的演进与范式转变： 我们将分析从单体式内核到混合式、再到面向服务的微内核架构的发展脉络。重点讨论了面向“云原生”和“容器化”的特定需求如何重塑了内核的设计优先级，例如对轻量级虚拟化（如 KVM、Hyper-V 的底层机制）的支持，以及对非对称多处理（AMP）和大规模多核（NUMA）系统的优化策略。 2. 内存管理单元（MMU）与虚拟内存的精密控制： 内存管理是内核的生命线。本书将详尽解析现代 MMU（如 x86-64 和 ARMv8 架构）的工作原理，包括 TLB 的管理、页表结构的层次化布局（如四级或五级页表），以及性能调优的关键点——如 Huge Pages 的使用与管理。我们还将详细剖析现代内核如何实现内存保护、内存回收策略（如 LRU 变种、惰性写回）以及跨进程的共享内存机制（如共享映射与匿名映射的差异）。 3. 进程与线程的调度艺术： 抛开基础的先入先出理论，本书将深入研究现代调度器的复杂性。我们将以 Linux CFS（完全公平调度器）为核心案例，解析其工作在多核环境下的核心算法：红黑树的构建与维护、虚拟运行时（vruntime）的计算、负载均衡机制（如 EEVDF 调度器概念的引入与对比）。此外，对实时（RT）调度策略、电源管理对调度的影响，以及异构处理器（如 CPU+GPU 协同调度）的初步探索也将被涵盖。 第二部分：并发控制与同步原语的底层实现 在多核处理器成为标配的今天，并发控制的效率直接决定了操作系统的整体吞吐量。本部分深入到硬件辅助同步机制的层面。 4. 原子操作与内存模型： 我们将解释 C++ 内存模型和 C11/C17 内存模型如何映射到硬件指令集上。重点解析 Load-Link/Store-Conditional (LL/SC) 序列与 Compare-and-Swap (CAS) 的底层实现与性能权衡。本书将详述内核如何利用硬件原语构建高效的无锁（Lock-Free）和无等待（Wait-Free）数据结构。 5. 锁机制的演进与精细化控制： 传统自旋锁（Spinlocks）的适用场景被严格限定。我们将剖析现代内核中更复杂的锁机制：如互斥锁（Mutexes）的上下文切换开销、读写信号量（RW Semaphores）在不同读写比例下的性能表现。特别关注 RCU（Read-Copy-Update）机制的原理、应用范围及其在处理高并发只读数据结构时的革命性作用。 6. 中断、异常与陷阱处理： 深入分析 CPU 模式切换（Ring 3 到 Ring 0）的汇编级过程。我们会详细探讨中断描述符表（IDT）的配置、中断延迟的测量与优化，以及如何设计高效、非阻塞的软中断（Softirqs）和工作队列（Workqueues）来承担大部分的内核工作，从而最小化硬中断的处理时间。 第三部分：系统服务与高性能 I/O 栈 现代应用对数据的读写速度有着近乎苛刻的要求。本部分专注于内核如何有效地管理 I/O 子系统。 7. 块设备与文件系统： 我们将解析现代块层架构（如 Linux 的通用块层框架），重点关注 I/O 调度器的发展历程，从 CFQ 到 Deadline，再到 BFQ 和 MQ-Deadline（多队列调度器）如何适应高速 SSD 存储的随机读写特性。在文件系统方面，我们将对比 Journaling 文件系统（如 ext4）与 Copy-on-Write（CoW）文件系统（如 Btrfs, ZFS 的核心机制），分析它们在数据完整性、快照管理和数据去重方面的差异。 8. 网络协议栈的深度优化： 从硬件中断到应用层数据交付，网络栈的开销是系统性能的瓶颈之一。本书详述了现代网络栈的设计，包括零拷贝技术（如 sendfile、splice）、高性能网络接口（如 DPDK/XDP）的原理，以及内核如何有效地管理 TCP/IP 协议族的状态机、拥塞控制算法（如 BBR）的集成与调优。 9. 内核与用户空间的交互机制： 系统调用的性能是衡量内核效率的关键指标。我们将对比传统的系统调用（syscalls）机制与更现代、低延迟的 IPC 方式，如 vsock、使用共享内存的 IPC 方案。详细分析系统调用在用户态库（如 glibc）中的封装与系统调用表（Syscall Table）的查找过程，并讨论如何通过如 io_uring 这样的异步 I/O 框架来彻底改变应用程序与内核的交互模式，实现高性能、低延迟的数据传输。 第四部分：安全、可观测性与未来趋势 本书的最后部分聚焦于确保系统稳定运行的机制，以及面向未来的架构挑战。 10. 内核安全机制： 深入探讨现代内核如何对抗内存破坏攻击。涵盖地址空间布局随机化（ASLR）的实现细节、数据执行保护（DEP/NX Bit）、内核级的内存隔离技术（如 KASLR），以及 SELinux 或 AppArmor 等强制访问控制（MAC）框架在内核中的集成点。 11. 内核可观测性与调试工具： 调试内核需要专门的工具链。本书介绍如何利用 eBPF（扩展的伯克利数据包过滤器）这一强大的动态跟踪技术，在不修改内核源码和不重启系统的情况下，进行细致的性能分析和故障排查。我们将展示如何使用 eBPF 探针（Probes）来监控锁竞争、调度延迟和系统调用分布。 12. 虚拟化与容器化： 虽然本书不是专门的虚拟化书籍，但我们会分析现代内核如何作为 Hypervisor 的底层支撑（如 KVM 的架构），以及容器（如 cgroups, namespaces）如何利用内核提供的隔离机制，在不引入全虚拟化开销的情况下，实现资源的高效共享和隔离。 本书的每一章节都力求提供清晰的代码级（伪代码或真实代码片段）解释，辅以详尽的架构图示，旨在帮助读者建立一个坚实、现代且面向未来的操作系统内核知识体系。

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拿到《Undocumented Windows NT》这本书，我脑海中闪过的第一个念头就是：终于有一本书愿意去触碰那些“禁区”了！我们都知道，在任何一个复杂的软件系统中，官方文档都是一个“保护层”，它向用户呈现的是一个精心构建的、功能完整的接口，但很少会深入到那些实现细节。而对于真正的技术爱好者和研究者来说，那些“幕后故事”才更具吸引力。Windows NT，作为一款在操作系统领域留下深刻印记的产品，其设计之初的理念和后来的演进，一定积累了无数值得挖掘的细节。我期待这本书能够带我深入了解NT内核的架构，理解其设计哲学，以及那些在设计过程中可能出现的权衡和取舍。我特别希望书中能够包含对一些关键内核对象的详细分析，比如进程、线程、模块、段等，以及它们之间的相互关系和生命周期管理。了解这些，就像是拥有了一张操作系统的“内部地图”，能够帮助我们更清晰地理解程序的运行机制，更有效地进行系统调试和性能优化。

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我购入《Undocumented Windows NT》的动机，源于我对操作系统底层实现原理的持续探索。我深信，要成为一名优秀的技术人员，仅仅停留在API层面是远远不够的。理解操作系统如何分配资源、如何管理内存、如何调度进程，是解决复杂问题和进行高效系统优化的关键。而“Undocumented”这个词，正是吸引我的焦点。它暗示着这本书将揭示那些官方文档之外的、更深层次的实现细节。我期待这本书能够提供对Windows NT内核关键组件的深入分析，例如其内存管理器、调度器、对象管理器等。我希望能够了解这些组件是如何协同工作的，它们是如何影响系统性能和安全性的。更重要的是，我希望能通过这本书，掌握一些“非官方”的技巧和洞察，这些技巧和洞察能够帮助我在实际工作中，更有效地排查问题、优化性能，甚至创造出更具竞争力的软件。

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这本书的书名，坦白说，在我拿到它之前，就足以激起我内心深处的那份技术狂热。我一直坚信，任何一个成熟的操作系统，其核心的魅力往往不在于那些光鲜亮丽的UI和用户手册上的说明，而在于那些支撑起这一切的、默默无闻的底层实现。Windows NT，作为一代经典，其架构的精妙和设计的深度，即便在今天看来，依然值得我们反复钻研。而《Undocumented Windows NT》这本书，正是将目光投向了那些“官方禁区”，去挖掘那些被有意无意遗漏的细节。这就像是在玩一场寻宝游戏，只不过寻宝图上标记的不是金银财宝，而是宝贵的系统知识。我猜想，书中一定蕴含着许多关于NT内核的“黑魔法”，那些能够让你在别人束手无策的时候，找到问题的根源，并提出创新性解决方案的秘诀。我期待着书中能有对关键数据结构、API调用链、以及内核对象生命周期管理的深入剖析。更重要的是，我希望作者能够分享他们是如何进行这种“反向工程”式的探索，以及在这个过程中遇到的挑战和启发。毕竟，学习如何学习，比仅仅学习知识本身，更加重要。

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我之所以选择了《Undocumented Windows NT》，完全是因为我对操作系统底层原理的执着追求。在我的技术学习过程中，我深切体会到，掌握官方文档之外的知识，是突破技术瓶颈、实现质的飞跃的关键。Windows NT，作为一代操作系统巨头，其内部机制的复杂性和精妙性，绝对值得深入挖掘。《Undocumented Windows NT》这本书，正好满足了我对这种“深度挖掘”的渴望。我期待它能为我揭示Windows NT内核中那些不为人知的奥秘，例如它对硬件资源的管理方式，它如何实现进程间的通信和同步，以及它在安全性方面的一些隐藏设计。我相信，通过阅读这本书，我能够对Windows NT的理解提升到一个全新的高度，能够更准确地预判系统行为，更有效地解决棘手的技术难题，并且能够在我未来的开发工作中，设计出更加健壮和高效的应用程序。

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这本书，我抱着极大的好奇心入手，因为“Undocumented”这个词本身就充满了神秘感和探索的诱惑。要知道，在Windows NT这个如此庞大且复杂的操作系统背后，隐藏着多少不为人知的秘密？那些官方文档里只字未提，但却深刻影响着系统运行、性能表现甚至安全性的底层机制，才是真正的精华所在。我一直觉得，要真正理解一个系统，就必须深入到它的“骨骼”和“血液”之中，而《Undocumented Windows NT》恰恰就是一把解锁这些秘密的钥匙。翻开它，我期待的不仅仅是技术细节的罗列，更是一种思维方式的启迪。我希望这本书能够带我领略作者团队在探索过程中付出的心血，他们是如何一点点剥开层层迷雾，最终揭示出那些深藏的奥秘。想象一下，当我们深入到NT内核的调度器、内存管理器、甚至是对象管理器，理解它们是如何在幕后辛勤工作的，这本身就是一种令人振奋的体验。而且，了解这些“不为人知”的部分，对于我们进行更高级的系统调优、疑难故障排查，甚至开发出更强大的应用程序，都将具有不可估量的价值。我迫不及待地想要开始这段旅程，去探寻Windows NT那些不曾公开的美丽与复杂。

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我选择这本书，很大程度上是因为我对低层系统编程的浓厚兴趣。在我的职业生涯中，我曾多次遇到一些奇怪的系统行为，而标准的文档和社区论坛却往往无法给出令人满意的解释。那种感觉就像是在一片浓雾中摸索，你知道那里一定有答案，但就是无法触及。我希望《Undocumented Windows NT》能够提供一种全新的视角，让我能够真正理解Windows NT是如何在底层工作的。不仅仅是了解API的作用，而是理解API背后的实现机制，理解内核对象是如何被创建、管理和销毁的，理解线程和进程是如何在调度器中被分配CPU时间的。我想知道，那些被认为是“内部使用”的函数和结构体，它们究竟有着怎样的作用？它们是如何影响系统的整体性能和稳定性的？这本书，对我来说，更像是一本“修炼秘籍”，它承诺将我从一个普通的用户或开发者，提升到一个能够洞察系统本质的“高级玩家”。我非常期待能够通过阅读这本书，掌握一些真正能够让我脱颖而出的技术能力，能够在面对复杂问题时，从容不迫，找到最根本的解决方案。

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这本书的书名，让我联想到了那些“黑客”式的探索，虽然我并非如此，但对技术深处的好奇心却是共通的。《Undocumented Windows NT》所承诺的，正是这种挖掘“隐藏机制”的体验。我一直觉得，理解一个软件系统，就像是去理解一个复杂的机器，你需要知道它的每一个齿轮是如何咬合的，每一条管线是如何连接的。而官方文档，往往只告诉了你这台机器有什么功能，却很少告诉你它的内部构造。我希望这本书能够带我深入NT内核的“engine room”，去了解那些驱动整个系统运行的核心组件。我期待书中能够有关于NT内核数据结构、函数调用关系、以及各种系统服务实现细节的介绍。对我而言，这种深入的了解，不仅仅是知识的获取，更是一种思维方式的锻炼，它能够培养我解决问题的能力，以及对技术原理的深刻洞察。

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我对《Undocumented Windows NT》的期待，更多地是基于它所蕴含的“深度探索”的价值。在这个信息唾手可得的时代，我们很容易被表面的知识所满足，但真正的精髓往往隐藏在那些需要付出努力去挖掘的细节之中。Windows NT，作为操作系统界的经典，其设计的精妙之处，一定隐藏在许多不为人知的角落。《Undocumented Windows NT》这本书，正是一把能够揭开这些角落面纱的钥匙。我希望它能够深入剖析NT内核的运作机制，解释那些官方文档中含糊不清或者根本没有提及的部分。例如，我非常好奇NT内核是如何处理中断的，它的线程调度策略具体是怎样的，以及各种内核对象是如何在内存中表示和管理的。了解这些，不仅能满足我的技术好奇心，更能极大地提升我对系统行为的理解能力，从而在解决实际问题时，能够做到有的放矢，事半功倍。

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“Undocumented”这个词，对我而言，是一种极具吸引力的标签。它暗示着一种深度、一种探索、一种打破常规的勇气。在信息爆炸的时代，我们很容易被表面的信息所淹没，但真正的智慧和力量，往往隐藏在那些不为人知的角落。《Undocumented Windows NT》正是一本将我们引向那些角落的书。我期待它能够深入剖析Windows NT操作系统的核心组件，揭示那些官方文档中从未提及的细节。这可能包括对内存管理机制的底层解释，对进程和线程调度的内部逻辑的探讨，甚至是对各种系统服务的调用原理的深挖。我希望通过阅读这本书，能够建立起一种更宏观、更深入的系统理解。我想要知道，当我在编写代码时，我的程序是如何与操作系统底层进行交互的？我的每一个API调用，背后究竟发生了什么？这种理解，对于提升我的编程能力，优化我的代码性能，以及更好地理解和利用操作系统资源，都将具有极其重要的意义。这本书，在我看来，是一次对Windows NT“心脏”的探险。

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我一直认为，要真正掌握一门技术，就必须深入到它的底层去理解。对于Windows NT这样一个庞大而复杂的操作系统而言，官方文档虽然详尽，但往往只能提供“是什么”的答案，而很少触及“为什么”和“如何实现”的深层原因。《Undocumented Windows NT》这本书，正是致力于填补这一空白。我期待它能够带领我进入Windows NT的“内部世界”，去探寻那些不为人所知的实现细节。这可能包括对内存管理单元的深入剖析，对内核调度算法的细致讲解，甚至是关于各种同步机制和中断处理方式的详尽阐述。我希望通过这本书，能够理解那些影响系统性能和稳定性的关键因素，能够洞察程序在操作系统层面是如何被执行的。对于一个对系统底层技术充满好奇心的人来说，这本书就像是一扇通往未知领域的大门，我迫不及待地想要推开它，去一探究竟。

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