Microsoft Windows 2000 技术内幕(第3版)(影印版)

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出版者:北京大学出版社
作者:(美)David A.solomon Mark E.Russinovich
出品人:
页数:903
译者:
出版时间:2001-04-01
价格:148.00元
装帧:平装
isbn号码:9787900632708
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机
  • windows
  • Windows 2000
  • 技术内幕
  • Windows操作系统
  • 编程
  • 系统架构
  • 内核
  • 驱动程序
  • API
  • 微软
  • 影印版
  • 计算机科学
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具体描述

  本书是最新的有关Microsoft Windows 2000 体系结构和核心技术的指导手册,通过对本书的学习,您将了解微软最重要操作系统的深层次运作方式。本书在写作过程中,充分了解了Windows 2000源代码,并得到了产品开发小组的大力支持,从而为读者提供了Windows 2000详细的技术资料。书中详述了最新的有关Microsoft Windows 2000的概念和术语、核心内容、源代码特性及系统组成部分和工具说明,向您展示了Microsoft Windows 2000深层次的技术。简言之,本书包含了开发人员调试代码和进行最佳设计决策所需的详细技术内容,是系统管理员了解系统性能并进行故障排除的一本极有价值的参考书。

操作系统底层原理的深度剖析:从硬件到内核的系统架构设计(未涉及Windows 2000相关内容) 第一部分:现代操作系统核心理论与设计哲学 一、 操作系统基础架构的演进与核心目标 本书旨在深入探讨现代通用型操作系统(OS)的设计哲学、核心组件架构,以及为实现高效能、高可靠性和多用户环境所采用的关键技术。我们将从操作系统的基本功能出发,系统地解析不同设计范式(如宏内核、微内核、混合内核)的优劣及其在实际系统中的权衡取舍。 1. 操作系统的核心职能定义: 资源管理(CPU、内存、I/O)、进程/线程管理、文件系统抽象、用户接口与安全机制的构建。 2. 系统调用接口与用户态/内核态切换机制: 深入分析不同硬件架构(如x86/x64)中特权级别(Rings)的设计,系统调用(System Call)的上下文保存、参数传递和返回流程的效率优化。 3. 操作系统的启动过程(Bootstrapping): 从硬件复位(Reset)到内核完全加载并开始调度第一个用户进程的完整链条解析。这包括固件(如UEFI/BIOS)的角色、引导加载程序(Bootloader)的职责,以及内核初始化(Kernel Initialization)的关键步骤,如内存管理单元(MMU)的配置、中断向量表的建立等。 二、 进程与线程管理的高级议题 现代计算的基石在于并发性。本篇将专注于如何高效地管理和调度系统中执行流体的单位——进程和线程。 1. 进程间通信(IPC)机制的全面比较: 详细对比管道(Pipes)、消息队列(Message Queues)、共享内存(Shared Memory)、信号量(Semaphores)和套接字(Sockets)在同步性、数据传输量和延迟方面的表现,并探讨异步通信的实现模式。 2. 线程模型与并发控制: 分析用户级线程与内核级线程的映射关系。重点剖析同步原语(Synchronization Primitives)的设计与应用,如互斥锁(Mutexes)、读写锁(Read-Write Locks)和条件变量(Condition Variables),以及如何避免死锁(Deadlock)和活锁(Livelock)的检测与预防算法。 3. 调度算法的性能分析: 探讨分时操作系统(Time-Sharing OS)中的各种调度策略,包括先来先服务(FCFS)、最短作业优先(SJF)、优先级调度(Priority Scheduling)以及时间片轮转(Round Robin)。更重要的是,我们将研究现代多核系统中的负载均衡(Load Balancing)和亲和性(Affinity)技术如何优化缓存命中率和系统吞吐量。 第二部分:内存管理与虚拟化技术 三、 虚拟内存系统:抽象、保护与性能 虚拟内存是操作系统提供进程隔离和高效内存利用的关键技术。本部分将详细阐述其底层实现。 1. 分页(Paging)机制的深入剖析: 解析页表(Page Table)的结构、多级页表的构建方式(如四级页表),以及地址转换(Address Translation)的硬件加速过程(TLB - Translation Lookaside Buffer)。讨论TLB的命中率对系统性能的影响。 2. 内存分配与回收策略: 分析内核空间和用户空间内存管理器的差异。研究伙伴系统(Buddy System)、slab分配器等技术如何减少内部碎片和外部碎片,并探讨内存碎片化对系统长期稳定性的影响。 3. 内存保护与访问控制: 解释内存保护位(Protection Bits)如何用于实现读/写/执行权限分离,以及内核如何响应和处理缺页中断(Page Faults),包括按需调页(Demand Paging)和预取(Prefetching)策略。 四、 缓存一致性与内存屏障 在多核处理器环境中,如何确保所有处理器看到内存数据的最新一致性是至关重要的。 1. 缓存一致性协议概述: 介绍MESI(Modified, Exclusive, Shared, Invalid)等主流缓存一致性协议的基本原理,以及硬件如何通过嗅探(Snooping)或目录(Directory-based)机制来维持一致性。 2. 内存屏障(Memory Barriers/Fences)的应用: 阐述编译器优化和处理器乱序执行可能导致的数据可见性问题,以及在编写高性能并发代码时,使用内存屏障指令来强制执行特定的内存访问顺序的重要性。 第三部分:文件系统与I/O子系统 五、 现代文件系统结构与设计 文件系统是持久化数据存储的接口。本部分聚焦于现代日志式文件系统的核心概念。 1. 日志与事务处理: 深入研究日志(Journaling)机制如何确保文件系统在非正常关闭后数据的一致性。解析写前日志(Write-Ahead Logging - WAL)的原理及其在提高恢复速度方面的作用。 2. 数据布局与索引结构: 对比B树(B-Tree)、B+树在文件系统元数据管理中的应用,探讨i节点(Inode)结构、目录项的组织方式,以及如何优化大文件和小文件的存储效率。 3. 缓存与预读机制: 分析文件系统缓存层(如页缓存 Page Cache)的设计,以及如何通过智能预读算法来预测用户接下来的I/O需求,从而减少磁盘访问延迟。 六、 I/O子系统的抽象与设备驱动 I/O子系统负责连接高速CPU与相对缓慢的外部设备。 1. 块设备与字符设备的分离: 探讨操作系统如何通过统一的接口抽象来管理不同类型的硬件设备。 2. 中断处理与延迟: 详细分析硬件中断的产生、中断控制器(PIC/APIC)的作用,以及软中断/下半部(SoftIRQs/Bottom Halves)在减少中断处理耗时和提高系统响应速度中的角色。 3. 直接内存访问(DMA)的原理与安全考量: 研究DMA如何允许设备直接读写系统内存,从而解放CPU,并讨论IOMMU(Input/Output Memory Management Unit)在实现设备隔离和内存保护中的关键作用。 第四部分:安全性、隔离性与可扩展性 七、 操作系统安全模型与访问控制 安全是现代操作系统的核心约束条件之一。 1. 权限模型探讨: 比较基于身份的访问控制(DAC)和基于角色的访问控制(RBAC)。深入分析访问控制列表(ACLs)的实现机制,以及如何安全地管理文件和对象的所有权。 2. 沙箱(Sandboxing)与权限分离: 研究如何通过严格的权限分离和最小权限原则,构建隔离的执行环境,以限制潜在恶意代码对系统的破坏范围。 八、 虚拟化技术与Hypervisor基础 探讨操作系统如何被“虚拟化”,以及虚拟化层如何与底层硬件交互。 1. Type-1 与 Type-2 虚拟化架构对比: 分析硬件辅助虚拟化(如Intel VT-x/AMD-V)如何简化Hypervisor的设计,并研究特权指令的捕获与模拟机制。 2. 资源隔离与性能开销: 讨论在虚拟化环境中,CPU调度、内存页表管理(如EPT/RVI)以及I/O虚拟化(如SR-IOV)带来的性能挑战与解决方案。

作者简介

目录信息

HistoricalPerspective
Foreword
Acknowledgments
Introduction
CHAPTERONE
ConceptsandTools1
FoundationConeeptaandTerma
Win32API
Services,Functions,andRoutines
Processes,Threads,andJobs
VirtualMemory
KernelModevs.UserMode
ObjectsandHandles
Security
Registry
Unicode
DiggingIntoWindowe2000Internals
ToolsontheCompanionCD
PerformanceTool
Windows2000SupportTools
Windows2000ResourceKits
KernelDebuggingTools
PlatformSoftwareDevelopmentKit(SDK)
DeviceDriverKit(DDK)
SystemsInternalsTools
CHAPTERTWO
SystemArchitecture
RequirementsandDesignGoals
OperatingSystemModel
PortabilitySymmetrioMultiprocessing
Scalability
ArchitectureOverview
Windowe2000ProductPackaging
CheckedBuild
Multiprocessor-SpecificSystemFiles
KeySyetemComponenta
EnvironmentSubsystemsandSubsystemDLLs
Ntdll.dll
Executive
Kernel
HardwareAbstractionLayer
DeviceDrivers
PeeringintoUndocumentedInterfaces
SystemProcesses
CHAPTERHTREE
SystemMechanisms
TrapDiapatehing
InterruptDispatching
ExceptionDispatching
SystemServiceDispatching
ObjectManager
ExecutiveObjects
ObjectStructure
Synchronization
KernelSynchronization
ExecutiveSynchronization
SyetemWorkerThreads
Windows2000GlobalFlags
LoealProcedureCalls(LPCs)
CHAPTERFOUR
StartupandShutdown
BootProeees
Preboot
TheBootSectorandNtldr
InitializingtheKernelandExecutiveSubsystems
Smss,Csrss,andWinlogon
SafeMode
DriverLoadinginSafeMode
Safe-Mode-AwareUserPrograms
BootLogginginSafeMode
RecoveryConsole
Shutdown
SystemCraehee
WhyDoesWindows2000Crash?
TheBlueScreen
CrashDumpFiles
CHAPIERFIVE
ManagementMechanisms215
TheRegistry
RegistryDataTypes
RegistryLogicalStructure
RegistryInternals
Services
ServiceApplications
ServiceAccounts
TheServiceControlManager
ServiceStartup
StartupErrors
AcceptingtheBootandLastKnow
ServiceFailures
ServiceShutdown
SharedServiceProcesses
ServiceControlPrograms
WindowsManagementInstrumentation
WMIArchitecture
Providers
TheCommonInformationModelandtheManagedObject
FormatLanguage
TheWMINamespace
ClassAssociation
WMIImplementation
WMISecurity
CHAPTERSIX
Processes,Threads,andJobs
ProceesInternals
DataStructures
KernelVariables
PerformanceCounter!
RelevantFunotions
RelevantTools
FlowofCteatePloeess
Stage1:OpeningtheImagetoBeExecuted
Stage2:CreatingtheWindows2000ExecutiveProcessObject
Stage3:CreatingtheInitialThreadandItsStackandContext
Stage4:NotifyingtheWin32SubsystemAboutthe
NewProcess
Stage5:StartingExecutionoftheInitialThread
Stage6:PerformingProcessInitializationinthe
ContextoftheNewProcess
ThreadInternals
DataStructures
KernelVariables
PerformanceCounters
RelevantFunctions
RelevantTools
FlovrofCleateThread
ThreadScheduling
OverviewofWindows2000Scheduling
PriorityLevels
Win32SchedulingAPls
RelevantTools
Real-TimePriorities
InterruptLevelsvs.PriorityLevels
ThreadStates
Quantum
SchedulingDataStructures
SchedulingScenarios
ContextSwitching
IdleThread
PriorityBoosts
JobOblects
CHAPIERSEVEH
MemoryManagementa7a
MemoryManagerComponents
ConfiguringtheMemoryManager
ExaminingMemoryUsage
ServicestheI
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书关于Windows 2000的I/O系统和设备驱动模型的描述,对我理解操作系统如何与硬件进行交互提供了宝贵的视角。它详细阐述了I/O请求包(IRP)的生成、传递和处理过程,以及设备驱动程序在其中的角色。理解中断处理、DMA(直接内存访问)等概念,让我能够更深入地理解硬件的工作原理以及操作系统如何高效地管理硬件资源。书中对文件系统(NTFS)的深入剖析,包括其目录结构、文件分配表、安全描述符等,让我能够理解文件是如何被存储、访问和管理的。对卷管理器(Volume Manager)和文件系统驱动程序的解释,也帮助我理解了磁盘分区的概念以及不同文件系统之间的转换。即使在今天,很多操作系统底层的I/O处理逻辑和文件管理思想,依然可以从这本书中找到其发展的脉络。

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这本书最大的价值在于它不回避技术细节,而是选择将Windows 2000的底层架构赤裸裸地展现在读者面前。我曾花了大量时间钻研其关于网络协议栈的章节,特别是TCP/IP的实现细节。书中对Winsock API的深入解析,以及对数据包在网络接口层、传输层、应用层之间流转过程的详细描述,让我彻底理解了网络通信的本质。理解数据包是如何被封装、路由、解封装的,对于调试网络连接问题、分析网络流量至关重要。书中还对DNS(域名系统)的内部工作机制进行了细致的讲解,这让我明白了一个简单的域名背后所涉及的复杂查询过程和缓存机制。此外,关于SMB(服务器消息块)协议的剖析,也帮助我理解了Windows文件共享和打印服务的工作原理,以及其中可能存在的安全隐患。书中对网络服务的配置和管理也提供了很多实用的指导,虽然是针对Windows 2000,但很多配置思路和原理在后来的Windows Server版本中依然适用。例如,通过理解SMB协议的握手过程,我能够更好地排查文件共享访问缓慢或失败的问题。

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我曾经以为自己对Windows的操作已经足够熟悉,但阅读这本书后,才发现我对操作系统内部的理解是多么肤浅。书中对设备驱动程序的开发和管理进行了深入的探讨,这让我了解了硬件如何与操作系统进行交互。从基本的输入输出端口到复杂的总线架构,再到驱动程序的加载、卸载和调试过程,都讲解得非常透彻。理解驱动程序的工作原理,对于解决硬件兼容性问题、分析系统死锁和蓝屏错误非常有帮助。书中还涉及了内核模式和用户模式的界限,以及它们之间的通信机制,这让我明白为什么一些低级错误会导致整个系统崩溃,而另一些则只会影响到特定的应用程序。对I/O请求包(IRP)的处理流程的详细描述,更是让我对Windows 2000处理各种I/O请求的机制有了直观的认识。即使我现在已经不再直接开发驱动程序,但书中关于中断处理、DMA(直接内存访问)等概念的讲解,仍然为我理解现代操作系统的底层设计提供了宝贵的视角。

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我最近开始研究Active Directory服务,而这本书中的相关章节,虽然是针对Windows 2000时代的,却提供了非常扎实的基础知识。它详细阐述了NTFS文件系统的工作原理,包括其强大的权限管理、日志功能以及对大文件和长文件名的支持。理解NTFS的内部结构,对于排查文件访问权限问题、优化文件存储性能至关重要。书中对注册表结构的讲解也十分详尽,它揭示了Windows 2000系统中各种配置信息的存储方式,以及应用程序和系统如何通过读写注册表来动态调整行为。虽然注册表是一个非常敏感的区域,但通过这本书的引导,我能够更有信心地去理解和修改其中的关键项,从而实现一些个性化的系统设置。此外,书中对于安全子系统的剖析,包括用户认证、访问控制列表(ACL)的工作方式,以及加密机制的应用,都为我打下了坚实的安全基础。在今天,尽管Windows 2000已经过时,但其安全模型中的许多核心理念,比如基于角色的访问控制(RBAC)的雏形,仍然是现代Windows安全体系的重要组成部分。我尤其对书中关于Kerberos认证协议的解释印象深刻,它帮助我理解了分布式环境中用户身份验证的复杂性,以及如何确保通信的安全性。

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这本书关于Windows 2000的进程和线程生命周期的管理,以及它们之间的通信机制的介绍,让我对操作系统的核心功能有了更深入的理解。它不仅仅是简单地介绍了创建、终止进程和线程的API,而是深入到了进程和线程的各种状态(如就绪、运行、阻塞、终止),以及状态之间的转换。书中对进程间通信(IPC)方法的详细比较和分析,包括管道、消息队列、内存映射文件、RPC(远程过程调用)等,为我提供了在不同应用场景下选择最适合通信方式的理论基础。我曾经在开发分布式应用程序时,利用书中关于RPC的知识,成功地实现了不同服务器之间的功能调用。理解进程和线程的调度优先级,以及它们如何影响应用程序的响应速度,对于优化程序性能至关重要。书中对线程同步机制的讲解,比如互斥锁、信号量、事件等,也为我解决多线程编程中的并发问题提供了重要的工具。

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这本书关于Windows 2000的注册表结构和访问方法的阐述,让我对操作系统配置的复杂性和精细化有了全新的认识。它不仅仅是介绍了一些常用的注册表项,而是深入到注册表项的层次结构、数据类型,以及如何通过编程接口来读取和修改注册表。书中对注册表备份和恢复机制的讨论,也让我意识到了注册表的重要性以及潜在的风险。我曾经利用书中介绍的一些注册表工具,对系统进行过一些深度定制,从而实现了一些自动化任务和个性化设置。虽然现在很多配置都通过图形界面完成,但理解注册表的底层逻辑,能够帮助我更深入地理解这些配置项的含义,以及在遇到GUI无法解决的问题时,找到更根本的解决方案。书中对注册表中的权限控制的讲解,也让我明白了为什么某些用户能够修改某些配置,而另一些用户则不行,这对于理解多用户操作系统的安全机制非常重要。

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从技术实现的深度上来说,这本书对于Windows 2000的内存管理机制的剖析,是我阅读过的所有关于Windows的书籍中最详尽的之一。它不仅仅是笼统地介绍虚拟内存,而是深入到物理内存、虚拟地址空间、页目录、页表项、TLB(Translation Lookaside Buffer)等底层细节。理解这些概念,能够帮助我更好地理解应用程序的内存占用情况,以及如何优化内存使用以提高性能。书中对内存分配和释放的整个生命周期的详细描述,让我明白了为什么有时候应用程序会出现内存泄漏,以及如何去诊断这些问题。对内存保护机制的讲解,也让我理解了为什么不同进程的内存是隔离的,以及如何防止一个进程访问另一个进程的内存。即使现在已经使用更高级的内存管理工具,书中对底层内存管理的理解,仍然为我提供了深刻的洞察力,帮助我理解这些工具的工作原理。

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我发现这本书对于理解Windows 2000的进程管理和线程调度机制的讲解,是我在其他书籍中很少看到的。它不仅仅是列出了一些API函数,而是深入到CPU的调度算法、优先级管理、多处理器支持等方面。理解进程和线程的区别,以及它们是如何在CPU上运行的,对于编写高效的多线程应用程序至关重要。书中对上下文切换的详细描述,让我明白了为什么在多任务环境中,系统会存在一定的性能开销。对进程间通信(IPC)机制的多种实现方式,如管道、消息队列、共享内存等的深入分析,也为我提供了在不同场景下选择最合适通信方式的依据。我曾经利用书中提供的关于线程同步机制(如互斥量、信号量)的知识,成功地解决了多个线程访问共享资源时出现的竞态条件问题。即使现在使用更高级的并发编程模型,书中关于底层线程管理的知识依然是理解这些模型的基础。

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这本书中的系统管理和故障排除部分,是我最常翻阅的章节之一。虽然是老版本系统,但它对于理解一些基础的管理思想和排错思路仍然极具价值。书中详细介绍了Windows 2000的服务控制管理器(SCM),以及如何管理系统服务,这让我理解了Windows启动过程中各个服务的依赖关系和启动顺序。对事件日志系统的深入剖析,也让我学会了如何通过分析日志来定位系统故障的根源。书中还提供了大量的命令行工具和注册表项,用于监控系统性能、诊断网络问题以及进行深度的系统配置。我曾经利用书中介绍的一些性能计数器来监控CPU、内存和磁盘的使用情况,这对于及时发现系统瓶颈非常有帮助。即使在处理更现代的Windows系统时,很多排查问题的思路和方法,依然可以从这本书中找到灵感。例如,书中关于内存泄漏的排查技巧,即使是今天,很多原理依然是适用的。

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这本书的出版,无疑是为那些希望深入了解Windows 2000操作系统内部运作机制的专业人士和高级用户打开了一扇宝贵的大门。我尤其欣赏书中对核心组件的细致剖析,例如,它详细解释了NT内核的架构,包括内存管理器、进程调度器、I/O管理器等关键部分的协同工作原理。阅读这部分内容,仿佛置身于一个庞大的计算机系统中,能够亲眼目睹数据如何在不同的层级之间传递,系统资源如何被高效地分配和管理。书中对虚拟内存机制的讲解尤其深刻,它不仅仅是简单地描述了分页和交换的概念,而是深入到页面表、TLB(Translation Lookaside Buffer)等细节,让读者能够理解Windows 2000如何巧妙地利用物理内存和硬盘空间来支持大型应用程序的运行,同时避免内存不足导致的系统崩溃。此外,对线程管理和进程间通信(IPC)机制的深入探讨,也让我对多任务处理和应用程序之间的协作有了全新的认识。书中提供的各种API函数和数据结构,虽然有些年代感,但其底层逻辑和设计思想至今仍有参考价值,很多现代操作系统在概念上都有其影子。我曾经在工作中遇到过一些棘手的性能问题,通过回顾书中关于CPU调度和内存访问模式的章节,竟然找到了启发性的线索,虽然不能直接解决当下的问题,但它提供了一个理解问题根源的框架。

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