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出版者:Prentice Hall

作者:Terrence Chan

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1996-10-07

价格:USD 49.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780133315622

丛书系列:

图书标签:

• 程序设计
• C++
• Unix
• C++
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Unix 系统编程： C++ 实践指南 前言 在信息技术飞速发展的今天，操作系统作为计算机的灵魂，其内部机制和编程方式至关重要。Unix 及其衍生系统，凭借其稳定性、灵活性和强大的网络能力，在服务器、嵌入式系统以及高性能计算等领域占据着举足轻重的地位。而 C++ 作为一门兼具高效底层操作和高级抽象能力的语言，更是成为编写 Unix 系统级应用的理想选择。 本书旨在为读者提供一份详尽的 Unix 系统编程指南，重点在于如何运用 C++ 语言深入理解和高效操作 Unix 系统。我们并非仅仅罗列 API 函数，而是力求通过清晰的理论阐述、丰富的代码示例以及实用的项目实践，引导读者逐步掌握 Unix 系统编程的核心概念和高级技巧。本书涵盖了从基础的文件 I/O、进程管理，到复杂的网络通信、线程同步，再到对系统资源的深入挖掘和利用，力求为读者构建一个全面而深入的 Unix 系统编程知识体系。 第一部分： Unix 系统编程基础 第一章： Unix 系统概览与 C++ 基础回顾 在深入系统编程之前，有必要对 Unix 操作系统的整体架构有一个宏观的认识。我们将探讨 Unix 的核心组件，如内核、shell、文件系统以及进程模型。同时，为了确保读者能够顺利地投入 C++ 进行系统编程，我们将对 C++ 的一些关键特性进行简要回顾，重点关注其在系统级编程中的适用性，例如指针、内存管理、面向对象设计以及 STL (Standard Template Library) 的基础用法。本章将为后续深入的学习打下坚实的基础。 第二章： 文件 I/O 与文件系统操作 文件是 Unix 系统中一切皆文件的理念的体现，对文件的读写操作是系统编程中最基本也是最核心的技能之一。本章将详细介绍 C++ 标准库提供的文件流（fstream）以及 POSIX 标准下的低级文件 I/O 函数（如 open, read, write, close, lseek 等）。我们将深入讲解文件描述符的概念，以及如何在 C++ 中安全有效地使用这些低级 API。此外，本章还将覆盖文件属性的获取与修改（如 stat, chmod, chown），目录的操作（如 mkdir, rmdir, readdir），以及文件权限管理的原理和实践。通过大量的示例，读者将能够掌握如何处理各种文件操作场景，并理解文件系统的底层运作机制。 第三章： 进程管理与控制 进程是 Unix 系统中资源分配和执行的基本单位。理解进程的创建、通信和终止是系统编程的关键。本章将详细介绍 C++ 如何与 Unix 的进程管理 API 进行交互，包括 `fork()`、`exec()` 系列函数和 `wait()` 系列函数。我们将深入分析进程的生命周期，包括僵尸进程和孤儿进程的处理。重点将放在进程间通信（IPC）的多种机制，如管道（pipe）、命名管道（mkfifo）、消息队列（message queue）、信号量（semaphore）以及共享内存（shared memory）。我们将通过具体的 C++ 代码示例，演示如何在不同进程之间有效地传递数据和协调工作。 第四章： 信号处理 信号是 Unix 系统中一种重要的进程间异步通信机制，用于通知进程发生了某个事件。本章将深入探讨信号的产生、传递和处理。我们将学习如何使用 `signal()` 和 `sigaction()` 函数来捕获和处理各种系统信号，例如 `SIGINT`（中断信号）、`SIGTERM`（终止信号）、`SIGKILL`（强制终止信号）以及 `SIGSEGV`（段错误信号）等。我们将详细讲解信号处理函数（signal handler）的设计原则，包括其限制和注意事项，以避免在信号处理过程中引入新的问题。此外，本章还将介绍信号量的概念，以及它们如何在并发编程中扮演重要角色。 第二部分： 并发与同步 第五章： 线程编程与 POSIX Threads (Pthreads) 随着多核处理器的普及，并发编程变得越来越重要。本章将全面介绍 C++ 中的线程编程，重点关注 POSIX Threads (Pthreads) 库。我们将详细讲解线程的创建、终止、分离、 Join 操作。深入探讨线程安全的概念，以及如何使用互斥锁（mutexes）、条件变量（condition variables）和读写锁（read-write locks）来实现线程间的同步和互斥。我们将通过大量的代码示例，演示如何解决常见的并发编程问题，如竞态条件（race condition）和死锁（deadlock）。 第六章： 进程间同步与通信进阶 在第一部分的基础上，本章将进一步深入探讨更高级的进程间同步与通信机制。我们将详细介绍 System V IPC（System V Inter-Process Communication）提供的消息队列、信号量和共享内存的详细用法，以及它们与 POSIX IPC 的异同。本章还将介绍更现代的 IPC 机制，例如文件锁（file locking）和内存映射文件（memory-mapped files），并分析它们在不同场景下的适用性。通过这些工具，读者将能够构建更复杂、更鲁棒的分布式系统和高性能应用程序。 第三部分： 网络编程 第七章： Unix 套接字编程 网络通信是现代 Unix 系统不可或缺的一部分。本章将重点介绍 Unix 套接字（Unix Domain Sockets）编程。我们将详细讲解套接字的基本概念，包括地址族、套接字类型和协议。重点将放在 Unix 流式套接字（SOCK_STREAM）和数据报套接字（SOCK_DGRAM）的创建、绑定、监听、连接、接收和发送数据。我们将通过实现一个简单的客户端-服务器模型，来演示如何在本地进程间进行高效可靠的通信。 第八章： TCP/IP 网络编程 本章将深入到 TCP/IP 协议栈的网络编程。我们将详细讲解 `socket()`、`bind()`、`listen()`、`accept()`、`connect()`、`send()`、`recv()` 等核心 API 的用法。我们将重点关注 TCP 的可靠性和面向连接的特性，以及如何处理 TCP 连接的建立、数据传输和断开。同时，我们将介绍 UDP 的无连接和不可靠特性，并分析其适用场景。本书将包含大量实用的网络编程示例，例如实现一个简单的 HTTP 服务器、客户端，以及各种网络工具的模拟。 第九章： Socket 选项与 I/O 模型 为了更灵活和高效地进行网络编程，理解和运用 Socket 选项至关重要。本章将深入讲解各种 Socket 选项，例如 `SO_REUSEADDR`、`SO_KEEPALIVE`、`SO_RCVTIMEO`、`SO_SNDTIMEO` 等，并解释它们的作用和影响。此外，本章还将重点介绍不同的 I/O 模型，包括阻塞 I/O、非阻塞 I/O、I/O 多路复用（`select`、`poll`、`epoll`）以及异步 I/O。我们将通过对比分析各种 I/O 模型的优缺点，帮助读者选择最适合特定应用场景的模型，从而提升程序的性能和响应能力。 第四部分： 系统资源与高级主题 第十章： 进程间同步与线程同步的深入探讨 在本章中，我们将对进程间和线程间的同步机制进行更深入的探讨。除了前面介绍的互斥锁、信号量和条件变量，我们还将介绍死锁的检测与避免策略，以及一些高级的同步原语，例如自旋锁（spinlock）和读写信号量（read-write semaphore）。我们将分析不同同步机制在性能和适用性上的差异，并提供一些实际应用中的最佳实践。 第十一章： 系统调用接口与库函数 理解系统调用（syscall）是掌握 Unix 系统编程的关键。本章将深入讲解系统调用接口，以及 C/C++ 标准库函数如何封装这些系统调用。我们将揭示一些常用的库函数背后所调用的系统调用，例如 `printf` 底层的 write 系统调用，`malloc` 底层的 `brk` 或 `sbrk` 系统调用。通过了解这些底层细节，读者能够更深刻地理解程序的执行过程，并能够编写出更高效、更优化的代码。 第十二章： 内存管理与进程地址空间 深入理解进程的地址空间以及内存管理机制对于编写高效的系统程序至关重要。本章将详细介绍进程的内存布局，包括代码段、数据段、BSS 段、堆（heap）和栈（stack）。我们将探讨 C++ 中的动态内存分配（new/delete）与底层内存分配函数（如 `malloc`/`free`）之间的关系，以及它们如何与操作系统进行交互。本章还将介绍内存映射（memory mapping）技术，以及如何使用 `mmap` 函数来管理内存，包括文件映射和匿名映射。 第十三章： 系统信息获取与性能调优 掌握如何获取系统信息以及对程序进行性能调优是系统工程师必备的技能。本章将介绍如何利用 `/proc` 文件系统来获取丰富的系统信息，例如 CPU 使用率、内存使用情况、进程状态等。我们将介绍一些常用的性能分析工具，例如 `gprof`、`perf`，以及如何利用它们来识别程序的性能瓶颈。同时，本章还将介绍一些系统级的性能调优技巧，帮助读者编写出更高效、更具竞争力的应用程序。 结论 Unix System Programming Using C++ 旨在为读者提供一个全面而深入的学习路径，帮助您从一个 C++ 开发者成长为一个能够驾驭 Unix 系统核心的编程专家。通过理论结合实践，本书将帮助您理解 Unix 操作系统的运作原理，并掌握利用 C++ 语言编写高效、稳定、可靠的系统级应用程序的各种技巧。我们相信，掌握了本书中的知识，您将能够胜任各种复杂的系统编程任务，并在不断发展的技术领域中脱颖而出。

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这本书的封面设计，坦白说，有点让人摸不着头脑，那种深沉的蓝色调配上略显过时的衬线字体，初看之下，我甚至怀疑自己是不是错拿了一本十年前的老古董。然而，一旦翻开内页，我立刻意识到，这封面只是个“视觉陷阱”。内容上，它并没有像市面上许多新晋的编程书那样，一股脑地堆砌最新的语言特性和框架，而是选择了更扎实、更基础的切入点。作者似乎对现代C++的发展历程有着深刻的理解，他花了大量的篇幅来阐述标准库中那些被我们日常开发时常常忽略的底层机制。比如，对于内存模型的深入剖析，即便是经验丰富的开发者，也能从中挖掘出新的理解。书中对`std::thread`和原子操作的讲解，清晰到近乎苛刻，让我重新审视了自己在并发编程中那些“大概知道”的模糊概念。这种对“为什么”而不是仅仅“怎么做”的执着探索，使得整本书的知识密度极高，需要读者保持高度的专注力，但回报绝对是值得的，它构建了一个极其坚固的知识基座，而非漂浮在表面的API调用指南。

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与其他专注于特定领域（如图形学或机器学习）的C++书籍不同，这本书的视角是宏观而统一的，它将操作系统视为一个庞大的、相互协作的软件系统来对待。作者在介绍多线程和同步机制时，并没有仅仅罗列互斥锁和条件变量的语法，而是花了相当大的篇幅去讨论“死锁的形态学”和“活锁的避免策略”，这涉及到了复杂的调度算法和时序依赖分析。更让我印象深刻的是，书中穿插了许多关于历史性错误的案例分析，比如早年Solaris或FreeBSD内核中出现的某个竞态条件被如何捕获并修复的过程。这种“历史教训”的引入，使得抽象的并发概念变得具体而鲜活，它教会你如何像一个经验丰富的系统架构师一样去思考并发问题的本质，而不是仅仅停留在解决眼前这个Bug的层面。

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这本书的排版和图示设计，可以说是“功能至上，美观靠后”。它充斥着大量的流程图和状态转换图，这些图示的绘制风格非常朴素，更像是作者在白板上亲自勾勒出来的草稿，而非经过专业美工修饰的成品。然而，正是这种“粗糙”，反而体现了其内容的纯粹性。在讲解网络编程（特别是TCP/IP套接字部分）时，如果没有这些密集的图示来描绘三次握手、四次挥手以及数据流的阻塞与非阻塞状态，纯文字描述将会变得晦涩难懂。书中对于错误处理的强调，也远远超出了常规的范畴，它不仅关注返回码，更深入探讨了错误传播的路径和如何利用异常安全机制来保证系统调用的健壮性。对于那些追求代码健壮性和长期维护性的项目而言，书中关于资源清理和上下文切换的讨论，简直就是一本实战手册，而非理论探讨。

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我购买这本书的初衷，其实是想快速掌握一些关于系统调用的现代C++封装技巧，期待能找到一些优雅地处理文件I/O和进程间通信（IPC）的“捷径”。结果，我发现这本书的作者压根不屑于提供什么“捷径”。他采取了一种近乎“考古学家”的严谨态度，先将我们带回C语言时代的POSIX API层面，用最原始的`fork`、`pipe`和`mmap`来展示操作系统的核心功能是如何运作的。然后，他才极其审慎地，一步一步地展示如何用C++的特性，比如面向对象的设计思想和RAII原则，来“包装”和“提炼”这些底层的C接口。这种“先破后立”的教学方式，虽然在阅读初期显得略微缓慢，但它极大地增强了我们对这些系统编程范式的理解深度。读完关于信号处理的那几章后，我感觉自己不再仅仅是一个调用库函数的程序员，而更像是一个能够直接与内核“对话”的工程师，对异常和中断的机制有了全新的敬畏之心。

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我不得不承认，这本书的门槛确实不低。它假设读者已经对C++有着扎实的面向对象基础，并且对计算机体系结构有基本的了解，否则，大量的术语和对底层硬件交互的描述，可能会让初学者望而却步。它更像是一本进阶的“内功心法”，而不是快速上手的“招式套路”。例如，在涉及动态内存分配器（如`malloc`的实现原理）的那几章，作者深入到了堆内存的管理和碎片化问题，并且展示了如何利用C++的特性去定制高效的内存池。这种对性能瓶颈的深挖，要求读者具备极强的抽象思维能力和耐心。总的来说，这本书与其说是一本编程指南，不如说是一本培养系统级思维的训练教材，它锤炼的是读者的底层逻辑能力，而非仅仅是API熟练度。

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