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出版者:Houghton Mifflin College Div

作者:William H. Ford

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1992-1

价格:USD 90.67

装帧:Paperback

isbn号码:9780669334821

丛书系列:

图书标签:

• 汇编语言
• M6800
• Mac汇编
• 68000
• 计算机科学
• 编程
• 技术
• 电子工程
• 微处理器
• 系统编程

深入解析现代操作系统内核与驱动设计：构建下一代计算基石 本书聚焦于现代操作系统（如Linux、Windows NT内核架构）的核心机制、内存管理、进程调度、文件系统设计以及底层硬件交互，为系统级程序员、内核开发者和资深计算机科学爱好者提供一套全面而深入的理论与实践指南。 第一部分：操作系统核心架构与启动过程 本部分将彻底解构操作系统的基本结构，从最底层的引导程序（Bootloader）到用户态应用之间的桥梁搭建过程。 第一章：从裸机到内核的旅程 硬件初始化与BIOS/UEFI： 详细阐述系统启动时固件（Firmware）所扮演的角色，包括POST（Power-On Self-Test）、中断向量表的初始化，以及控制权如何从固件平滑过渡到引导加载程序。 引导加载程序（Bootloader）的职责： 深入分析GRUB/Syslinux等主流引导程序的加载流程、内核映像的定位与解压，以及如何建立初步的内存映射（Memory Map）。 内核入口与阶段性初始化： 探讨内核启动序列中的早期C代码环境建立，包括页表的初次设置、堆栈的建立，以及CPU特权级的提升过程。 第二章：内核态与用户态的边界 保护模式与分页机制： 深入讲解x86/x64架构中的保护模式（Protected Mode）如何实现内存隔离。重点剖析虚拟内存（Virtual Memory）的设计哲学，包括多级页表（如四级页表）的结构、TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理及其对性能的影响。 系统调用（System Calls）机制： 详细描述用户程序如何通过系统调用请求内核服务。分析x86架构中执行系统调用的具体指令（如`syscall`/`sysenter`），中断描述符表（IDT）的配置，以及上下文切换的完整流程。 异常与陷阱处理： 阐述硬件异常（如除零、缺页错误）和软件陷阱在内核中的捕获、处理和恢复机制，确保系统在高负荷或错误状态下仍能保持稳定。 第二部分：资源管理：进程、线程与调度 本部分着重于操作系统如何高效地管理计算资源，确保多个并发任务的公平与高效执行。 第三章：进程与线程的抽象 进程控制块（PCB）的剖析： 深入研究PCB的结构，其中包含的寄存器状态、内存管理信息、打开的文件描述符表等关键数据。对比不同操作系统中进程和线程的实现差异。 上下文切换的艺术： 详细剖析一次完整的上下文切换（Context Switch）所需的步骤，包括保存/恢复用户态寄存器、切换页表基址、更新调度器状态等，并讨论上下文切换的性能开销。 内核线程与用户线程模型： 比较M:N、1:1和1:1线程模型，分析它们在可伸缩性、同步开销和用户体验上的优劣。 第四章：高级调度算法与实现 时间片轮转与优先级继承： 探讨传统调度算法（如FCFS, RR）在现代系统中的演变。重点解析Linux中的CFS（Completely Fair Scheduler）设计理念，包括虚拟运行时（vruntime）的计算和红黑树结构的应用。 实时调度策略： 介绍硬实时（Hard Real-Time）和软实时（Soft Real-Time）系统的调度需求，分析RMS（Rate Monotonic Scheduling）和EDF（Earliest Deadline First）算法的应用场景和局限性。 负载均衡与多核管理： 探讨SMP（Symmetric Multi-Processing）环境下，调度器如何实现任务在多个CPU核之间的负载均衡，以及缓存亲和性（Cache Affinity）的优化策略。 第三部分：内存子系统的精细控制 本部分深入操作系统的核心——虚拟内存管理器（VMM），探讨如何抽象硬件内存，提供隔离和优化。 第五章：内核内存分配器 伙伴系统（Buddy System）： 详细讲解伙伴算法如何管理物理页帧（Page Frames），实现快速的内存合并与分割。分析其内部碎片（Internal Fragmentation）的特性。 slab/slub/slob 分配器： 剖析内核对象缓存（Object Caching）机制，如何高效分配小对象（如inode、task_struct），减少外部碎片，并提高缓存命中率。 内存池与预留内存： 讨论系统启动过程中和关键操作中对内存的特殊需求，以及内核如何预留和保护特定内存区域。 第六章：虚拟地址空间管理与内存映射 VMA（Virtual Memory Area）： 描述内核如何组织进程的虚拟地址空间，以及VMA结构体的作用。 缺页（Page Fault）处理流程： 全面跟踪一次缺页异常的生命周期，从硬件触发到内核响应，包括错误码分析、查找页表项、分配物理页、更新页表，直到进程恢复执行。 内存映射（mmap）机制： 深入分析文件映射（File-backed Mapping）和匿名映射（Anonymous Mapping）的实现细节，特别是共享内存（Shared Memory）和私有复制（Copy-on-Write, CoW）机制在性能优化中的作用。 第四部分：文件系统与I/O子系统 本部分关注数据持久化和外部设备交互，揭示现代文件系统的复杂设计。 第七章：通用块设备层与I/O调度 块设备抽象： 介绍块设备驱动模型，如请求队列（Request Queue）和I/O调度器在通用块层中的作用。 I/O调度器的演进： 详细分析CFQ、Deadline、NOOP以及现代系统更倾向的BFQ（Budget Fair Queueing）或mq-deadline调度策略，探讨它们如何平衡延迟和吞吐量。 DMA与中断驱动I/O： 解释直接内存访问（DMA）如何绕过CPU进行数据传输，以及中断处理程序（ISR）在完成数据传输后的角色。 第八章：高性能日志文件系统（如Ext4/XFS/NTFS） 元数据管理： 深入分析inode结构、数据块的寻址方式以及目录结构的组织。 日志（Journaling）机制： 详细解释写前日志（Write-Ahead Logging）如何保证文件系统在崩溃后的一致性，包括数据写入顺序和事务提交过程。 数据完整性与校验： 探讨现代文件系统如何利用校验和（Checksumming）机制来检测和修复数据损坏。 第五部分：同步、锁与并发控制 本部分聚焦于并发编程中最棘手的问题——如何安全地共享数据。 第九章：同步原语的底层实现 自旋锁（Spinlocks）与互斥锁（Mutexes）： 阐述二者的区别、适用场景，以及如何利用CPU的原子指令（如CAS、XCHG）来实现高效的无锁（Lock-Free）或无等待（Wait-Free）同步结构。 信号量与屏障（Barriers）： 分析信号量在资源计数和进程间同步中的应用。探讨内存屏障（Memory Barrier）指令在乱序执行（Out-of-Order Execution）处理器上的关键作用，确保指令的可见性。 死锁的检测与预防： 讨论资源分配图、银行家算法等理论模型，以及内核中如何实现锁的层次结构（Lock Ordering）来避免死锁。 第十章：虚拟化层下的操作系统 Hypervisor简介： 概述Type-1（裸金属）和Type-2（宿主）Hypervisor的架构差异。 影子页表与EPT/RVI： 深入分析硬件辅助虚拟化技术（Intel VT-x/AMD-V）如何最小化虚拟化开销，特别是扩展页表（EPT）在地址转换中的作用。 I/O 虚拟化： 探讨Para-virtualization（半虚拟化）与Direct I/O（如SR-IOV）在虚拟机与外部设备通信中的性能权衡。 附录：系统编程接口与调试工具 常用内核调试技术（如KGDB, kprobe）。 进程间通信（IPC）机制的底层实现（管道、消息队列、共享内存）。 本书旨在为读者构建一个从硬件指令集到复杂系统服务全景式的理解，是致力于操作系统深度开发人员的必备参考手册。

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