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出版者:Peachpit Press Publications

作者:Magid, Lawrence J.

出品人:

页数:376

译者:

出版时间:2003-2

价格:$ 22.59

装帧:Pap

isbn号码:9780321193094

丛书系列:

图书标签:

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《深入解析现代操作系统：从内核到应用》 一部面向未来开发者的深度技术指南 在这个信息技术飞速迭代的时代，操作系统（OS）作为连接硬件与软件世界的桥梁，其复杂性和重要性日益凸显。本书《深入解析现代操作系统：从内核到应用》，并非对基础概念的简单重复介绍，而是旨在为经验丰富的程序员、系统架构师以及对操作系统底层机制抱有极高热忱的学习者，提供一次全面、深入且极具实践指导意义的探索之旅。 我们明确地将本书定位为一本高度聚焦于前沿技术和底层实现细节的深度技术参考书，完全避开了对诸如“个人电脑基础使用”或“初级软件安装”这类入门级主题的任何讨论。本书的每一章节都致力于剖析现代操作系统（特别是类Unix系统和Windows NT架构的演进方向）在处理高并发、高安全性、资源虚拟化和能效优化方面的核心挑战与创新解决方案。 --- 第一部分：下一代内核架构与性能调优 第一章：微内核、宏内核与混合架构的现代权衡 本章将系统地梳理当前主流操作系统内核设计的哲学差异。我们不满足于对Monolithic和Microkernel的定义性描述，而是深入分析L4、Fuchsia Zircon以及Linux内核的混合设计路线图。重点探讨如何通过用户态服务（Userspace Services）的引入来增强系统的模块化和安全性，并详细剖析系统调用（Syscall）的开销、上下文切换的复杂性，以及如何利用硬件虚拟化（如Intel VT-x/AMD-V）来优化Hypervisor与Guest OS之间的交互效率。 第二章：内存管理单元（MMU）的深度探索与地址翻译机制 内存，是操作系统的核心资源。本章超越了基础的分页（Paging）概念，聚焦于现代CPU架构（如ARMv8和x86-64）中TLB（Translation Lookaside Buffer）的组织结构、缓存一致性协议（如MESI/MOESI）对虚拟内存性能的实际影响。我们将详细解析大页（Huge Pages）的使用场景、内存保护键（Protection Keys）如何提升用户空间隔离性，并提供了一套实用的工具集，用于实时监测和诊断TLB Miss率及其对应用延迟的影响。 第三章：并发控制、锁的演变与无锁数据结构 在多核乃至众核时代，传统锁机制（如Mutex、Semaphore）的性能瓶颈暴露无遗。本章是本书的亮点之一，它全面审视了现代并发编程范式。内容涵盖： 硬件原子操作： 深入研究Compare-and-Swap (CAS)指令的实现细节及其在无锁队列、栈和哈希表设计中的应用。 内存屏障（Memory Barriers）： 详细解析x86和ARM架构下的内存排序模型，并指导读者如何在C++20 `std::atomic` 或特定编译器内建函数中正确地构造顺序一致性（Sequential Consistency）模型。 读写锁（RWLock）的优化： 分析不同内核版本中，如Linux的RCU（Read-Copy-Update）机制是如何在不牺牲太多写性能的前提下，实现近乎零开销的读取操作。 --- 第二部分：I/O、网络栈与存储系统 第四章：异步I/O模型与高性能网络堆栈 现代高性能服务器对I/O延迟的要求近乎苛刻。本章深入探讨了从传统阻塞I/O到事件驱动模型的演进。重点剖析： Linux的io_uring框架： 详细介绍其如何通过将I/O操作的控制平面和数据平面分离，显著减少了内核态/用户态的循环往复，并提供源码级别的示例展示其优越性。 eBPF在网络栈中的应用： 探讨如何利用eBPF程序在内核早期阶段（如数据包进入网卡驱动后）进行快速过滤、负载均衡或流量塑形，绕过或优化标准TCP/IP协议栈的处理路径。 RDMA与用户态网络： 简要介绍DPDK和SPDK等框架，以及RDMA（Remote Direct Memory Access）如何彻底消除CPU对网络数据传输的干预。 第五章：文件系统设计原理与持久化技术 本书不只是介绍 ext4 或 XFS 的基本挂载，而是探讨它们的结构性设计哲学和在新硬件上的适应性。 日志与写屏障（Write Barriers）： 深入分析延迟写入（Write-Back）模式下的数据一致性保证机制，以及SSD固态硬盘的特性对传统日志结构文件系统带来的挑战。 CoW（Copy-on-Write）文件系统： 详细解构ZFS和Btrfs在数据完整性、快照（Snapshot）和数据去重（Deduplication）方面的内部工作原理，并讨论其元数据管理策略。 事务性存储与闪存优化： 探讨如何设计新的存储抽象层，以适应NAND闪存的磨损均衡（Wear Leveling）和垃圾回收（Garbage Collection）机制。 --- 第三部分：安全、虚拟化与系统监控 第六章：操作系统安全模型与沙箱技术 安全性是现代OS不可妥协的基石。本章着重于强制访问控制（MAC）和进程隔离技术的前沿应用： SELinux/AppArmor与BPF Hooks： 探讨基于策略的访问控制如何细粒度地限制系统资源的使用，以及如何利用eBPF的追踪能力来构建动态、自适应的安全策略。 容器与轻量级虚拟化： 深入分析Linux Cgroups（控制组）和Namespaces（命名空间）的内部实现，阐明它们如何提供隔离，以及与全虚拟化（如KVM）在安全边界和性能开销上的根本区别。 内存安全编程与运行时保护： 讨论编译器层面的保护措施（如Stack Canaries）之外，操作系统如何通过硬件辅助特性（如Intel CET/ARM MTE）来对抗ROP/JOP攻击。 第七章：系统性能分析与故障诊断 对于系统级工程师而言，准确地定位性能瓶颈至关重要。本章提供了一套系统化的诊断方法论和工具链： 内核跟踪工具集： 深度讲解`ftrace`、`perf`和`DTrace`（或其Linux对应物SystemTap）的高级用法，指导读者如何精确地测量特定系统调用的延迟、锁定争用热点和缓存行为。 延迟分析与抖动（Jitter）控制： 区别分析平均延迟和尾部延迟（Tail Latency），并探讨实时操作系统（RTOS）设计中如何使用调度器时间片预留和中断延迟控制来最小化系统抖动。 I/O延迟分解： 提供一个框架，用于将一次磁盘I/O请求的端到端延迟分解到：应用程序等待、网络传输、操作系统队列、设备驱动程序处理，以及最终物理介质的响应时间。 --- 总结： 《深入解析现代操作系统：从内核到应用》 是一部为那些不满足于API层面调用的工程师而作的深度技术手册。它要求读者具备扎实的C/C++基础和对计算机体系结构的深刻理解。本书专注于“为什么会这样”和“如何做得更好”，是您构建下一代高性能、高安全分布式系统的必备参考资料。

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