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出版者:電子工業齣版社

作者:(美)David D.Busch

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:2000-11-01

價格:29.00元

裝幀:

isbn號碼:9787505363175

叢書系列:

圖書標籤:

• GNOME
• Linux
• 桌麵環境
• 圖形界麵
• 用戶指南
• 入門教程
• 操作係統
• 軟件應用
• 易學
• 實用

計算機係統與網絡基礎：深度解析與實踐指南 書籍名稱： 計算機係統與網絡基礎：深度解析與實踐指南 目標讀者： 計算機科學專業的學生、係統工程師、網絡管理員、以及希望深入理解現代計算架構和網絡協議的專業人士。 本書特點： 本書旨在提供一個全麵、深入且高度實踐導嚮的計算機係統底層原理和網絡通信機製的知識體係。它不僅涵蓋瞭從硬件到操作係統的經典理論，更著重於當前主流技術棧中的關鍵實現細節和性能優化策略。全書結構清晰，內容嚴謹，力求在理論深度與工程實踐之間搭建起堅實的橋梁。 --- 第一部分：計算機係統底層架構剖析 本部分是理解一切軟件運行環境的基礎，我們將穿透抽象層，直擊機器碼執行的本質。 第一章：數據錶示與機器級指令集 本章從二進製世界齣發，詳細闡述瞭數據在計算機內部的存儲方式，包括整數、浮點數的精確錶示（IEEE 754標準詳解），以及字符編碼（ASCII到Unicode的演變）。核心內容聚焦於現代處理器（如x86-64和ARM）的指令集架構（ISA）。我們將深入分析指令的格式、尋址模式，並解釋如何通過匯編語言觀察C/C++代碼的編譯結果。內容將包括： 數據類型與內存對齊： 解釋為何內存對齊對性能至關重要，以及編譯器如何處理結構體（struct）的布局優化。 指令的生命周期： 詳述指令從取指、譯碼、執行到寫迴的完整流水綫過程，引入指令級並行（ILP）的概念。 過程調用與棧幀管理： 詳細剖析函數調用的機製，包括參數傳遞約定（如System V AMD64 ABI），局部變量的存儲，以及返迴地址的維護，這是調試和逆嚮工程的基礎。 第二章：處理器架構與性能優化 本章深入探討現代高性能處理器的內部結構，這是理解程序運行速度瓶頸的關鍵所在。我們將不再停留在馮·諾依曼模型的錶麵，而是深入到微架構層麵。 存儲器層次結構（Memory Hierarchy）： 詳細分析寄存器、多級緩存（L1, L2, L3）的工作原理、緩存一緻性協議（如MESI協議）及其對多綫程程序的性能影響。 亂序執行與分支預測： 解析超標量處理器如何通過亂序執行（Out-of-Order Execution）提升吞吐量，並重點介紹分支預測單元（Branch Predictor）的各種算法（如Gshare、Tage），以及“分支未命中”的巨大代價。 嚮量化處理： 介紹SIMD（Single Instruction, Multiple Data）擴展（如SSE, AVX），解釋如何編寫代碼以最大化利用這些並行指令，實現數據密集型計算的加速。 第三章：存儲係統與I/O管理 理解數據的持久化和高效存取是係統性能的另一大支柱。本章覆蓋瞭從物理磁盤到虛擬內存的完整鏈條。 磁盤存儲技術： 對比HDD和SSD的物理工作原理（閃存的擦寫限製、磨損均衡），並分析RAID的容錯與性能增強機製。 虛擬內存與地址翻譯： 詳細解釋分頁機製（Paging），MMU（內存管理單元）如何通過頁錶將虛擬地址轉換為物理地址。深入討論TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用及其對內存訪問延遲的影響。 I/O子係統： 介紹中斷處理、DMA（直接內存訪問）技術，以及設備驅動程序在操作係統中的角色，確保數據能在CPU和外部設備之間高效流動。 --- 第二部分：操作係統核心機製 本部分聚焦於現代多任務、多用戶操作係統（以類Unix內核為藍本）是如何管理資源、調度任務和保障隔離性的。 第四章：進程與綫程管理 本章區分瞭進程與綫程的本質區彆，並深入研究操作係統如何實現並發和並行。 進程控製塊（PCB）與上下文切換： 詳述操作係統保存和恢復進程執行狀態的完整流程，量化上下文切換的開銷。 綫程模型與同步機製： 深入探討用戶級綫程與內核級綫程的區彆。全麵覆蓋同步原語：互斥鎖（Mutex）、信號量（Semaphore）、條件變量（Condition Variable）的底層實現原理與正確使用模式。 死鎖分析與避免： 運用銀行傢算法等理論工具，分析導緻並發程序崩潰的經典死鎖場景，並提供預防和檢測策略。 第五章：內存管理與動態分配 本章探討操作係統如何為進程提供一個連續的、私有的內存空間，以及動態內存分配器（malloc/free）的工作原理。 內核內存管理策略： 分析夥伴係統（Buddy System）和slab分配器如何高效管理物理內存。 堆（Heap）管理實現： 詳細拆解如ptmalloc2或jemalloc等主流動態內存分配器的內部數據結構（如bins、arenas），解釋碎片化問題及其優化技術。 內存映射（mmap）： 解釋mmap如何用於文件I/O和共享內存，及其在進程間通信中的重要作用。 第六章：文件係統與持久化存儲 文件係統是用戶與磁盤交互的橋梁，本章將剖析其結構和可靠性保障機製。 文件係統結構： 以Ext4或XFS為例，解析索引節點（inode）、數據塊、超級塊的組織方式。 日誌與數據一緻性： 深入講解寫入操作中的寫前日誌（Journaling）機製，如何確保係統崩潰後數據的一緻性（ACID特性在文件係統層麵的體現）。 虛擬文件係統（VFS）： 解釋VFS層如何提供統一的接口來操作不同類型的文件係統。 --- 第三部分：計算機網絡深度實踐 本部分專注於TCP/IP協議棧的每一個關鍵層，強調從數據包捕獲到應用層協議設計的實踐。 第七章：網絡基礎與鏈路層 本章奠定網絡通信的物理和邏輯基礎。 網絡拓撲與介質： 快速迴顧以太網幀結構、CSMA/CD/CA機製，並介紹現代交換機的工作原理（MAC地址錶）。 ARP與IP尋址： 深入解析地址解析協議（ARP）的請求與響應過程，以及IPv4/IPv6的地址結構、子網劃分（CIDR）的實際應用。 網絡設備功能： 詳述路由器如何根據路由錶進行數據包轉發，分析路由協議（如OSPF/BGP）的基本思想。 第八章：傳輸層協議：TCP與UDP的精髓 本章是網絡優化的核心，重點剖析TCP的可靠性保障機製和擁塞控製算法。 TCP的三次握手與四次揮手： 結閤狀態機圖，細緻分析連接建立和終止過程中的細節和異常情況。 可靠性機製： 詳細解釋序列號、確認應答（ACK）、纍計確認、重傳定時器的工作方式。 擁塞控製算法： 深入講解TCP慢啓動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復（Tahoe, Reno, CUBIC）的演變過程及其在現代網絡中的適用性。 UDP應用： 探討QUIC等基於UDP的新一代協議如何剋服TCP的限製。 第九章：應用層協議與網絡編程 本章將理論與實踐結閤，指導讀者構建高效的網絡應用。 HTTP深度解析： 從HTTP/1.1的請求/響應模型、Keep-Alive到HTTP/2的多路復用和頭部壓縮（HPACK），分析性能提升的關鍵點。 套接字編程（Socket API）： 詳細講解BSD套接字接口（`socket`, `bind`, `listen`, `accept`, `connect`, `send`, `recv`），並用C語言實現同步和非同步的服務器模型。 I/O復用技術： 對比`select`, `poll`, `epoll`（Linux）或`kqueue`（FreeBSD/macOS）的工作機製，解釋I/O多路轉接如何實現高並發網絡服務。 --- 第四部分：係統性能分析與故障排查 本部分是理論知識的最終落腳點，教授如何使用專業工具診斷和優化係統瓶頸。 第十章：性能度量與係統診斷工具 本章提供一套結構化的係統性能分析框架。 CPU性能分析： 學習使用`perf`工具集，進行硬件性能計數器事件的采集，理解緩存未命中率、分支預測失誤率等關鍵指標的含義。 內存與I/O診斷： 掌握`vmstat`, `iostat`, `slabtop`等工具，分析係統內存壓力、頁麵交換（Swapping）的開銷，以及磁盤I/O延遲的根源。 網絡診斷： 熟練運用`tcpdump`和Wireshark進行數據包捕獲與分析，理解延遲的來源（例如，DNS解析時間、TCP往返時間RTT）。 附錄 A：C語言與係統調用的接口 係統調用是用戶程序與內核交互的唯一安全途徑。附錄詳細列舉瞭關鍵係統調用（如`fork`, `execve`, `mmap`, `openat`）的原型、參數含義及其在不同OS間的細微差異，並提供使用GDB調試底層錯誤的實例教程。 --- 總結： 《計算機係統與網絡基礎：深度解析與實踐指南》不僅僅是一本教科書，更是一本麵嚮實際工程問題的參考手冊。通過對數據錶示、處理器架構、操作係統內核、以及TCP/IP協議棧的係統性解構，讀者將建立起對現代計算環境的“上帝視角”，從而能夠編寫齣更高效、更健壯的軟件，並具備快速定位復雜係統故障的能力。本書的深度和廣度，確保它能陪伴學習者從入門走嚮精通，成為一名真正理解計算本質的工程師。

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