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出版者:人民邮电出版社

作者:范磊

出品人:

页数:632

译者:

出版时间:2002-1-1

价格:58.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787115098474

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
• Linux内核
• 操作系统
• 源代码
• 内核编程
• C语言
• 嵌入式系统
• 驱动开发
• 系统编程
• 计算机科学
• 开源软件

深入理解现代操作系统：从用户空间到内核的精妙设计 本书聚焦于现代操作系统的核心机制与架构，旨在为系统级程序员、操作系统研究人员以及对底层技术有浓厚兴趣的读者，提供一个全面、深入且实用的视角，解析软件如何有效地管理硬件资源、调度任务、保障安全与隔离。 本书并非着眼于某一特定操作系统的具体源代码实现细节，而是侧重于通用操作系统理论在当代多核、虚拟化和分布式环境下的工程化体现。我们将从最基础的抽象概念出发，逐步构建起对复杂系统行为的认知框架。 第一部分：基础架构与抽象模型 本部分首先建立理解操作系统的理论基石。我们不会纠缠于特定内核的API调用约定，而是探讨操作系统作为资源仲裁者所必须解决的核心问题。 1. 进程与线程的生命周期管理： 深入剖析进程抽象的意义——它如何封装了程序执行所需的所有上下文信息。重点讨论线程模型的演进，从用户级线程到内核级线程的映射机制，以及在多核处理器上实现高效并发的挑战。我们详细分析上下文切换的开销、保存与恢复的状态集合，以及实现零开销抽象的工程权衡。 2. 内存的虚拟化与保护： 本章深入探讨虚拟内存系统，这是现代操作系统最关键的创新之一。我们将详细解析页表结构的层次化设计（如多级页表、倒排页表）如何实现地址空间的巨大扩展，同时保障进程间的隔离。重点剖析TLB（转换后援缓冲器）的工作原理及其对性能的决定性影响。此外，我们还将讨论内存的动态分配策略（如伙伴系统、slab分配器）在用户空间和内核空间的具体实现差异，以及如何处理缺页中断（Page Fault）的复杂流程。 3. 调度理论与实际： 操作系统的核心职能之一是公平有效地分配CPU时间。本章将从理论入手，对比抢占式与协作式调度的优劣。随后，我们将系统地考察现代调度器所采用的先进算法，例如基于优先级的动态调整、多核环境下的负载均衡（Load Balancing）技术（如工作窃取 LWS），以及对实时性（Real-Time）任务的特殊处理机制。我们还会探讨如何通过统计和反馈机制来对抗“饥饿”现象，确保系统响应性。 第二部分：并发、同步与数据完整性 在多处理器环境中，数据竞争是悬在系统稳定头上的达摩克利斯之剑。本部分专注于操作系统如何提供原语来协调并发访问，确保数据的一致性。 4. 同步原语的实现与陷阱： 详细分析用于实现互斥访问的基本工具：锁（Lock）、互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）的底层实现机制。重点讨论如何利用硬件提供的原子操作（如Test-and-Set, Compare-and-Swap）来构建高效且无死锁的软件同步结构。此外，我们将深入探讨屏障（Barrier）和条件变量（Condition Variable）在复杂同步模式中的应用。 5. 内存一致性模型与缓存协同： 本章超越了单纯的软件同步，进入硬件与软件的交界面。解析多核处理器缓存一致性协议（如MESI协议）的基本原理，以及操作系统如何通过适当的内存屏障（Memory Barrier/Fence）指令来影响编译器的重排序和处理器的乱序执行，从而保证并发程序在不同架构上的行为一致性。 6. 健壮性：死锁的预防、检测与恢复： 对死锁这一经典难题进行系统性研究。分析死锁的四个必要条件，并详细阐述基于资源分配图的银行家算法在静态和动态场景下的应用限制。讨论实际系统中更常采用的抢占、回滚等恢复策略的工程实现。 第三部分：I/O管理与设备交互 操作系统作为硬件与应用程序之间的桥梁，其I/O子系统的效率至关重要。 7. 统一的I/O接口与设备驱动模型： 探讨操作系统如何通过如文件描述符等抽象概念，将截然不同的硬件设备（磁盘、网络、终端）统一化管理。解析设备驱动程序在内核中的地位，它们如何通过中断处理和DMA（直接内存访问）机制绕过CPU进行高效数据传输。 8. 块设备与文件系统层次结构： 深度解析块设备的管理。重点讨论I/O调度器（如CFQ, Deadline, Noop）如何优化对机械硬盘和固态硬盘的访问顺序，以最小化延迟。在文件系统层面，本书对比分析日志式文件系统（如Ext4, XFS）的数据写入和元数据同步机制，以及写入时复制（CoW）技术在现代存储架构中的应用优势。 9. 网络协议栈的内核实现： 剖析TCP/IP协议栈在操作系统内核中的分层实现。关注套接字（Socket）接口的抽象原理，内核如何处理数据包的接收、校验和路由，以及零拷贝（Zero-Copy）技术在网络I/O中如何减少数据在用户空间和内核空间之间的不必要复制，从而提升吞吐量。 第四部分：安全、隔离与系统扩展 在日益复杂的计算环境中，隔离和安全性是操作系统的核心责任。 10. 权限模型与访问控制： 系统地阐述操作系统的安全边界。对比自主访问控制（DAC）与强制访问控制（MAC）模型的哲学差异和工程实现。详细分析能力（Capability）系统与基于角色的访问控制（RBAC）在不同安全需求下的适用性。 11. 模块化与可扩展性设计： 讨论现代操作系统如何通过模块化设计来平衡内核的稳定性和可升级性。分析内核模块（Kernel Modules）的加载、卸载机制，以及模块与核心代码之间依赖管理的复杂性。 12. 虚拟化层的抽象： 探讨操作系统如何被“虚拟化”。解析Hypervisor（如Type-1和Type-2）如何介入，实现对CPU、内存和I/O资源的影子页表、影子中断等模拟技术。重点关注全虚拟化和半虚拟化（Paravirtualization）在性能和兼容性上的权衡。 通过对这些核心主题的深入挖掘，本书旨在提供一套跨越具体实现细节的、普适性的操作系统设计思想与工程智慧，帮助读者构建一个稳固的知识体系，从而能更有效地分析、调试和设计下一代系统软件。

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