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出版者:机械工业出版社

作者:(美)Richand Petersen

出品人:

页数:653

译者:

出版时间:2001-9

价格:78.00元

装帧:

isbn号码:9787111090397

丛书系列:

图书标签:

• linux
• Red Hat
• Linux
• 系统管理
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《现代操作系统设计与实现：内核、驱动与系统级编程》 内容提要： 本书深入剖析了现代操作系统（OS）的底层机制，聚焦于从硬件抽象到用户空间交互的全栈技术栈。它并非特定于某一发行版的指南，而是致力于构建读者对操作系统核心原理的深刻理解，从而能够高效地进行系统级开发、故障排查与性能调优。全书以理论结合实践的模式，详细阐述了操作系统设计中面临的关键挑战及其成熟的解决方案。 第一部分：核心架构与启动流程 本部分奠定了操作系统的理论基础，并追溯了系统启动的完整路径。 第一章：操作系统的基本职能与演进 探讨了操作系统的定义、核心职责（资源管理、进程调度、内存保护）。对比了宏内核、微内核和混合内核的设计哲学，分析了它们在性能、可维护性和安全模型上的权衡。深入讲解了中断向量表（IVT）、描述符表（IDT/GDT）的结构和硬件初始化过程。 第二章：引导加载器与内核初始化 详尽解析了从固件（BIOS/UEFI）到加载第一个内核代码的完整流程。重点分析了引导加载器（如GRUB或LILO的底层工作原理，不限于特定发行版配置）如何将内核镜像从磁盘读取到内存，并切换到保护模式或长模式。详细描述了内核启动后的自检、内存管理单元（MMU）的初始化、页表的建立，以及第一个内核线程的创建过程。 第二部分：内存管理系统 本部分是操作系统的核心之一，讲解了如何高效、安全地管理物理和虚拟内存。 第三章：虚拟内存与地址翻译 深入讲解了虚拟地址到物理地址的翻译机制，包括多级页表（PML4, PDPT, PD, PT）的结构、TLB（快表）的工作原理及其对性能的影响。讨论了操作系统如何处理页错误（Page Faults），包括写保护、缺页异常的服务流程。 第四章：内存分配策略与物理内存管理 分析了内核态和用户态的内存分配技术。内核部分着重介绍伙伴系统（Buddy System）如何管理物理页框，以及slab/slub分配器如何处理小对象的缓存分配，确保内存分配的效率和最小化外部碎片。用户态则讨论了堆管理器（如malloc/free的内部实现）如何与内核的mmap系统调用交互，实现堆的动态扩展与收缩。 第五章：进程间通信与内存共享 探讨了进程间通信（IPC）的高级技术，包括共享内存（Shared Memory）、消息队列（Message Queues）的机制。详细解析了内存映射文件（Memory-Mapped Files）的工作原理，以及它在实现高效IPC和程序加载中的关键作用。 第三部分：进程与线程调度 本部分聚焦于CPU资源的分配艺术，确保系统响应性和公平性。 第六章：进程上下文与状态管理 界定进程（Process）和线程（Thread）的区别与联系。详细描述了进程上下文的保存与恢复机制，包括寄存器状态、栈指针和程序计数器的切换。讲解了上下文切换（Context Switch）的系统开销分析。 第七章：调度器设计与算法 全面考察了多种CPU调度算法，包括先来先服务（FCFS）、轮转（Round-Robin）、优先级调度（Priority Scheduling）以及多级反馈队列（MLFQ）。深入分析了现代高性能操作系统如何实现抢占式调度，如何处理实时进程（Real-Time Processes）的需求，以及如何通过时间片轮转和时钟中断实现时间片管理。 第八章：同步与互斥机制 讲解了多任务环境下数据一致性的保障措施。详细介绍互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）的底层实现，包括它们如何利用硬件原语（如Test-and-Set或Compare-and-Swap）来实现无锁或低竞争的同步。分析了死锁的检测、避免和预防策略。 第四部分：I/O系统与设备驱动模型 本部分关注操作系统如何与外部硬件进行高效通信。 第九章：I/O子系统架构 阐述了I/O子系统的分层结构，从用户级的系统调用接口到底层的设备驱动程序。重点介绍中断处理机制，包括上半部（快速处理）和下半部（延迟处理，如软中断或Tasklet）的划分，以最小化中断响应时间。 第十章：异步I/O与高性能数据传输 探讨了阻塞式I/O的局限性，并深入研究了现代操作系统如何实现异步I/O模型，如事件驱动模型（epoll/kqueue的底层原理）。详细解析了直接内存访问（DMA）的工作流程，解释了它如何卸载CPU，实现高速数据从设备到内存的传输。 第十一章：设备驱动接口与模型 描述了标准化的字符设备和块设备驱动接口的设计范式。讲解了驱动程序如何注册、如何处理I/O请求队列，以及如何正确地管理硬件资源（如I/O端口和内存映射寄存器）。 第五部分：文件系统与持久化存储 本部分关注数据的组织、可靠性和访问效率。 第十二章：文件系统的核心概念与结构 分析了通用文件系统的基本组件：超级块、i节点（inode）的结构、数据块的组织。对比了日志文件系统（Journaling File Systems）如何通过事务日志来确保数据一致性和快速恢复能力。 第十三章：缓存、一致性与虚拟文件系统（VFS） 深入探讨了文件系统缓存（如页缓存/Buffer Cache）的设计，以及操作系统如何管理缓存的一致性。详细解析了虚拟文件系统（VFS）层的作用，解释了它如何提供一个统一的API接口，使得不同底层文件系统（如Ext系列、XFS等）能够无缝接入。 第十四章：存储设备与RAID机制 讨论了块设备的抽象层，包括逻辑卷管理（LVM）的基本原理。对RAID（冗余磁盘阵列）的各种级别（RAID 0, 1, 5, 6, 10）的性能、容错能力和实现细节进行了深入的技术分析。 附录：系统性能分析工具与方法论 介绍了一系列不依赖特定发行版配置的通用系统分析工具（如性能计数器工具、低级跟踪工具）的使用方法，以及如何通过内核参数和系统调用追踪来定位性能瓶颈和系统瓶颈的系统性方法。 本书旨在为系统程序员、嵌入式开发者、性能工程师以及希望深入理解现代计算平台内核机制的研究人员提供一份全面且严谨的技术参考，而非停留在配置和命令的层面。它着重于“为什么”和“如何实现”，而非“如何使用特定脚本”。

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安全加固和故障排查的章节，体现了作者们在实际生产环境中积累的深厚功力。它不像很多教材那样只关注防火墙的基本规则设置，而是将Firewalld与Netfilter/iptables的底层交互机制掰开了揉碎了讲。书中提供了一套系统化的“安全基线检查清单”，从SSH配置（禁用Root登录、密钥强度要求）到PAM模块的深度集成，再到内核参数级别的防御（如地址空间布局随机化ASLR的增强配置），都给出了明确的操作步骤和修改理由。最让我印象深刻的是故障排查的“思维导图”部分：它没有列举一堆零散的命令，而是构建了一个从应用层到硬件层逐级递减的排查逻辑框架。例如，当Web服务响应变慢时，作者引导读者如何依次检查负载均衡器状态、Nginx/Apache日志、系统资源瓶颈、内核网络队列，最后才定位到数据库连接池问题，这种结构化的思维方式，比单纯记忆命令更为重要，它真正教会了我如何像专家一样思考问题。

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对于网络配置这块，这本书的处理方式显得尤为务实和细致入微。它没有满足于介绍`nmcli`这个现代工具，而是花了大篇幅对比了传统的`/etc/sysconfig/network-scripts`配置方式和基于NetworkManager的最新方案，并清晰地指出了在企业级负载均衡和高可用集群环境下，哪种配置更适合保持稳定性和可追踪性。特别是关于多路径I/O（Multipath I/O）的配置和故障切换测试流程，写得非常具有操作指导性。我曾按照书中的步骤，模拟了SAN存储路径中断，然后观察MPIO守护进程如何平滑地将I/O重定向到备用路径，整个过程的日志输出和系统表现都被精确地记录和解释了。这远超出了基础教程的范畴，更像是一本资深运维工程师的实战手册。此外，书中对DNSmasq、Bind的配置差异及在RHEL环境中如何利用它们实现DNS缓存和DHCP服务的同步管理，也提供了非常成熟的企业级最佳实践，避免了许多新手在服务冲突时常犯的错误。

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存储管理和文件系统这一章，简直是为存储管理员量身定做。我过去一直觉得LVM（逻辑卷管理）的快照功能只是一个简单的备份手段，但这本书揭示了卷组（VG）、物理卷（PV）和逻辑卷（LV）之间更深层次的性能关联。它详细解释了LVM的元数据更新机制，以及在进行在线快照创建和合并操作时，系统性能可能出现的瞬时抖动的原因和优化方法。更让我眼前一亮的是对XFS文件系统特性的深入挖掘。例如，它阐述了XFS的延迟分配策略如何影响大文件写入的性能，并提供了一套基准测试脚本来帮助读者根据自己的工作负载调整文件系统挂载选项，如`inode64`和`attr_list`等参数的意义。对于那些需要处理PB级数据存储环境的人来说，书中关于存储池的性能监控指标和预警阈值的设定建议，具有极高的参考价值，避免了因为存储资源耗尽而导致的生产事故。

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这本《Red Hat Linux技术大全》的厚度着实让人望而生畏，光是翻阅目录就能感受到编者团队试图覆盖RHEL生态系统每一个角落的决心。我尤其欣赏它在系统启动过程中的深入剖析。不同于市面上许多只停留在“输入`systemd`命令”这个表层操作的指南，它详尽地阐述了从BIOS/UEFI到GRUB2，再到`initramfs`加载、内核参数解析直至最终用户空间服务启动的完整生命周期。书中对Systemd单元文件结构，尤其是服务（Service）、目标（Target）和套接字（Socket）之间的依赖关系分析得极其透彻，甚至涉及到了CGroup v2在资源隔离上的最新实践。对于一个希望从系统管理员晋升到系统架构师的人来说，这种底层逻辑的理解是至关重要的。我记得书中有一章专门讲解了SELinux的强制访问控制模型，不仅仅是给出了几个简单的`chcon`命令，而是深入到了安全上下文（Context）、策略模块的编译与载入机制，甚至还演示了如何使用`audit2allow`工具从日志中提取自定义策略，这对于运维高安全等级服务器的工程师简直是救命稻草，解决了太多“权限被莫名拒绝”的头疼问题。

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系统性能调优部分是这本书的另一大亮点，它拒绝了那种空泛地谈论“多加内存”的建议。作者团队明显花了很多时间在内核参数（`sysctl`）的微调上。书中对TCP网络栈的接收窗口（`net.ipv4.tcp_rmem`）和发送窗口（`net.ipv4.tcp_wmem`）的合理设置进行了深入的数学模型探讨，而不是简单地给出几个“万能”数值。对于I/O密集型应用，书中提供了针对调度器（如Deadline、CFQ到现在的BFQ/Kyber）的选择指南，并结合`iostat`和`pidstat`的输出结果，教你如何准确地定位是CPU等待I/O，还是I/O队列本身拥堵。此外，书中对虚拟化环境下的性能考量也十分到位，比如如何通过调整`tuned`配置文件来优化Guest操作系统对宿主机CPU的缓存利用率，确保虚拟机不会因为不恰当的资源调度而出现“幽灵等待”现象，这对于使用KVM进行生产部署的团队来说，是无可替代的宝贵经验。

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