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出版者:Addison-Wesley Professional

作者:Stephen A. Rago

出品人:

页数:800

译者:

出版时间:1993-04-10

价格:USD 44.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9780201563184

丛书系列:

图书标签:

• Unix
• System V
• 网络编程
• C语言
• Socket编程
• 网络协议
• 系统编程
• UNIX
• 网络
• 编程
• 技术

《深入理解现代操作系统：从内核到用户空间》 本书内容简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的操作系统（Operating System, OS）知识体系，覆盖了现代操作系统的核心机制、设计哲学以及在实际生产环境中的应用与优化。本书的视角不仅仅停留在理论层面，更侧重于理解这些机制是如何在主流操作系统内核（如Linux、FreeBSD的演进方向）中实现，并如何影响应用程序的性能与行为。 第一部分：操作系统核心架构与内存管理 本部分将操作系统视为一个复杂的资源调度与管理系统。我们将从处理器的视角出发，详细剖析操作系统的启动过程、特权级管理（Ring 0/Ring 3）以及中断与异常处理的生命周期。 1.1 内核态与用户态的边界 深入探讨系统调用的实现机制，包括上下文切换的开销、系统调用表的查找过程，以及用户态程序如何安全、高效地请求内核服务。我们将分析不同架构（如x86-64）下系统调用的具体 ABI 要求。 1.2 内存管理：虚拟化与物理隔离 内存是操作系统的基石。本书将细致讲解虚拟内存（Virtual Memory）系统的设计目标与实现细节。重点内容包括： 分页机制（Paging）：多级页表的结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理及其对性能的影响。如何通过页表实现进程间的内存隔离。 内存分配策略：内核空间（如Slab/SLUB分配器）和用户空间（如`malloc`/`free`的内部实现，如Doug Lea Malloc或jemalloc/tcmalloc的演进思想）的内存分配算法对比。分析内存碎片化问题及缓解措施。 内存映射（Memory Mapping）：`mmap()`系统调用的内核实现，如何将文件、设备或匿名内存映射到进程地址空间，以及缺页异常（Page Fault）的处理流程。 1.3 进程与线程管理 理解进程（Process）与线程（Thread）在内核中的数据结构表示（如Linux的`task_struct`）。 调度器（Scheduler）：详细解析现代抢占式多任务调度策略，例如完全公平调度器（CFS）的工作原理，时间片分配、优先级继承（Priority Inheritance）在实时或高负载场景下的应用。 上下文切换：不仅仅是寄存器保存，更深入到缓存一致性（Cache Coherency）在切换过程中可能带来的开销。 第二部分：并发、同步与文件系统 现代应用高度依赖并发能力。本部分聚焦于如何安全地协调多个执行流，并管理持久化存储。 2.1 并发控制与同步原语 本书对比分析了各种同步机制的适用场景与潜在陷阱： 锁机制：互斥锁（Mutex）、自旋锁（Spinlock）的内部结构差异，以及原子操作（Atomic Operations）的实现基础。 信号量与屏障：信号量在资源限制和同步通知中的应用。分析屏障（Barrier）在并行计算中的作用。 无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）：探讨如何利用CAS（Compare-and-Swap）等硬件指令构建高性能、高并发的数据结构，并分析其复杂性与调试难度。 2.2 文件系统的层次结构与I/O 文件系统是持久化数据的接口。我们将探索其核心抽象： I/O 栈：从用户空间的`read`/`write`调用开始，穿过VFS（Virtual File System）层，到达具体的文件系统（如Ext4、XFS）和块设备驱动层。 缓存机制：深入分析页缓存（Page Cache）和目录项缓存（Dentry Cache）的工作原理，理解它们如何平衡磁盘I/O的延迟和吞吐量。 数据一致性：探讨写回（Writeback）策略、Journaling（日志记录）机制如何保证数据在系统崩溃时的一致性。 第三部分：设备驱动与I/O子系统 本部分关注操作系统如何与硬件设备进行交互，这是实现网络、存储等功能的关键。 3.1 中断处理与半中断（Top Half/Bottom Half） 详细讲解硬件中断的流程，特别是中断上下文的限制，以及如何使用软中断（SoftIRQ）、Tasklet或Workqueue机制将耗时的工作推迟到非中断上下文中执行，以最小化中断延迟。 3.2 块设备与请求队列 分析块设备的I/O调度器（如Deadline、CFQ/BFQ的演进）如何优化对随机I/O和顺序I/O的处理，平衡多个并发请求的延迟和吞吐需求。 3.3 DMA（直接内存访问） 阐述DMA在绕过CPU，实现高效数据传输中的作用，包括DMA缓冲区的分配、一致性（Coherency）的维护，以及IOMMU（Input/Output Memory Management Unit）在虚拟化环境下的重要性。 第四部分：系统性能分析与调试 理论知识必须与实践相结合。本部分提供一套系统化的工具和方法论来诊断和优化操作系统行为。 4.1 内核调试工具集 介绍如何使用如`perf`、`ftrace`、`eBPF`等现代内核追踪工具。重点在于如何设计跟踪点，采集关键事件（如系统调用延迟、锁竞争、缓存未命中率），并对数据进行统计分析。 4.2 性能瓶颈定位 教授读者如何通过观测内核指标（如负载平均值、上下文切换率、页错误率）来区分是CPU受限、I/O受限还是内存受限的性能瓶颈。分析进程调度延迟的来源，以及如何通过调整系统参数（如`sysctl`）来适应特定的工作负载。 目标读者 本书适合对操作系统底层原理有强烈求知欲的系统程序员、内核开发者、高性能计算工程师，以及需要深入理解软件性能瓶颈的资深应用开发者。阅读本书需要具备扎实的C语言基础和一定的汇编语言概念。

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坦白说，当我第一次拿到这本《Unix System V Network Programming》时，它给我的感觉就是一本“老派”的技术书籍，没有花哨的封面，也没有冗长的前言，一切都直奔主题。然而，正是这种朴实无华的风格，反而让我觉得它更加可靠和专业。书中对网络协议栈的讲解，特别是TCP/IP协议的解析，堪称教科书级别的。作者没有止步于API的表面描述，而是深入到协议的每一个细节，例如，在解释IP地址的分配和路由转发时，他会详细说明ARP协议在其中扮演的角色，以及ICMP协议如何用于错误报告和诊断。对于那些希望从底层理解网络通信原理的读者来说，这部分内容是无价之宝。书中最让我惊喜的是，它不仅涵盖了传统的客户端-服务器模型，还深入探讨了更高级的网络编程技术，例如，使用select()、poll()、epoll()等I/O多路复用技术来处理大量并发连接，以及如何利用多线程或多进程模型来构建高性能的网络服务器。书中提供的代码示例，虽然没有使用最新的语言特性，但其核心思想和实现逻辑却是跨越时代的，非常值得学习和借鉴。这是一本需要静下心来仔细研读的书，它所蕴含的知识将让你在Unix网络编程领域受益匪浅。

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我不得不说，这本书的组织结构是我读过的技术类书籍中最为精妙的之一。它从最基本的网络概念入手，循序渐进，逐步深入到System V网络编程的各种高级特性。作者在讲解过程中，非常注重理论与实践的结合。每一章节的理论讲解后，都会紧跟着一系列精心设计的代码示例，这些代码不仅功能完整，而且逻辑清晰，注释到位，极大地降低了读者的学习门槛。更难能可贵的是，作者在讲解socket API时，并没有仅仅停留在“如何调用”层面，而是深入剖析了其背后所依赖的系统调用和内核实现。例如，在讲解sendmsg()和recvmsg()这两个函数时，书中详细阐述了它们在处理带外数据（out-of-band data）和辅助数据（ancillary data）时的强大功能，以及这些功能在实际网络应用中的重要性。此外，对于许多初学者容易混淆的概念，比如阻塞I/O和非阻塞I/O、同步I/O和异步I/O，书中都给出了非常清晰的辨析和对比，并提供了相应的代码示例来演示它们之间的差异以及如何在实际项目中进行选择和应用。本书的价值不仅在于它提供了解决问题的“方法”，更在于它教会读者“思考”问题的方法，培养读者对网络编程的深刻理解和独立解决问题的能力。

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这本书的厚度就足以说明其内容的丰富程度。作者以一种非常系统化的方式，为我们构建了一个关于Unix System V网络编程的全面知识体系。从基础的网络协议，如TCP、UDP，到System V特有的进程间通信（IPC）机制，再到各种网络服务的实现细节，几乎涵盖了所有重要的方面。我特别欣赏书中对于TCP协议的深入讲解，不仅仅是API的罗列，而是对TCP三次握手、四次挥手的状态转换，以及滑动窗口、拥塞控制等核心机制进行了细致入微的分析。这使得我能够更好地理解TCP连接建立、数据传输和断开的整个生命周期。此外，书中对于System V IPC机制的介绍，如消息队列、共享内存、信号量等，在网络编程中的应用，也让我大开眼界。例如，如何利用共享内存实现进程间的高速数据交换，以及如何使用消息队列进行异步通信，这些都为构建高效、可靠的网络应用提供了强大的支撑。本书的语言风格严谨且专业，但作者善于通过清晰的图示和生动的比喻来解释复杂的概念，使得学习过程更加顺畅。对于那些希望深入理解Unix系统底层网络机制，并在此基础上开发强大、稳定、可扩展网络应用的开发者来说，这本书绝对是一本不可或缺的参考书。

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在我看来，《Unix System V Network Programming》是一本真正意义上的“功底深厚”的书籍。它不是那种试图用最少的篇幅讲解“怎么做”的书，而是花大力气去解释“为什么这样做”以及“这样做的背后是什么”。作者对TCP/IP协议栈的讲解，尤其是TCP协议的部分，堪称典范。他不仅仅是讲解了TCP的报文结构，更深入地分析了TCP的拥塞控制算法、流量控制机制，以及TCP的可靠性是如何通过序列号、确认应答和重传等机制实现的。这对于理解网络通信的稳定性和效率至关重要。书中对System V IPC（进程间通信）机制在网络编程中的应用，也是一大亮点。例如，如何利用管道、消息队列、共享内存等在多进程的网络应用中实现高效的数据传递和同步，这些内容对于构建高性能、可扩展的网络服务至关重要。作者的写作风格一丝不苟，对于每一个概念都力求解释清楚。虽然书中包含大量的技术细节，但通过精心设计的图表和恰当的类比，使得这些复杂的内容变得相对易于理解。对于那些希望在Unix系统环境下精通网络编程的开发者来说，这本书提供了扎实的理论基础和宝贵的实践指导。

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初次翻阅《Unix System V Network Programming》，我就被其内容之丰富和讲解之透彻所折服。作者以一种极其系统化的方式，将Unix System V网络编程的方方面面呈现在读者面前。书中对TCP/IP协议栈的讲解，尤其令人称道。它不仅仅是列出协议的报文结构，更深入地剖析了TCP协议的生命周期，从三次握手建立连接，到四次挥手断开连接，每一个状态转换都讲解得非常到位。此外，书中对TCP的拥塞控制和流量控制机制的详细描述，也让我对如何保证网络通信的稳定性和效率有了深刻的理解。令人惊喜的是，本书还详细探讨了System V特有的进程间通信（IPC）机制在网络编程中的应用。例如，如何利用消息队列、共享内存、信号量等在分布式系统或需要进程协同工作的网络应用中实现高效的数据交换和同步，这些内容为开发者构建健壮、高效的网络服务提供了强有力的支持。作者的写作风格严谨而深入，他善于通过精心设计的图表和实例来阐释复杂的概念，使得学习过程既扎实又富有启发性。

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这本书的装帧设计非常经典，封面简洁大气，散发着一种沉甸甸的专业感，与书名“Unix System V Network Programming”相得益彰。拿到手的第一感觉就是厚重，预示着内容的深度和广度。翻开目录，更是让人眼花缭乱，从基础的网络概念、TCP/IP协议栈的深入解析，到System V特有的IPC（进程间通信）机制，再到各种网络服务的实现细节，几乎涵盖了Unix系统环境下进行网络编程的方方面面。书中不仅介绍了理论知识，更重要的是提供了大量的实际代码示例，这些代码清晰、注释详尽，并且贴合实际应用场景，能够帮助读者快速理解抽象的概念并将其转化为实际操作。作者在讲解过程中，并没有止步于API的简单罗列，而是深入剖析了每个函数、每个协议背后的工作原理，例如，在讲解套接字（socket）编程时，会详细阐述socket的创建、绑定、监听、连接、读写等一系列过程，并解释不同协议族（如AF_INET、AF_UNIX）和套接字类型（如SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM）的区别与适用场景。对于初学者来说，这本教材可能需要一定的耐心和基础知识储备，但一旦掌握，无疑将为他们在Unix网络编程领域打下坚实的基础。特别是书中对TCP三次握手和四次挥手过程的图文并茂的解释，以及UDP无连接数据报传输的特点分析，都非常到位，能够帮助读者建立起对网络通信底层机制的深刻理解。此外，书中的一些高级主题，如多线程和多进程的网络服务器设计、信号处理在网络编程中的应用、以及一些性能优化的技巧，更是为有经验的开发者提供了宝贵的参考。整体而言，这是一本内容丰富、理论与实践结合紧密的网络编程经典之作，值得反复研读和实践。

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初次接触这本书，我便被它那近乎百科全书式的广度和深度所震撼。作者显然是位经验老道的网络编程大师，他以一种极其系统和严谨的方式，将Unix System V的网络编程世界展现在读者面前。书中对TCP/IP协议栈的剖析，不仅仅是浮光掠影，而是深入到了每一个层次、每一个关键组件。例如，在讲解IP层的路由机制时，作者并没有回避其复杂性，而是通过清晰的图示和逻辑性的文字，将数据包如何在网络中寻找到目的地这一过程描绘得淋漓尽致。而TCP层的可靠传输机制，如滑动窗口、拥塞控制等，更是被细致入微地解读，让你不仅仅知道“有”这些机制，更能理解“为什么”需要它们，以及它们是如何协同工作的。本书的精华之处还在于它对System V IPC机制在网络环境中的应用进行了深入探讨。进程间通信（IPC）是多进程环境下构建复杂应用程序的关键，而当网络连接介入时，IPC的作用更是变得至关重要。书中详细介绍了消息队列、共享内存、信号量等在网络通信中的使用场景和实现方法，为开发者提供了构建高效、健壮网络服务的有力工具。对于那些希望深入理解Unix系统底层网络机制，并在此基础上开发高性能、可扩展网络应用的读者来说，这本书无疑是一笔宝贵的财富。它所提供的知识，远不止于API的调用，更是对网络通信哲学的一种深刻阐述。

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这本书给我的感觉就像是一位经验丰富的老工匠，在悉心传授他的技艺。它不是那种追求“快速入门”的书，而是鼓励你“深入理解”。作者在讲解TCP/IP协议栈时，毫不含糊地深入到每一个细节。例如，在讲解IP层的路由选择时，他会细致地阐述路由表的工作原理，以及数据包如何在网络中进行转发。而对于TCP层的可靠传输，书中更是进行了令人惊叹的深入分析，从序列号、确认应答到重传机制，再到拥塞控制算法，每一个环节都解释得清清楚楚。这让我对TCP协议的可靠性和效率有了前所未有的认识。令人印象深刻的是，本书还详细介绍了System V特有的进程间通信（IPC）机制在网络编程中的应用。例如，如何利用管道、消息队列、共享内存等在多进程的网络应用中实现高效的数据交换和同步，这对于构建复杂的分布式系统至关重要。作者的语言风格专业且精准，但又不会过于枯燥。他善于运用清晰的图表和恰当的比喻来解释复杂的概念，使得读者能够轻松地理解和掌握。对于那些希望在Unix系统下成为一名真正懂网络的程序员来说，这本书是必不可少的。

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翻开这本书，我立刻被它严谨的逻辑和详实的论述所吸引。作者对于Unix System V网络编程的理解，可谓是深入骨髓。他从最基础的网络协议出发，逐步构建起一个完整的知识体系。我印象最深刻的是书中对TCP协议的详细阐述，它不仅仅是简单地介绍TCP的头部结构和主要字段，而是通过大量的图示和文字，将TCP的三次握手、四次挥手、慢启动、拥塞避免等核心机制进行了生动而深刻的讲解。这使得我对TCP协议的理解从“知其然”提升到了“知其所以然”的境界。同时，本书对System V特有的进程间通信（IPC）机制在网络编程中的应用也进行了详尽的介绍，例如，如何利用管道、消息队列、共享内存等在不同进程之间进行高效的数据交换，特别是在构建分布式系统或需要进程协同工作的网络应用时，这些IPC机制的重要性不言而喻。作者的写作风格非常专业，但又不失可读性。他善于运用比喻和类比来解释复杂的概念，使得抽象的理论更容易被理解。对于想要深入了解Unix系统底层网络机制，并希望在此基础上构建强大、稳定、高效网络应用程序的开发者而言，这本书无疑是一本不可多得的宝典。

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我一直认为，一本优秀的技术书籍，不仅仅是传授知识，更是传授一种思维方式。《Unix System V Network Programming》无疑做到了这一点。它不是简单地罗列API，而是通过深入浅出的讲解，帮助读者理解网络编程的底层原理和设计思想。书中对TCP/IP协议栈的剖析，特别是TCP协议的部分，让我对网络通信有了全新的认识。作者并没有回避TCP协议的复杂性，而是通过大量的图示和细致的文字，将三次握手、四次挥手、拥塞控制、流量控制等核心机制进行了生动而深刻的阐述。这使得我对TCP连接的建立、数据传输和断开过程有了更为直观和深刻的理解。此外，书中对System V特有的进程间通信（IPC）机制在网络编程中的应用，也进行了非常详尽的介绍。例如，如何利用消息队列、共享内存、信号量等在分布式系统或需要进程协同工作的网络应用中实现高效的数据交换，这些内容为开发者提供了构建强大、稳定、高效网络服务的有力工具。作者的写作风格严谨而不失条理，他善于将抽象的概念通过具体的例子和图表来解释清楚，极大地提升了学习的效率和趣味性。

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