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出版者:中国水利水电出版社

作者:旷海兰

出品人:

页数:246

译者:

出版时间:2004-1

价格:24.00元

装帧:

isbn号码:9787508417264

丛书系列:

图书标签:

• 计算机组成原理
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《现代操作系统原理与实践》图书简介 内容提要 本书旨在系统深入地探讨现代操作系统的核心原理、关键技术及其在真实世界中的应用实践。内容涵盖从基础的进程/线程管理、内存管理、文件系统，到高级的并发控制、I/O 子系统、虚拟化技术以及现代分布式系统的基础架构。本书不仅侧重于理论的严谨性，更强调动手实践和工程实现，力图构建理论与实践紧密结合的学习路径。 第一部分：操作系统基础与架构 第一章：操作系统的基本概念与演进 本章首先界定操作系统的核心功能与目标，探讨操作系统的发展历程，从批处理系统到分时系统、实时系统，直至现代多核环境下的通用操作系统。详细阐述了操作系统的结构层次，包括内核态与用户态的隔离机制、系统调用接口的设计哲学，以及操作系统与硬件的交互方式。重点剖析了中断和异常处理机制，这是实现系统高效控制流切换的基础。 第二章：进程与线程管理 深入剖析进程（Process）的概念，包括其上下文（Context）的组成、生命周期管理以及进程控制块（PCB）的数据结构。本章详述了进程创建、撤销和切换的底层机制，特别是上下文切换的性能开销分析。随后，引入线程（Thread）的概念，对比进程与线程在资源共享和并发粒度上的差异。重点讲解了用户级线程与内核级线程的实现模型，并分析了多线程编程中的挑战与优势。 第三章：中央处理器调度 本章专注于 CPU 调度算法的理论与实现。详细介绍了调度目标（如最大吞吐量、最小响应时间、公平性），并对经典的调度策略进行了深入分析，包括先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、时间片轮转（Round Robin）及其在不同操作系统中的变种。针对多处理器环境，探讨了对称多处理（SMP）下的调度策略，如负载均衡（Load Balancing）和处理器亲和性（Affinity）。 第二部分：内存管理深度解析 第四章：内存地址空间与保护 本章奠定了内存管理的基础。清晰区分了逻辑地址、线性地址和物理地址的概念。详细解释了内存保护机制的必要性，包括边界寄存器和分段机制的局限性。重点阐述了分段与分页的混合使用模式，及其在现代架构中如何协同工作以提供高效的隔离和访问控制。 第五章：分页机制与虚拟内存 深入探讨分页机制的工作原理，包括页表结构（单级、多级页表）、地址转换过程（TLB 的作用与优化）。本章的核心在于虚拟内存（Virtual Memory）的设计哲学，阐述了它如何通过提供远超物理内存容量的地址空间，极大地简化了程序设计并增强了多任务处理能力。详细分析了缺页中断（Page Fault）的处理流程，以及操作系统如何高效地响应和恢复。 第六章：页面置换算法与实现 本章侧重于虚拟内存的性能关键点——页面置换。系统性地介绍了各种经典的页面置换算法，如最佳（OPT）、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）及其近似算法（如时钟算法）。同时，探讨了工作集模型和 Belady 现象，并分析了 Thrashing（抖动）的成因、检测与预防措施，确保系统在内存压力下仍能保持合理的性能。 第三部分：并发控制与同步 第七章：并发控制的基本问题 本章从理论层面剖析并发执行带来的挑战，如竞争条件（Race Condition）和死锁（Deadlock）。清晰定义了“临界区”（Critical Section）的概念，并阐述了实现互斥（Mutual Exclusion）的基本要求。 第八章：同步机制：从原语到高级结构 本章详细介绍了实现进程间同步与互斥的各种工具和机制。首先讲解了硬件支持的原子操作（如 Test-and-Set, Compare-and-Swap）。随后，深入分析了操作系统提供的同步原语，包括信号量（Semaphores，包括二值和计数信号量）、管程（Monitors）的结构与优势。通过经典同步问题（如生产者-消费者、哲学家就餐问题）的实例，展示这些工具的应用。 第九章：死锁的检测与预防 系统分析了死锁的四个必要条件（互斥、占有并等待、不可抢占、循环等待）。本章重点介绍了死锁的处理策略，包括预防（如资源有序分配）、避免（如银行家算法的严格条件与实践适用性），以及死锁的检测与恢复流程。 第四部分：文件系统与存储管理 第十章：文件系统概念与实现 本章全面阐述了文件系统的组织结构。定义了文件、目录、路径的概念，并讨论了文件访问方法（顺序、直接、索引）。重点解析了文件系统的逻辑结构和物理结构，包括 i 节点（inode）的设计、数据块的组织方式，以及目录结构的遍历算法。 第十一章：磁盘管理与 I/O 子系统 本章关注持久化存储的效率。分析了机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）的物理特性差异及其对操作系统设计的影响。详细介绍了磁盘调度算法，如 FCFS、SSTF、SCAN（电梯算法）及其在现代系统中的应用。同时，讨论了缓冲区管理（Buffering）和缓存（Caching）在 I/O 路径中的作用。 第十二章：文件系统的持久性与完整性 本章探讨数据安全与一致性。深入讲解了日志文件系统（Journaling File Systems）的工作原理，如何通过日志记录操作的原子性来保证崩溃恢复能力。还讨论了 RAID 技术的不同级别及其在提高容错性和性能方面的应用。 第五部分：高级主题与系统实践 第十三章：I/O 硬件接口与驱动程序 本章概述了操作系统与外部设备通信的层次结构，包括轮询、中断驱动 I/O 和直接内存访问（DMA）。重点分析了设备驱动程序的角色，以及操作系统如何通过标准化的接口（如字符设备、块设备）来抽象硬件差异。 第十四章：虚拟化技术与容器 本章聚焦于现代计算环境的关键技术。详细解释了硬件辅助虚拟化（如 Intel VT-x/AMD-V）的原理，以及全虚拟化、半虚拟化和操作系统级虚拟化（容器技术，如 Docker/LXC）之间的核心区别。分析了虚拟化带来的性能开销和隔离机制。 第十五章：安全与保护基础 本章介绍操作系统安全的基本模型。讨论了访问控制列表（ACLs）和基于角色的访问控制（RBAC）。阐述了操作系统的安全机制如何防止用户程序对内核和彼此的非法访问，包括对内存和文件系统的权限检查。 附录：性能分析与工具 附录部分提供了在 Linux/类 Unix 环境下进行性能分析和调试的实用指南，介绍如 `top`, `vmstat`, `iostat`, `strace` 等工具的使用方法，帮助读者将理论知识应用于实际的系统调优和故障排查中。 本书内容全面、逻辑严密，力求在理论深度与工程实践之间架起一座坚实的桥梁，是计算机科学专业学生、系统程序员以及系统架构师不可多得的参考资料。

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这本书带给我的体验，更像是一次对知识体系的“重构”。我之前学过一些高级语言的课程，对内存管理、指针操作有着模糊的直觉，但总觉得缺乏一个宏观的视角来看待这些现象的底层成因。读这本书的过程，就是不断将我已有的知识点“对号入座”的过程。比如，当我们讨论高级语言中的递归调用时，这本书会立马切换到栈帧的结构和函数调用的过程，明确告诉你参数是如何入栈、返回地址是如何存储的。这种由表及里的贯穿，极大地提升了我对计算机“全貌”的理解。尤其欣赏作者在阐述复杂硬件设计决策时的那种哲学思辨性。例如，在讲解控制单元的设计时，是采用硬布线逻辑还是微程序控制，作者不仅仅是罗列优缺点，而是从当时的硬件成本、指令集的复杂度和可维护性等多个维度进行了深度的剖析，让人不得不佩服设计者在权衡利弊时的智慧。当然，这本书的阅读门槛是不低的，它要求读者具备一定的数学基础和抽象思维能力。如果你期待的是一本轻松愉快的读物，那可能会失望。它需要你投入时间去啃，去反复揣摩那些关于时序逻辑和时钟周期的描述。但一旦你成功穿透了这些技术壁垒，你会发现自己看待任何关于计算机性能优化的讨论时，都有了一个全新的、更具穿透力的视角。

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这本书，说实话，我入手的时候是抱着非常高的期望的。毕竟，在计算机科学这个领域，“组成原理”绝对是地基中的地基，任何想深入了解计算机工作机制的人都绕不开它。拿到书后，我最直观的感受是它的排版和设计。整体风格偏向于学术严谨，但又不失现代感，图文并茂的部分处理得相当到位，尤其是一些涉及到总线结构、数据通路的示意图，比我之前看的某些教材要清晰得多，一下子就把那些原本抽象的概念具象化了。不过，我得说，对于完全的初学者来说，第一章和第二章的逻辑门、布尔代数部分，虽然重要，但感觉引入得稍微有点快了，有点像直接把你扔进深水区让你自己摸索浮力。我不得不找了一些线上的入门视频作为辅助，才能勉强跟上作者的思路。但一旦度过了这个最初的“门槛”，后面的章节，比如CPU的工作原理、指令集架构的介绍，简直是如沐春风。作者的叙述逻辑非常顺畅，层层递进，总能在我即将感到困惑的时候，恰到好处地抛出一个小例子或者类比，让人豁然开朗。特别是关于流水线技术那块的讲解，用一个工厂的装配线来比喻，简直是教科书级别的清晰。总的来说，这本书为我打下了一个坚实的理论基础，让我对计算机这个“黑箱子”内部的运作原理有了非常清晰的认知框架，虽然开篇略显陡峭，但后劲十足，绝对是值得细细品味的硬核读物。

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说实话，这本指导手册拿到手的时候，我内心是有点犯嘀咕的。市面上关于“计算机组成原理”的书籍多如牛毛，大部分都是理论的堆砌，读起来枯燥乏味，感觉像是直接把标准给翻译过来了。我真正需要的是那种能把我从理论的云端拉回到实际操作层面的“桥梁”。这本书在这一点上，处理得还算得体。它的优势明显在于“训练”二字。书中的习题设置很有意思，它不像有些参考书那样，只给出概念性的问答，而是大量的计算题和设计简答题。比如，涉及到浮点数运算溢出判断、Cache的地址映射方式选择、虚拟内存的页表转换过程模拟等等，这些都需要你动笔去算，去画图。我特别喜欢它对不同体系结构（比如CISC和RISC）的对比分析部分，作者没有简单地站队，而是客观地列举了各自的设计哲学和带来的性能权衡，这比单纯背诵定义要深刻得多。唯一的遗憾可能在于，它虽然提供了很多计算练习，但对于那些需要用到特定EDA工具或者汇编语言模拟器的实践环节，着墨不多。我希望它能在附录中给出更多关于如何利用现代工具来验证这些原理的指引。但这可能也是定位的限制吧，毕竟它主要侧重于原理的理解和思维的训练，而非工程实践的全部覆盖。总而言之，如果你是个喜欢动手推演、享受解谜过程的学习者，这本书的训练量和深度绝对能让你大呼过瘾。

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我个人对教材的评价标准，很大程度上取决于它在处理“变化”和“演进”方面的能力。计算机科学是一个发展极快的领域，如果一本书只停留在对经典冯·诺依曼架构的僵硬描述上，那它的实用价值会迅速衰减。这本书在这方面做得比较出色，它没有固步自封。虽然核心内容依然紧扣基础原理，但在讨论到现代CPU特性时，它巧妙地引入了乱序执行、分支预测等现代处理器的关键技术。虽然篇幅相对基础章节要少一些，但点到为止，为读者指明了深入研究的方向。让我印象深刻的是，作者对存储体系结构中多级缓存（L1、L2、L3）的层次化设计及其一致性问题进行了细致的阐述，这对于理解现代多核编程中的并发难题至关重要。从读者的角度来看，这种对“传承与创新”的兼顾，让这本书的生命力大大增强。它既能帮你理解为什么今天的计算机是这个样子（历史根源），也能帮你预判未来可能的发展趋势（技术前沿）。我唯一希望的是，在某些最新的跨学科领域，比如软硬件协同设计中，能否再多增加一些案例分析，让原理的运用更加直观和前沿化。但就其作为核心原理指导书的定位而言，其对知识的广度和前瞻性把握，无疑是值得称赞的。

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坦白讲，我是一个在职场上摸爬滚打了一段时间，发现理论基础不够扎实的技术人员。我需要一本能迅速帮我“补课”的书，而且这种“补课”必须高效且直击痛点。这本书的优点就在于它的“结构化”能力极强。它不像那些大部头的百科全书，而是像一张精心绘制的路线图。它会非常明确地告诉你，要理解“存储器层次结构”，你必须先掌握“地址映射”和“局部性原理”。这种清晰的依赖关系划分，让我在复习和查阅时效率极高，我可以根据自己的薄弱环节，直接跳到相应的章节进行重点攻克。此外，书中对各种逻辑电路图的绘制规范性，简直是强迫症的福音，每一个元件的符号、信号的流向都清晰可辨，这极大地减少了我在解读图示时产生的认知负荷。如果说有什么不足，那就是在某些关键的、需要高度集中精力去理解的抽象概念（比如多体交叉访问的原理）的解释上，语气的切换略显突兀，从严谨的学术腔突然跳到略带口语化的解释，虽然意图是好的，但有时会让我瞬间出戏，需要再读一遍才能完全消化。但总体而言，这本书提供了一个极佳的、可操作的学习框架，帮助我以更系统、更高效的方式，重新巩固了计算机科学中最核心的知识体系，对于需要快速提升理论功底的专业人士来说，它是一份极其宝贵的资源。

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