虚拟机设计与实现 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:人民邮电出版社

作者:李晓峰

出品人:

页数:380

译者:单业

出版时间:2020-1

价格:129元

装帧:平装

isbn号码:9787115527288

丛书系列:图灵程序设计丛书·Java系列

图书标签:

虚拟机
Java
VM
计算机
Compiler
JVM
编程
计算机系统
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设计
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操作系统
云计算
软件工程
架构
性能
安全性

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具体描述

本书从一位虚拟机（VM）架构师的角度，以易于理解、层层深入的方式介绍了各种主题和算法，尤其是不同VM通用的主要技术。这些算法用图示充分解释，用便于理解的代码片段实现，使得这些抽象概念对系统软件工程师而言具像化并可编程。书中还包括一些同类文献中较少涉及的主题，例如运行时辅助、栈展开和本地接口。本书集理论性与实践性于一身，不仅结合了高层设计功能与底层实现，而且还结合了高级主题与商业解决方案，是VM设计和工程实践方面的理想参考读物。

《现代软件工程实践指南》导读：在数字洪流中构建坚固的软件大厦第一部分：需求的获取、分析与建模——构建蓝图的艺术软件工程的核心始于对“做什么”的清晰认知。本书深入探讨了现代软件开发生命周期中，需求工程所占据的关键地位。我们摒弃了传统瀑布模型中静态、僵化的需求定义方式，转而聚焦于敏捷和迭代环境下的动态需求管理。章节一：需求获取的深度策略本章详细剖析了从利益相关者口中提炼有效需求的艺术与科学。内容涵盖了访谈技巧的进阶应用，包括结构化、半结构化以及非正式访谈中的“探针”技术，旨在挖掘潜在的、未被明确表达的需求（隐性需求）。此外，我们还引入了情景演练（Scenarios）和用户故事地图（User Story Mapping）作为高效的需求捕获工具。对于复杂的企业级系统，角色扮演与原型制作（Prototyping）在需求澄清阶段的作用被置于显著位置，帮助团队在编码开始前即达成共识。章节二：需求的分析与规格说明需求一旦获取，便需要转化为精确、无歧义的规格说明。本章重点讲解了需求的分类——功能性需求、非功能性需求（性能、安全性、可用性等）的量化标准制定。我们引入了面向对象分析与设计（OOAD）中的用例建模（UML Use Case Diagrams）作为需求的结构化表示手段。非功能性需求的规格说明不再是模糊的“系统要快”，而是采用具体的指标如响应时间（95%的请求应在300毫秒内完成）和并发用户数上限。同时，本章也深入探讨了如何利用决策表和判定树来管理复杂业务规则下的需求冲突与交叉依赖。章节三：软件架构的早期决策与权衡软件架构是满足非功能性需求的骨架。本部分强调了在需求分析阶段就必须介入架构设计决策。我们对比分析了宏内核、微服务、事件驱动架构（EDA）在不同业务场景下的适用性。内容详述了“架构驱动发展”（Architecture-Driven Development, ADD）的早期活动，包括构建“架构原型”来验证关键技术选型和非功能性需求的实现可行性。对于高并发、高可用性系统，幂等性设计和分布式事务处理的初步考量被纳入早期架构评审范畴。 --- 第二部分：稳健的编码与测试策略——从设计到实现的桥梁本部分聚焦于如何将清晰的需求和架构蓝图转化为高质量、可维护的代码库，并确保其可靠性。章节四：设计模式的实用化与反模式规避本章超越了基础的设计模式介绍，着重于在实际项目中如何选择和应用正确的模式，以及识别和重构常见的“代码异味”（Code Smells）和设计反模式。内容细致讲解了依赖注入（DI）在松耦合架构中的深度应用，以及如何利用策略模式（Strategy Pattern）实现业务规则的即插即用。同时，对过度设计（Over-engineering）的危险性进行了警示，强调设计复杂性应与业务复杂性相匹配。章节五：持续集成与自动化测试金字塔现代软件交付的关键在于自动化。本章系统介绍了持续集成/持续部署（CI/CD）流水线的构建哲学。我们详细阐述了测试金字塔的结构：单元测试（Unit Testing）应占据主体，集成测试（Integration Testing）负责服务间契约验证，而端到端（E2E）测试则应被严格控制数量，专注于关键用户路径。内容覆盖了面向Mocking、Stubbing和Faking的实践，以及如何将安全扫描（SAST/DAST）无缝嵌入构建流程中，实现“左移安全”（Shift-Left Security）。章节六：性能调优与瓶颈诊断性能不仅是架构问题，也是实现细节的体现。本章指导读者如何使用专业的性能分析工具（Profiler）定位代码热点。内容涵盖了JVM或.NET运行时环境下的内存管理、垃圾回收机制调优、锁竞争分析等底层技术。对于I/O密集型应用，我们深入探讨了异步编程模型（如Reactor模式）在提升吞吐量上的作用，并讲解了数据库查询优化（如索引失效分析、执行计划解读）在软件整体性能中的关键性影响。 --- 第三部分：软件维护、演进与项目管理融合软件的生命周期中，80%的成本往往发生在维护阶段。本部分探讨了如何通过良好的工程实践来平抑演进的成本。章节七：可维护性驱动的代码重构重构被视为一种持续的工程活动，而非一次性的救赎行动。本章提供了一套系统化的重构流程，强调“先写测试，再重构”的原则。内容详细讲解了如“提取方法”、“替换继承为委托”等经典重构手法，并着重讨论了大型遗留系统中的“绞杀者模式”（Strangler Fig Pattern）如何安全地迁移到新的服务架构中，避免“一次性重写”带来的巨大风险。章节八：DevOps文化与基础设施即代码（IaC） DevOps不仅仅是工具链，更是一种文化和流程的变革。本章探讨了如何通过自动化运维来加速反馈循环。内容聚焦于基础设施即代码（IaC）工具（如Terraform, Ansible）在环境一致性管理中的应用，确保开发、测试和生产环境的高度同步。我们分析了监控与日志聚合系统（如ELK Stack或Prometheus/Grafana）如何从被动的故障响应工具，转变为主动的健康预测机制，通过设定合理的SLO（服务等级目标）来指导开发优先级。章节九：面向长期演进的项目度量与质量保证如何量化软件工程的成效？本章介绍了超越“完成多少行代码”的先进项目度量指标。内容包括DORA指标（部署频率、变更前置时间、变更失败率、平均恢复时间）在评估团队效率和稳定性的作用。此外，我们还探讨了如何运用圈复杂度、耦合度和内聚性等代码静态分析指标，作为识别技术债务的量化依据，从而指导团队的维护资源分配，确保软件产品能够在不断变化的市场需求中保持其结构完整性和业务适应性。结语：工程纪律与持续学习本书旨在为软件工程师和技术管理者提供一套全面的、注重实效的工程方法论框架，强调纪律、自动化和对演进的深刻理解，最终目标是构建出不仅能解决当前问题，更能适应未来挑战的健壮软件系统。

作者简介

【作者简介】

李晓峰（Xiao-Feng Li）

长期从事系统软件的研究与开发，在并行计算、操作系统、编译器和语言设计方面有着丰富的技术经验。Apache Harmony JVM的主要贡献者，所创建的一个微内核VM被发展为Intel Micro Runtime。目前在一家大型科技公司任技术副总裁，致力于定义和开发基于移动和智能设备的下一代分布式操作系统。拥有计算机科学博士学位，在闲暇时热衷于人机交互方式的探索。

【译者简介】

单业

计算机专业硕士，软件工程师，曾供职于多家软件公司，从事软件开发工作，现居于上海。译有《你不知道的JavaScript》中卷及下卷。

目录信息

第一部分虚拟机基础
第1章虚拟机简介　2
1.1 虚拟机类型　2
1.2 为什么需要虚拟机　3
1.3 虚拟机示例　4
1.3.1 JavaScript引擎　4
1.3.2 Perl引擎　5
1.3.3 Android Java VM　5
1.3.4 Apache Harmony　6
第2章虚拟机内部组成　7
2.1 虚拟机核心组件　7
2.1.1 加载器与动态链接器　7
2.1.2 执行引擎　8
2.1.3 内存管理器　8
2.1.4 线程调度器　9
2.1.5 语言扩展　9
2.1.6 传统模型与虚拟机模型　10
2.2 虚拟ISA　11
2.2.1 JVM　12
2.2.2 JVM与CLR　15
第3章虚拟机中的数据结构　17
3.1 对象与类　17
3.2 对象表示　18
3.3 方法描述　18
第二部分虚拟机设计
第4章执行引擎设计　22
4.1 解释器　22
4.1.1 超级指令　23
4.1.2 选择性内联　23
4.2 JIT编译　23
4.2.1 基于方法的JIT　24
4.2.2 基于踪迹的JIT　26
4.2.3 基于区域的JIT　29
4.3 解释器与JIT编译器的关系　30
4.4 AOT编译　31
4.5 编译时与运行时　33
第5章垃圾回收设计　37
5.1 对象生存期　37
5.2 引用计数　38
5.3 对象追踪　40
5.4 RC与对象追踪　42
5.5 GC安全点　43
5.6 常用追踪GC算法　45
5.6.1 标记清除　46
5.6.2 追踪复制　46
5.7 常用追踪GC变体　48
5.7.1 标记压缩　48
5.7.2 滑动压缩　48
5.7.3 追踪转发　49
5.7.4 标记复制　50
5.7.5 分代式GC　50
5.8 移动式GC与非移动式GC　53
5.8.1 数据局部性　53
5.8.2 跳增指针分配　53
5.8.3 空闲列表与分配位图　53
5.8.4 离散大小列表　54
5.8.5 标记位与分配位　54
5.8.6 线程局部分配　55
5.8.7 移动式GC与非移动式GC的混合　56
第6章线程设计　58
6.1 什么是线程　58
6.2 内核线程与用户线程　59
6.3 VM线程到OS线程的映射　61
6.4 同步构件　63
6.5 monitor　65
6.5.1 互斥　65
6.5.2 条件变量　66
6.5.3 monitorenter　66
6.5.4 monitorexit　69
6.5.5 Object.wait()　71
6.5.6 Object.notify()　71
6.6 原子　73
6.7 monitor与原子　75
6.7.1 阻塞与非阻塞　75
6.7.2 中央控制点　75
6.7.3 锁与非锁　75
6.7.4 非阻塞之上的阻塞　76
6.8 回收器与修改器　77
6.9 线程局部数据　78
6.10 GC的线程暂停支持　81
6.10.1 GC安全点　81
6.10.2 GC安全区域　83
6.10.3 基于锁的安全点　86
6.10.4 回收中的线程交互　87
第三部分虚拟机内部支持
第7章本地接口　92
7.1 为何需要本地接口　92
7.2 从托管代码到本地代码的转换　93
7.2.1 本地方法封装　94
7.2.2 封装代码的GC支持　96
7.2.3 封装代码的同步支持　98
7.3 本地方法实现的绑定　99
7.4 本地代码到托管代码的转换　99
7.5 本地代码到本地代码的转换　102
7.5.1 通过JNI API的本地到本地转换　102
7.5.2 为什么在本地到本地转换中使用JNI API　105
第8章栈展开　107
8.1 为何需要栈展开　107
8.2 Java方法帧的栈展开　108
8.2.1 栈展开设计　108
8.2.2 栈展开实现　110
8.3 本地方法帧的栈展开　112
8.3.1 栈展开设计　112
8.3.2 Java到本地封装设计　114
8.3.3 栈展开实现　116
8.3.4 本地帧与C帧　117
第9章垃圾回收支持　119
9.1 为何需要垃圾回收支持　119
9.2 在Java代码中支持垃圾回收　121
9.2.1 GC-map　121
9.2.2 带寄存器的栈展开　124
9.3 在本地代码中支持垃圾回收　126
9.3.1 对象引用访问　127
9.3.2 对象句柄实现　129
9.3.3 GC安全性维护　132
9.3.4 对象体访问　133
9.3.5 对象分配　135
9.4 在同步方法中支持垃圾回收　136
9.4.1 同步Java方法　136
9.4.2 同步本地方法　138
9.5 Java与本地代码转换中的GC支持　140
9.5.1 本地到Java　140
9.5.2 Java到本地　142
9.5.3 本地到本地　142
9.6 全局根集　144
第10章运行时辅助　145
10.1 为何需要运行时辅助　145
10.2 带运行时辅助的VM服务设计　147
10.2.1 运行时辅助操作　147
10.2.2 运行时辅助实现　148
10.2.3 JNI API作为运行时辅助　150
10.3 没有运行时辅助的VM服务设计　151
10.3.1 运行时辅助的快速路径　153
10.3.2 快速路径VM服务编程　154
10.4 主要VM服务　154
第11章异常抛出　157
11.1 保存异常抛出上下文　157
11.1.1 VM保存的上下文　158
11.1.2 Linux中OS保存的上下文　158
11.1.3 Windows中OS保存的上下文　159
11.1.4 同步与异步异常　160
11.2 本地代码内与跨本地代码异常处理　161
11.2.1 本地代码内的异常处理　161
11.2.2 带异常Java代码返回到本地代码　162
11.2.3 带异常的本地代码返回到Java代码　166
11.3 保存栈轨迹　167
11.4 找到异常处理器　169
11.5 控制转移　172
11.5.1 控制转移操作　172
11.5.2 用于控制转移的寄存器　173
11.5.3 数据寄存器恢复　174
11.5.4 控制寄存器修正　176
11.5.5 执行恢复　176
11.5.6 未捕获异常　179
第12章终结与弱引用　180
12.1 终结　180
12.2 为何需要弱引用　182
12.3 对象生存期状态　184
12.3.1 对象状态转换　185
12.3.2 引用队列　187
12.3.3 引用对象状态转换　187
12.4 引用对象实现　189
12.5 引用对象处理顺序　191
第13章虚拟机模块化设计　194
13.1 VM组件　194
13.2 对象信息暴露　197
13.3 垃圾回收器接口　199
13.4 执行引擎接口　202
13.5 跨组件优化　203
第四部分垃圾回收优化
第14章针对吞吐量的GC优化　208
14.1 部分堆回收与全堆回收之间的适应性调整　208
14.2 分代式与非分代式算法之间的适应性调整　213
14.3 堆的空间大小的适应性调整　217
14.3.1 空间大小扩展　218
14.3.2 NOS大小　219
14.3.3 部分转发NOS设计　221
14.3.4 半空间NOS设计　221
14.3.5 aged-mature NOS设计　223
14.3.6 回退回收　225
14.4 分配空间之间的适应性调整　225
14.5 大OS页与预取　230
第15章针对可扩展性的GC优化　232
15.1 回收阶段　232
15.2 并行对象图遍历　233
15.2.1 任务共享　234
15.2.2 工作偷取　234
15.2.3 任务推送　235
15.3 并行对象标记　238
15.4 并行压缩　239
15.4.1 并行LISP2压缩器　239
15.4.2 对象依赖树　241
15.4.3 带用于转发指针的目标表的压缩器　244
15.4.4 基于对象节的压缩器　246
15.4.5 单趟就地压缩器　247
第16章针对响应性的GC优化　249
16.1 区域式GC　249
16.2 并发追踪　252
16.2.1 起始快照　252
16.2.2 增量更新　256
16.2.3 用三色术语表示并发追踪　259
16.2.4 使用读屏障的并发追踪　260
16.3 并发根集枚举　261
16.3.1 并发根集枚举设计　262
16.3.2 在根集枚举过程中追踪堆　265
16.3.3 并发栈扫描　266
16.4 并发回收调度　267
16.4.1 调度并发根集枚举　267
16.4.2 调度并发堆追踪　269
16.4.3 并发回收调度　271
16.4.4 并发回收阶段转换　272
第17章并发移动式回收　277
17.1 并发复制：“目标空间不变”　277
17.1.1 基于槽位的“目标空间不变”算法　277
17.1.2 “目标空间不变”性　280
17.1.3 对象转发　282
17.1.4 基于对象的“目标空间不变”算法　283
17.1.5 基于虚拟内存的“目标空间不变”算法　285
17.2 并发复制：“当前副本不变”　286
17.2.1 对象移动风暴　286
17.2.2 “当前副本不变”设计　287
17.2.3 并发复制与并发堆追踪的关系　289
17.3 并发复制：“源空间不变”　292
17.3.1 “源空间不变”设计　292
17.3.2 部分转发“源空间不变”设计　294
17.4 无STW的完整并发移动　295
17.5 并发压缩回收　296
17.5.1 并发区域复制式回收　296
17.5.2 基于虚拟内存的并发压缩　299
第五部分线程交互优化
第18章 monitor性能优化　308
18.1 惰性锁　308
18.2 瘦锁　310
18.2.1 瘦锁锁定路径　310
18.2.2 瘦锁解锁路径　313
18.2.3 竞争标志重置支持　316
18.3 胖锁　318
18.3.1 整合monitor数据结构　318
18.3.2 交由OS来支持　319
18.3.3 瘦锁膨胀为胖锁　321
18.3.4 休眠等待被竞争瘦锁　324
18.4 Tasuki锁　327
18.4.1 将同一个胖锁monitor用于竞争控制　327
18.4.2 胖锁收缩为瘦锁　331
18.5 线程局部锁 334
18.5.1 锁保留　335
18.5.2 线程亲密锁　339
第19章基于硬件事务内存的设计　346
19.1 硬件事务内存　346
19.1.1 从事务数据库到事务内存　346
19.1.2 Intel的HTM实现　347
19.2 使用HTM的monitor实现　348
19.2.1 基于HTM的monitor的正确性问题　349
19.2.2 基于HTM的monitor的性能问题　352
19.3 使用HTM的并发垃圾回收　355
19.3.1 GC中HTM的机会　355
19.3.2 复制式回收　357
19.3.3 压缩式回收　360
参考文献　364
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和插图质量，说实话，是业界顶尖水准。我见过很多技术书，要么是图表模糊不清，要么是代码格式混乱，但这本完全没有这个问题。特别是关于内存管理单元（MMU）虚拟化和二级地址转换（EPT/RVI）的章节，作者绘制的那些嵌套的页表结构图，逻辑清晰，层次分明，即便是极其复杂的地址转换路径，也能被这些图示化为一目了然的流程。而且，作者非常注重代码示例的完整性和可调试性。书中提供的不仅仅是伪代码，而是可以对应到具体开源项目（如QEMU或KVM的某些模块）的精炼代码片段，并配有详细的注释说明每段代码片段的作用以及它在整个虚拟化堆栈中的位置。这种兼顾理论深度与工程实操的编排，对于需要搭建实验环境或进行代码阅读的读者来说，简直是福音，极大地节省了我们自行摸索的时间成本。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的阅读体验是“高付出，高回报”型的。它不是那种可以轻松消遣读物的类型，它的逻辑链条非常长，知识点环环相扣，要求读者必须保持高度的专注力。我发现自己经常需要停下来，回顾前面章节的内容，才能完全理解当前正在讨论的复杂交互协议。然而，一旦你成功地跟上了作者的思路，那种“豁然开朗”的感觉是无与伦比的。我尤其喜欢作者在引入每一个新概念时，都会先回顾一下在没有该机制时遇到的“痛苦”——也就是传统方式的缺陷。这种对比式的教学方法，让你深刻体会到虚拟化技术每一步发展背后的巨大工程动力。它让我们意识到，每一次看似细微的底层改进，背后都凝聚了无数顶尖工程师的心血。这本书真正做到了将高深的计算机体系结构知识，转化为了可以被理解和掌握的工程蓝图，对于任何想在基础设施领域深耕的人来说，都是一份值得珍藏的财富。

评分☆☆☆☆☆

与其他同类书籍相比，这本书最大的亮点在于其前瞻性和批判性思维的引导。作者的笔触并未停留在当前主流技术的描述上，而是将大量的篇幅用在了对未来趋势的预测和现有范式的挑战上。例如，在讨论到容器技术（Docker/Kubernetes）的兴起对传统全系统虚拟化的冲击时，作者并没有简单地站队，而是进行了细致的权衡分析。他深入探讨了在资源隔离、启动速度、安全边界等多个维度下，进程隔离（容器）与硬件隔离（VM）各自的适用场景和局限性，甚至大胆预测了“轻量级虚拟机”或“基于硬件的进程隔离”这类融合性技术的发展方向。这种超越当前技术栈限制的思考方式，极大地拓宽了我的视野，让我不再局限于眼前的工具，而是开始思考更深层次的工程哲学。它迫使读者去质疑那些被奉为圭臬的“最佳实践”，转而寻求在特定约束条件下最合理的工程决策。

评分☆☆☆☆☆

这本书的文字密度实在是惊人，几乎每一页都塞满了干货，不愧是面向专业人士的深度解析。我尤其欣赏作者在处理性能优化问题时的那种“刨根问底”的态度。书中有一章专门探讨了I/O虚拟化的性能瓶颈，作者详细剖析了从 Guest OS 发出一条读写请求到 Host OS 真正执行操作过程中，数据包如何在 Hypervisor 层面被拦截、处理、再转发的每一个微小延迟点。他甚至引用了最新的硬件特性，比如 Intel VT-d 和 AMD-Vi 技术如何通过 DMA 重映射来缓解性能损耗，这一点是市面上很多泛泛而谈的教材中绝对不会深入提及的。阅读过程中，我不得不频繁地查阅相关的硬件手册和操作系统内核文档来辅助理解，这过程虽然辛苦，但带来的知识沉淀是无可替代的。它不仅仅是在“教”你如何使用某个虚拟化产品，更是在“教”你如何从底层设计一个更优的虚拟化解决方案。对于那些希望从理论走向实践，甚至想参与到下一代虚拟化架构设计中的工程师来说，这本书无疑是一本“案头必备”的武功秘籍，每一遍重读都会有新的领悟。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计充满了科技感，深邃的蓝色调与精妙的电路图纹理交织，让人一眼就能感受到它内容的严谨与前沿。我原本对这类偏向底层的技术书籍有些畏惧，总觉得晦涩难懂，但翻开第一页，作者的叙事方式就立刻抓住了我的注意力。他没有直接抛出复杂的公式或代码块，而是从一个宏大的愿景——如何让软件的运行环境变得更高效、更安全——开始娓娓道来。特别是关于虚拟化技术在云计算领域应用的章节，作者用了很多生动的比喻，将CPU的指令集隔离、内存的虚拟化映射等抽象概念，描绘成了清晰的“多层洋葱结构”或“镜像房间”的画面。这种叙事手法极大地降低了阅读门槛，让我这个初学者也能窥见其精髓。书中对不同虚拟化技术（如全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化）的对比分析尤为到位，不仅阐述了它们各自的优缺点，更结合了实际工业界的应用案例，比如某大型互联网公司为何在特定场景下选择了特定的虚拟化层。读完这部分，我感觉自己对现代基础设施的运行原理有了一种全新的认知，仿佛拿到了理解数据中心魔术背后的钥匙。

评分☆☆☆☆☆