Advanced Concepts In Operating Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:Mukesh Singhal

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1994-01-01

价格:0

装帧:Hardcover

isbn号码:9780070575721

丛书系列:

图书标签:

• 操作系统
• 高级概念
• 计算机科学
• 操作系统原理
• 并发
• 并行
• 内存管理
• 文件系统
• 进程管理
• 虚拟化
• 分布式系统

深度探索：现代计算系统的核心机制与前沿挑战 本书聚焦于操作系统领域中那些决定现代计算系统性能、安全与可靠性的深层原理与实践，为读者提供一个超越基础知识的、面向前沿研究与工业应用的全面视角。 在当前这个由多核并行、海量数据和复杂网络驱动的计算时代，理解操作系统的内部工作机制已不再是理论上的探索，而是构建高效、安全、可扩展软件系统的基石。本书旨在弥合操作系统理论与当前高性能、高并发计算实践之间的鸿沟，深入剖析那些驱动现代计算机体系结构高效运行的复杂算法、数据结构和设计哲学。 第一部分：并发与同步的精细控制 本部分将系统地梳理并发控制的理论基础，并将其应用于现代多核处理器和分布式环境下的实际挑战。 1.1 细粒度同步原语的演进与性能优化 我们首先回顾传统的锁机制（如互斥锁、信号量）的局限性，随后深入探讨无锁（Lock-Free）和无等待（Wait-Free）数据结构的构建原理。重点分析基于CAS（Compare-and-Swap）等原子操作的算法，如Michael & Scott的队列、Hazard Pointers在内存管理中的应用，以及RCU（Read-Copy-Update）机制在Linux内核中的高效读写并发策略。此外，还将探讨硬件层面对同步的支持，如内存屏障（Memory Barriers）的精确语义及其对编译器优化的影响，确保代码在不同内存模型下的一致性。 1.2 事务性内存（Transactional Memory, TM）的理论与实践 事务性内存被视为未来并发编程的理想范式。本书将详细介绍硬件事务性内存（HTM）和软件事务性内存（STM）的设计哲学。我们将剖析STM中事务的隔离级别、冲突检测算法（如版本戳、时间戳机制），以及如何处理嵌套事务和系统调用退出现象。对于HTM，我们将探讨Intel TSX等架构的实现细节、性能瓶颈（如回滚开销），以及在操作系统层面如何调度和管理事务性代码块，以实现更高效的并行执行。 第二部分：内存管理的再思考：超越虚拟化 现代系统对内存的要求不再是简单的地址转换，而是需要支持异构内存、持久化存储以及大规模共享。 2.1 复杂页表结构与TLB优化 本书超越了标准的页表遍历，深入研究了针对特定工作负载优化的页表设计。我们考察了分层页表、稀疏页表在处理超大地址空间时的效率，并着重分析了TLB（Translation Lookaside Buffer）的缺失处理机制。内容包括TLB的逐级结构、软件TLB管理（如在KVM/Hypervisor中的应用），以及如何通过预取和硬件特性降低缺页中断的频率和延迟。 2.2 持久化内存（PMem）与操作系统接口 随着NVDIMM等技术的成熟，内存与存储的界限日益模糊。本章详细探讨操作系统如何管理持久化内存。内容包括：PMem的访问模式（加载/存储vs. 文件I/O）、DAX（Direct Access）机制的工作原理、以及操作系统如何提供内存一致性保证（如Flush和Fence操作）来确保数据在系统崩溃后仍能保持完整性。我们将对比DRAM缓存与PMem缓存策略，并讨论如何设计新的垃圾回收和内存分配器来充分利用PMem的特性。 2.3 异构内存管理与NUMA优化 在拥有多个CPU插座和不同速度内存的NUMA（Non-Uniform Memory Access）架构中，内存放置策略至关重要。本书分析了NUMA感知型的内存分配器，如First-Touch策略的局限性，并深入研究了更高级的内存迁移算法（如Active Memory Balancing）。同时，探讨了GPU、FPGA等加速器内存池与主系统内存的统一视图管理，以及操作系统内核如何在这些异构资源之间进行高效的上下文切换和数据共享。 第三部分：调度理论的深化与新型工作负载适应 传统的时分共享（Time-Sharing）调度器在应对实时系统、高吞吐量微服务和机器学习训练等新负载时面临巨大挑战。 3.1 实时与硬截止时间调度算法 本部分详细分析了嵌入式和控制系统中的严格实时调度需求。除了经典的Rate Monotonic (RM) 和 Earliest Deadline First (EDF) 算法，本书将深入探讨其在多处理器环境下的扩展，如Global EDF与Partitioned EDF的性能对比，以及如何通过资源预留和周期性任务调度确保最坏情况执行时间（WCET）的可预测性。 3.2 混合工作负载调度与公平性保证 现代服务器上常运行着延迟敏感型服务（如Web服务器）和吞吐量敏感型任务（如批处理）。我们将研究如何设计混合调度器，平衡不同任务集的需求。这包括分析虚拟时间（Virtual Time）概念在CFS（Completely Fair Scheduler）中的应用，并探讨如何利用调度域（Scheduling Domains）和能效感知调度（Energy-Aware Scheduling）来动态调整CPU频率和时间片分配。 3.3 I/O子系统的性能瓶颈与消除 I/O延迟是现代应用性能的终极瓶颈。本书将深入研究块设备I/O栈的优化。内容包括：I/O合并、排序算法在合并队列中的应用，以及现代异步I/O模型（如io_uring）的设计原理。我们将分析如何通过用户态I/O（如SPDK）绕过内核协议栈，并探讨NVMe协议如何通过并行命令队列和更少的上下文切换来极大地提升吞吐量和降低延迟。 第四部分：系统安全与隔离机制的前沿 在虚拟化和容器化环境中，确保安全隔离和资源垄断是操作系统的核心职责。 4.1 硬件辅助虚拟化的高级技术 本书将超越KVM/Xen的基础架构介绍，重点关注性能优化。我们将研究影子页表（Shadow Page Tables）的开销分析、VM Exit/Entry的微观优化技术，以及如何利用SR-IOV等技术实现低延迟的设备直通。对于Nested Virtualization场景，我们将分析其带来的额外开销和解决方案。 4.2 容器与轻量级隔离技术 容器技术（如Docker, cgroups）依赖于内核隔离特性。本章将详细剖析cgroups v2的设计哲学，特别是其资源控制模型如何实现精确的CPU、内存和I/O限制。此外，我们将深入探讨Linux命名空间（Namespaces）的安全边界，并探讨如何使用如`seccomp`和eBPF等技术来限制进程的系统调用权限，构建更强的沙箱环境。 4.3 可信执行环境（TEE）与操作系统协同 可信计算是下一代安全操作系统的关键。我们将研究Intel SGX和AMD SEV等技术，分析它们如何创建隔离的执行飞地（Enclave）。本书的重点在于操作系统如何安全地加载、管理和与这些受保护的内存区域进行通信，确保敏感数据在处理器内部得到保护，即使操作系统内核本身被攻陷。 本书面向对象： 本书适合于对操作系统有扎实基础知识的研究生、系统架构师、高性能计算工程师以及希望深入理解现代系统内核工作原理的资深软件开发者。阅读本书要求读者熟悉C语言、计算机体系结构基础，并对并发编程有一定的实践经验。通过对这些“高级概念”的系统性学习，读者将有能力设计和实现下一代高可靠、高效率的计算系统软件。

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拿到这本厚重的著作时，我的第一感觉是它并非那种供人茶余饭后的轻松读物，而更像是一份严谨的工程蓝图。我之前接触过一些号称“进阶”的操作系统书籍，但读完后总感觉像是看了很多漂亮的PPT，核心的算法细节和底层的硬件交互仍然是一团迷雾。这本书的独特之处在于它似乎非常注重“为什么”和“如何”——不仅仅是描述一个机制存在，而是深入探讨了设计这个机制背后的历史背景、性能考量以及不同技术路线之间的取舍。例如，它对虚拟化技术在操作系统层面的实现细节，特别是硬件辅助虚拟化和软件模拟之间的性能差异，进行了非常详尽的阐述。我记得其中有一章专门讨论了垃圾回收（Garbage Collection）机制在操作系统环境下的影响，这在传统教科书中是很少被如此深入讨论的，因为GC通常被视为应用层或运行时环境的问题。然而，这本书却将其提升到了系统资源管理的高度，探讨了它对缓存污染和上下文切换的影响。这种跨越边界的讨论，显示了作者具备非常宏观且深入的系统视野。它要求读者具备一定的汇编语言基础和对计算机体系结构的了解，否则阅读起来会有些吃力，但这恰恰证明了它对“高级概念”这一承诺的兑现。

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这本书，坦率地说，我是在一个非常偶然的机会下接触到的，当时我正在为我的研究生课程寻找一本能让我真正深入理解操作系统底层机制的参考书。市面上大多数教科书，坦白讲，都停留在概念介绍和基础架构的层面，对于那些真正想弄明白内核调度算法的精妙之处、内存管理单元是如何与硬件紧密协作的“硬核”读者来说，往往显得有些意犹未尽。我期望找到的是那种能把我从“知道”操作系统如何工作，提升到“理解并能够设计”的层次的书籍。当我翻开这本书的目录时，首先映入眼帘的是那些扎实的章节标题，它们没有使用那些过于花哨的营销术语，而是直接点明了核心技术——比如对现代多核处理器并发控制的深度剖析，以及在分布式文件系统层面如何确保数据一致性的复杂权衡。这种直截了当的风格立刻抓住了我的注意力，因为它暗示了作者的重点在于技术深度而非表面功夫。我尤其期待它对实时操作系统（RTOS）与通用操作系统（如Linux或Windows）在调度策略和中断处理上的系统性对比分析，因为这往往是理解系统性能瓶颈的关键所在。这本书的排版清晰，图表丰富，但更重要的是，它似乎没有回避那些公认的、难以理解的复杂主题，反而将其视为阐述理论基础的绝佳机会，这对于一个渴望挑战自我的学习者来说，无疑是一剂强心针。我希望它能真正教会我如何像内核开发者那样思考问题，而不是仅仅停留在用户态程序的视角。

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说实话，我购买这本书的主要动机是想突破我对传统UNIX风格内核的固有认知。我工作环境中大量使用嵌入式系统和高度定制化的微内核架构，而市面上流行的教材大多基于宏内核模型，对于如何构建一个更安全、更模块化、更易于验证的操作系统内核知之甚少。这本书似乎洞察到了这一点，它在描述经典算法的同时，也花了大量篇幅去介绍面向对象操作系统（如Mach）的理念，以及微内核设计中进程间通信（IPC）的效率优化问题。我最感兴趣的是它对安全模型的讨论——不是停留在访问控制列表（ACL）的表面，而是深入到可信计算基（TCB）的最小化设计原则，以及如何在硬件层面强制执行隔离策略。这些内容对于构建高可靠性系统至关重要。书中的案例分析部分非常出色，它们不是凭空捏造的理论模型，而是基于真实世界中出现的性能瓶颈和安全漏洞反向工程得出的教训。这种“从失败中学习”的叙事方式，比纯粹的理论推导更有说服力，让我能更深刻地理解设计决策的沉重代价。

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在阅读过程中，我发现这本书的行文风格极其严谨，几乎没有一处闲笔，读起来需要极高的专注度。它更像是一份技术规范文档，而不是一本导读手册。特别是在处理I/O子系统和网络协议栈集成方面，作者几乎是逐字逐句地在剖析中断处理链、DMA（直接内存访问）的设置过程以及数据包在内核缓冲区中的生命周期。我特别欣赏它在阐述现代存储技术（如NVMe协议栈对操作系统I/O路径的影响）时所展现的及时性。很多老旧的教材在这方面已经严重滞后，而这本书似乎紧跟最新的硬件发展趋势，将新的存储范式如何挑战传统的缓存一致性模型进行了深入探讨。这种与时俱进的特性，对于我们这些需要维护或设计面向未来硬件系统的工程师来说，是不可替代的价值。如果有人期望这本书能用简单的比喻或生动的例子来解释复杂的概念，他们可能会感到失望。它要求读者带着问题意识去啃读，并准备好随时查阅相关的硬件手册或标准草案。

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这本书在我书架上已经躺了有一段时间了，我断断续续地攻克着其中的章节。它最让我感到震撼的，是它对分布式系统中的一致性模型是如何渗透到单机操作系统内核设计中的理解。例如，在讨论内存一致性模型（如x86 TSO或ARM的弱序一致性）时，作者并没有止步于解释硬件层面的屏障（Fences）的使用，而是详细论证了操作系统如何利用这些屏障来构建健壮的锁原语和原子操作，以保证用户态程序的正确性。这种自下而上的系统性构建视角，极大地拓宽了我对“操作系统范围”的认知边界。它不再仅仅是进程、内存和文件，而是如何通过精巧的软件设计来驾驭底层硬件的微妙特性，并将其封装成一个可靠、高性能的抽象。我感觉我读完的不是一本关于操作系统的书，而是一本关于如何进行复杂系统工程决策的宝典。它无疑是一本能让资深工程师重新审视自己知识体系，并能为初学者指明一条真正深入技术内核的崎岖路径的著作。

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操作系统和分布式系统概念中的经典之作

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