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出版者:

作者:McGrath, Mike

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:2007-7

价格:$ 16.94

装帧:

isbn号码:9781840783377

丛书系列:

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《深入理解现代操作系统：从内核到用户空间的架构设计与实践》 本书聚焦于现代操作系统的核心机制、设计哲学以及在多核、分布式环境下的性能优化与安全加固。它不仅仅是一本理论介绍，更是一份详尽的工程实践指南，旨在为系统程序员、高级开发人员以及计算机科学研究人员提供一个全面、深入且实用的知识框架。 第一部分：操作系统基础与架构演进 本部分将追溯操作系统的起源与发展脉络，重点分析主流内核（如Linux、BSD、Windows NT）在设计哲学上的异同，并深入剖析现代操作系统的分层结构。 第一章：操作系统的演进与核心使命 批处理到多任务的飞跃： 探讨中断驱动、时间片轮转等机制如何首次实现了资源共享与并发执行。 保护与隔离的需求： 详细解析硬件支持的特权级（Rings）和内存保护单元（如MMU的早期形态）如何保障内核的稳定性和用户程序的安全性。 现代操作系统的核心目标： 抽象化硬件、管理资源（CPU、内存、I/O）以及提供稳定可靠的执行环境。 第二章：进程与线程的管理：并发的基石 本章深入探讨进程的生命周期、上下文切换的开销与优化，并对线程模型进行系统性梳理。 进程地址空间布局的剖析： 从代码段、数据段、堆栈到内核空间映射，详述虚拟内存如何为每个进程构建隔离的执行环境。 上下文切换的微观分析： 深入寄存器组的保存与恢复、TLB失效的处理，以及如何通过硬件缓存感知（Cache Awareness）来最小化切换延迟。 用户级线程与内核级线程的权衡： 分析M:N模型、1:1模型在不同应用场景下的性能表现，以及协程（Fibers/Go Routines）的实现原理与优势。 第三章：进程间通信（IPC）与同步原语 可靠的协作是多任务系统的关键。本章专注于高效且安全的通信机制。 经典同步工具的深度解析： 信号量、互斥锁（Mutexes）、读写锁（RWLocks）的内核实现细节，包括自旋锁与休眠锁的选择标准。 现代高效IPC机制： 深入Pipe、消息队列、共享内存（SHM）的内核数据结构。特别关注基于内存映射（mmap）的零拷贝（Zero-Copy）通信技术在高性能场景下的应用。 无锁（Lock-Free）与并发数据结构： 探讨基于CAS（Compare-and-Swap）操作的原子操作在构建高性能、无阻塞数据结构中的应用，以及由此带来的ABA问题与解决方案。 第二部分：内存管理：虚拟化与性能的平衡 本部分是操作系统的核心难点，着重于虚拟内存系统的设计、分页机制的硬件实现以及内存分配策略的优化。 第四章：虚拟内存系统的核心机制 分页（Paging）的层次结构： 详述二级、三级乃至四级页表的组织方式，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理和缓存失效（TLB Shootdown）的处理。 缺页中断（Page Fault）的处理流程： 从硬件捕获到内核调度，包括映射创建、文件页加载、写时复制（Copy-on-Write, COW）的完整流程。 内存映射（mmap）的灵活应用： 分析mmap如何用于文件I/O、动态链接库加载以及私有内存分配的统一接口。 第五章：内核内存分配器（Slab/Buddy System） 本书将详细解构Linux内核中两大核心分配器的内部运作。 伙伴系统（Buddy System）： 解释其如何通过2的幂次分配块来解决外部碎片问题，并分析其在内存回收时的合并策略。 Slab/SLUB/SLOB 分配器： 深入研究它们如何解决小对象分配的内部碎片问题，跟踪缓存（Cache）的创建、对象的着色（Coloring）以及对象生命周期的管理。 内存碎片化分析与缓解： 讨论内核中存在的内部碎片和外部碎片，以及内核采取的紧凑（Compaction）算法和透明巨页（THP）技术。 第三部分：调度器与 I/O 子系统 本部分关注CPU时间的分配艺术和数据如何高效地在系统与外部设备之间流动。 第六章：现代CPU调度策略与实现 从O(1)到CFS（Completely Fair Scheduler）： 详尽对比不同调度算法的公平性度量标准（如vruntime），并分析CFS如何通过红黑树实现高效的调度决策。 实时调度与优先级继承： 探讨SCHED_FIFO和SCHED_RR的抢占机制，以及优先级反转问题和优先级继承协议的实现。 多核与NUMA环境下的调度： 分析负载均衡（Load Balancing）的必要性，以及如何在非一致性内存访问（NUMA）架构下进行CPU亲和性（Affinity）的优化，避免跨域访问延迟。 第七章：块设备I/O与文件系统抽象 本章从I/O堆栈的底层开始，向上构建完整的文件系统视角。 I/O请求的生命周期： 深入Linux I/O栈，解析I/O调度器（如Deadline, CFQ, MQ）如何对请求队列进行排序和合并，以优化磁盘寻道。 缓存与缓冲区： 剖析页缓存（Page Cache）在加速文件访问中的作用，以及脏页的写回策略（Writeback）。 现代文件系统结构解析： 以Ext4和Btrfs为例，讲解元数据管理（如inode、超级块）、日志（Journaling）机制在保证数据一致性中的作用，以及CoW文件系统的优势。 第四部分：系统安全、虚拟化与网络 最后一部分将视角拓展到操作系统如何应对现代计算环境中的安全挑战和虚拟化需求。 第八章：系统安全加固与访问控制 强制访问控制（MAC）模型： 深度解析SELinux/AppArmor的工作原理，如何通过安全上下文和策略规则限制程序行为。 内核漏洞缓解技术： 探讨KASLR（内核地址空间布局随机化）、栈保护（Stack Canary）、以及数据执行保护（NX Bit）在阻止常见攻击中的作用。 权限提升的机制与防御： 分析SUID/SGID位的执行流程，以及内核模块加载、系统调用劫持（Syscall Hooking）的潜在风险点。 第九章：操作系统与虚拟化技术 全虚拟化与半虚拟化的比较： 解释硬件辅助虚拟化（Intel VT-x/AMD-V）如何实现高效的内存和I/O拦截。 操作系统对容器化的支持： 详细阐述命名空间（Namespaces）和控制组（cgroups）是如何从内核层面实现资源隔离和限制，为Docker等技术提供基础。 Hypervisor的内存管理： 分析影子页表（Shadow Paging）与EPT/NPT技术在提升客户机内存性能上的区别。 第十章：网络协议栈的内核实现 Socket编程的内核路径： 追踪数据包从用户空间调用`sendto()`到网络接口发送出去的完整流程。 TCP/IP协议栈的结构： 重点分析连接状态管理（如TIME_WAIT）、拥塞控制算法（如CUBIC）在内核中的实现与参数调优。 高性能网络I/O框架： 介绍中断合并（Interrupt Coalescing）以及用户态网络（如DPDK）的基本概念，展示系统编程如何突破传统内核I/O的瓶颈。 本书适合具有扎实C语言基础和初步了解汇编语言的读者。通过阅读本书，读者将能够不仅“使用”操作系统，更能“理解”其决策背后的工程权衡与设计哲学。

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