操作系统原理教程

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出版者:清华大学
作者:孟静
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2000-04-01
价格:25.0
装帧:
isbn号码:9787302011231
丛书系列:
图书标签:
  • 操作系统
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  • 系统编程
  • 内核
  • 进程管理
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具体描述

《代码的脉搏:软件系统深层探索》 这是一本旨在揭示现代软件系统底层运作机制的进阶读物。我们常常沉浸在应用程序的便捷交互中,却鲜少有机会一窥驱动这一切的庞大、精密的工程。本书将带领读者穿越一层层抽象的帷幕,深入理解那些支撑起我们数字世界的基石。 核心内容概览: 执行流程的艺术: 本书将从最基础的指令执行出发,详细阐述CPU如何解读并响应指令序列。我们将探讨流水线技术如何提升指令吞吐量,分支预测如何缓解控制流的不确定性,以及缓存机制(L1, L2, L3)如何通过局部性原理加速数据访问。读者将了解从高级语言代码到机器指令的漫长旅程,以及编译器和链接器在其中扮演的关键角色。在此基础上,我们将深入分析进程的概念,理解它们如何被独立管理,拥有独立的地址空间和资源,以及它们之间进行通信(IPC)的多种机制,如管道、消息队列、共享内存等,并评估它们在性能和安全性上的权衡。 内存的层级与管理: 内存是所有程序运行的生命线。本书将细致剖析不同类型的内存(RAM, ROM)及其特性,重点关注虚拟内存系统。我们将深入讲解分页(Paging)和分段(Segmentation)技术,解释它们如何允许程序使用比物理内存更大的地址空间,如何实现内存保护,以及页面置换算法(如LRU, FIFO)如何决定哪些页面在物理内存中保留。理解这些机制对于优化程序性能、防止内存泄漏以及处理大规模数据集至关重要。 并发与同步的挑战: 在多核时代,并发编程已成为软件开发的主流。本书将系统地介绍并发编程的核心概念,包括线程(Thread)的创建、管理和调度。我们将详细探讨多线程环境下的共享资源访问问题,并深入讲解各种同步机制,如互斥锁(Mutex)、信号量(Semaphore)、条件变量(Condition Variable)以及读写锁(Read-Write Lock)的工作原理和适用场景。同时,我们也会讨论死锁(Deadlock)的产生条件、检测和避免策略,以及如何设计健壮的并发程序,避免竞态条件(Race Condition)等常见错误。 I/O 的魔法: 输入/输出(I/O)是程序与外部世界交互的桥梁。本书将详细介绍不同类型的I/O操作,包括块设备I/O(如硬盘)和字符设备I/O(如键盘、网络接口)。我们将探讨缓冲(Buffering)技术如何提高I/O效率,以及异步I/O(Asynchronous I/O)和事件驱动I/O(Event-Driven I/O)模型如何实现高吞吐量的I/O操作,从而使程序能够同时处理多个I/O请求而无需阻塞。 文件系统的构建: 文件系统是组织和存储数据的核心。本书将解析文件系统的内部结构,包括目录结构、文件元数据(inode)以及数据块的组织方式。我们将深入探讨文件系统的实现技术,如日志结构文件系统(Journaling File Systems)如何保证数据的一致性和可靠性,以及缓存机制在文件系统访问中的作用。 网络通信的基石: 现代软件离不开网络。本书将从TCP/IP协议栈的视角,系统介绍网络通信的基本原理。我们将深入讲解IP寻址、路由选择、TCP连接的建立(三次握手)和终止、以及UDP的无连接特性。此外,我们还会触及网络I/O模型,如Socket编程,以及如何利用这些工具构建分布式的应用程序。 本书特色: 深入的原理剖析: 不同于浅尝辄止的介绍,本书旨在提供对底层机制的深刻理解,帮助读者构建坚实的理论基础。 丰富的案例分析: 书中将穿插大量实际的系统调用、API使用示例以及代码片段,帮助读者将理论知识转化为实践能力。 面向未来的视角: 在讨论现有技术的同时,本书也会适时展望新兴的技术趋势和发展方向,帮助读者保持对行业发展的敏感性。 严谨的技术论证: 所有概念的阐述都将基于严谨的计算机科学原理,力求准确无误。 适用读者: 本书适合所有对软件系统底层原理感兴趣的开发者、系统管理员、计算机科学专业学生,以及任何希望深入理解计算机如何工作的技术爱好者。无论您是初涉编程还是经验丰富的工程师,本书都将为您提供宝贵的见解和全新的视角。 阅读本书,您将不仅能更好地理解您所使用的软件,更能成为一名更优秀的软件设计者和问题解决者,洞悉代码背后那跳动的脉搏。

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用户评价

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这本书的内存管理章节,可以说是我在学习操作系统过程中遇到的最精彩的讲解之一。作者并没有停留在理论层面,而是通过大量的实例和图示,将虚拟内存、分页、分段、段页式管理等复杂的概念一一剖析。我尤其喜欢作者关于“内存的地址空间”的比喻,将其比作一个巨大的仓库,而进程则像是仓库里的一个个货物,需要合理地规划空间才能高效利用。分页管理部分,作者详细解释了页表的作用,以及地址转换的过程,包括页号、页偏移量、页框号的计算。我还学到了TLB(快表)的概念,以及它如何通过缓存页表项来加速地址转换,减少缺页中断的发生。分段管理则更侧重于逻辑上的划分,每个段可以有不同的属性,比如代码段、数据段、堆栈段,这使得内存管理更加灵活。而段页式管理则结合了分页和分段的优点,既有分段的灵活性,又有分页的内存利用效率。作者还深入讲解了页面置换算法,如FIFO、LRU、Optimal算法,并通过具体的例子演示了它们在模拟分页系统中的表现,让我能够直观地比较它们的优劣。特别是LRU算法,作者用一个生动的例子,说明了“最近最少使用”的原理,以及如何在实际系统中实现它。此外,书本对内存分配的策略也进行了详细的介绍,如首次适应、最佳适应、最差适应等,并分析了它们各自的优缺点。我通过阅读这本书,对操作系统的内存管理机制有了前所未有的深入理解,感觉自己能够更加自信地应对相关的技术挑战了。

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这本书对于线程的讲解,让我对现代操作系统中的并发编程有了更深入的理解。作者首先区分了进程和线程这两个概念,解释了线程是进程内执行的最小单位,并且线程之间共享进程的资源,这使得线程的创建和切换比进程更加轻量级。我特别喜欢作者关于进程和线程关系的类比,比如进程就像是一个“大房子”,而线程则是房子里的“住户”,住户可以共享房子里的设施,并且可以独立进行活动。随后,作者深入讲解了用户级线程和内核级线程的区别,以及它们各自的优缺点。用户级线程的切换由用户空间的库完成,效率高,但不依赖于内核;内核级线程的切换由操作系统内核负责,效率相对较低,但可以利用多处理器。书中还详细介绍了线程的创建、销毁、同步和通信等方面的编程模型。我学到了如何使用线程库来创建和管理线程,以及如何利用互斥锁、信号量等同步机制来保证线程间的安全访问。书本还探讨了线程池的概念,以及它如何通过复用线程来提高程序性能。我还对线程的死锁和异常处理有了更清晰的认识,以及如何避免这些问题的发生。这本书为我理解多线程应用程序的编写和调试打下了坚实的基础,让我能够更好地利用现代计算资源的并发能力。

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这本书在进程同步和死锁的讲解方面,做得非常到位,让我对这两个复杂而关键的概念有了清晰的认识。作者首先引入了“竞态条件”的概念,通过一个经典的“银行家问题”例子,形象地说明了多个进程在共享资源时可能出现的冲突。接着,作者详细介绍了实现进程同步的各种机制,如信号量、互斥锁、管程等。对于信号量,我特别喜欢作者将其比作一个“计数器”,并且通过wait(P操作)和signal(V操作)来控制进程对资源的访问。对于互斥锁,它就像是一把“钥匙”,一次只有一个进程能够持有,确保了对临界资源的互斥访问。管程则是一种更高级的同步机制,它将数据和操作封装在一起,并且内置了同步机制,避免了程序员忘记调用P或V操作的错误。随后,作者将话题引向死锁,详细解释了死锁产生的四个必要条件:互斥、占有并等待、不可剥夺、循环等待。书中还提供了各种避免死锁、检测死锁以及解除死锁的策略,例如银行家算法在死锁预防中的应用,让我印象深刻。通过学习这些策略,我了解了如何通过资源分配图来检测死锁,以及如何通过剥夺资源或挂起进程来解除死锁。作者还举例说明了如何设计一个不会发生死锁的系统。这本书不仅让我理解了这些概念,更重要的是让我学会了如何在实际编程中运用这些知识来保证程序的正确性和健壮性。

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在安全性与保护章节,这本书的论述让我对操作系统如何保障用户数据和系统资源的完整性与机密性有了全新的认识。作者从访问控制的原理入手,详细介绍了用户身份验证、权限管理等机制。我印象深刻的是关于“最小权限原则”的强调,即每个进程或用户只应拥有完成其任务所需的最低限度的权限,这大大降低了潜在的安全风险。书中还深入探讨了各种安全威胁,如病毒、蠕虫、特洛伊木马等,并分析了操作系统如何通过隔离进程、内存保护、文件权限等手段来抵御这些威胁。我特别欣赏作者在讲解内存保护时,对地址重定位和分段、分页机制在防止非法访问方面的作用的详细阐述。此外,书本还介绍了加密技术在操作系统中的应用,以及如何利用加密来保护敏感数据。我还学习到了操作系统如何进行审计和监控,以及如何检测和响应安全事件。作者还简要介绍了操作系统的安全加固技术,比如如何配置防火墙、禁用不必要的服务等。这本书不仅教会了我如何识别和防范安全风险,更重要的是让我理解了安全是操作系统设计中一个至关重要的考量因素,它贯穿于操作系统的各个层面。

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这本书的封面设计非常吸引人,采用了深邃的蓝色作为主色调,上面印着抽象的电路板纹理,给人一种科技感和专业感。我拿到书的第一时间就被它的外观所吸引,迫不及待地翻开阅读。第一章的内容,关于操作系统的发展历程,让我对这个领域有了初步的认识。从最初的单用户、单任务系统,到后来的多用户、多任务系统,再到如今的分布式、并行计算操作系统,这一路的演变过程充满了智慧和挑战。作者用生动有趣的语言,将枯燥的技术概念变得易于理解,例如在讲述批处理系统时,作者引用了早期计算机中心的故事,仿佛把我带回了那个时代,感受到了操作系统的早期形态。接着,关于进程管理的部分,作者深入浅出地讲解了进程的概念、状态、PCB(进程控制块)以及进程间的通信和同步。特别是对于并发和并行这两个容易混淆的概念,作者通过生动的比喻,比如食堂排队打饭(并发)和多个厨师同时炒菜(并行),让我豁然开朗。PCB的介绍也十分详细,列出了PCB中包含的各种信息,如进程ID、优先级、CPU寄存器信息、内存管理信息等,并且解释了这些信息在进程调度和管理中的作用。我特别欣赏作者在讲解进程同步时,对信号量和互斥锁的详细剖析,结合了具体的代码示例,让我能够清晰地理解它们是如何解决竞态条件问题的。书中的图表也非常精美,逻辑清晰,辅助我理解了许多抽象的概念,比如进程状态转换图,清晰地展示了进程在运行、就绪、阻塞等状态之间的转换过程,以及导致这些转换的原因。总体来说,这本书在入门阶段就给我留下了深刻的印象,为我后续深入学习打下了坚实的基础。

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我非常欣赏这本书在最后关于操作系统的未来发展趋势的探讨,它为我指明了学习的方向,也让我对操作系统的演进充满了期待。作者不仅回顾了操作系统在嵌入式系统、实时操作系统、移动操作系统等领域的发展,还展望了云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术对操作系统提出的新需求和新挑战。例如,在云计算环境中,操作系统需要具备更强的资源虚拟化、自动化管理和弹性伸缩能力;在物联网设备中,操作系统需要更加轻量级、低功耗,并且支持异构硬件的接入;在人工智能领域,操作系统需要为AI算法提供更高效的计算和数据处理支持。书中还提到了操作系统的安全性和隐私保护在未来将扮演越来越重要的角色,以及如何通过硬件安全模块、可信计算等技术来提升操作系统的安全性。我还了解到一些新兴的操作系统设计理念,例如微内核、unikernel等,它们都在尝试解决传统宏内核操作系统的某些局限性。这本书的结尾部分,让我对操作系统这个古老而又充满活力的领域有了更广阔的视野,也激发了我继续深入探索的动力。

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文件系统作为操作系统的核心组成部分,在这本书中的阐述可谓是面面俱到。作者首先介绍了文件系统的基本概念,如文件、目录、文件类型、文件属性等,并解释了它们在用户和操作系统之间扮演的角色。接着,作者详细阐述了文件系统的组织结构,包括文件系统的层次结构,如根目录、子目录、文件的命名空间等。我印象最深刻的是对文件目录结构的讲解,从最简单的单级目录结构,到后来的两级目录结构,再到多级目录结构,作者通过清晰的示意图,展示了目录结构的演进和带来的便利。文件的物理存储结构部分,作者也做了非常详尽的说明,包括连续分配、链式分配、索引分配等三种主要的分配方式,并分析了它们在空间利用率、文件访问速度、文件管理复杂性等方面的优缺点。特别是索引分配,作者将其比作图书的目录,通过索引块来记录文件各个数据块的地址,这大大提高了文件的随机访问效率。书本还深入探讨了文件系统的实现技术,如文件系统的挂载和卸载,以及文件系统的恢复和备份。我还学习到了如何通过文件系统的日志功能来保证数据的一致性,以及如何处理文件系统的错误。最后,作者还对一些现代文件系统,如FAT、NTFS、ext4等进行了简要的介绍,让我对当前主流的文件系统有了初步的了解。这本书对文件系统的讲解,不仅理论扎实,而且非常贴近实际应用,让我对如何管理和使用文件有了更深的认识。

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这本书的性能评估与调优章节,为我理解如何衡量和提升操作系统的效率提供了宝贵的指导。作者首先介绍了性能评估的基本原则,包括选择合适的性能指标(如吞吐量、响应时间、资源利用率)以及进行科学的测试方法。我印象深刻的是关于“瓶颈分析”的讨论,作者通过一个生动的例子,说明了如何通过监测CPU、内存、磁盘I/O等关键资源的占用情况,来找出导致系统性能下降的瓶颈所在。书中还详细介绍了各种性能调优的技术,例如进程调度算法的优化、内存管理策略的调整、I/O调度算法的改进等。我还学习到了如何使用各种性能分析工具,如性能监视器、日志分析工具等,来收集和分析系统运行数据。作者还讨论了在不同的应用场景下,应该采取哪些不同的性能调优策略。我还了解了负载均衡的概念,以及它如何通过将任务分配到多个服务器上来提高系统的整体性能和可用性。这本书让我明白,高性能的操作系统并非一蹴而就,而是需要不断地进行测量、分析和优化。

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这本书在分布式系统与网络通信的章节,内容非常丰富且具有前瞻性,让我对现代操作系统的能力有了更深的认识。作者首先解释了分布式系统的基本概念,如分布式系统的优势(资源共享、可伸缩性、可靠性)和挑战(一致性、容错性、并发性)。我特别喜欢作者关于分布式系统一致性问题的讲解,例如Paxos算法和Raft算法,虽然理论性较强,但作者通过通俗易懂的比喻,将其核心思想阐释得非常清楚,仿佛把我带入了一个大型的分布式数据库的维护场景。书中还详细介绍了进程间通信(IPC)的各种机制,包括共享内存、消息传递、管道等,并且重点阐述了它们在分布式环境下的应用和局限性。我还学习到了网络协议栈,如TCP/IP模型,以及Socket编程接口,这让我能够理解应用程序是如何通过网络进行通信的。作者还介绍了一些分布式文件系统(如HDFS)和分布式数据库(如Cassandra)的设计理念,以及它们如何解决分布式环境下的数据存储和管理问题。我还了解了远程过程调用(RPC)的概念,以及它如何简化分布式应用的开发。这本书让我深刻体会到,现代操作系统早已不再局限于单机环境,而是朝着更加开放、互联互通的方向发展。

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I/O系统是操作系统中不可或缺的一部分,而这本书对I/O系统的讲解,真的是让我大开眼界。作者从I/O设备的类型开始,详细介绍了各种I/O设备,如输入设备(键盘、鼠标)、输出设备(显示器、打印机)和存储设备(硬盘、SSD)等,以及它们在计算机系统中的作用。接着,作者深入分析了I/O设备的接口和I/O控制器的作用,以及它们如何与CPU进行交互。我特别欣赏作者在讲解I/O控制方式时,对程序控制I/O、中断驱动I/O、DMA(直接内存访问)的详细对比。程序控制I/O虽然简单,但效率低下;中断驱动I/O通过中断来提高效率,但CPU仍然需要参与数据传输;而DMA则可以将数据传输的工作完全交给DMA控制器,解放CPU,大大提高了I/O效率。书中的图示清晰地展示了CPU、DMA控制器、内存以及I/O设备之间的数据流转过程,让我能够直观地理解DMA的工作原理。此外,作者还详细介绍了I/O缓冲技术,包括单缓冲、双缓冲、循环缓冲等,以及它们如何提高I/O吞吐量。缓冲区的概念,就像是一个临时的“中转站”,可以有效地协调CPU和I/O设备之间的速度差异。我还学到了I/O调度算法,比如先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法等,这些算法在磁盘调度中至关重要,能够显著影响磁盘的读写性能。这本书对I/O系统的阐述,涵盖了从硬件接口到软件驱动的方方面面,让我对如何高效地进行输入输出操作有了全面的理解。

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