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出版者:Wrox

作者:John Kauffman

出品人:

页数:480

译者:

出版时间:2002-06-15

价格:USD 39.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780764543753

丛书系列:

图书标签:

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好的，这是一份为一本名为《深入理解现代操作系统内核与驱动开发》的图书撰写的详细简介，这份简介完全不涉及您提供的原书内容，并且力求详实、专业、自然。 --- 图书简介：《深入理解现代操作系统内核与驱动开发》 掌控数字世界的基石：从汇编到系统调用 在当今高度依赖计算的时代，我们日常使用的每一个软件、每一次网络连接、每一次图形渲染，其背后都有一套复杂而精密的底层系统在默默支撑。这套系统的核心，便是操作系统（OS）。然而，对于大多数开发者而言，操作系统往往是一个“黑箱”，我们习惯于使用上层API和框架，却鲜少触及其最深层的秘密——内核（Kernel）与驱动程序（Device Drivers）。 《深入理解现代操作系统内核与驱动开发》正是一把钥匙，旨在为资深软件工程师、系统架构师以及立志于底层研发的专业人士，提供一把进入现代操作系统（主要聚焦于Linux和Windows的最新稳定版本）心脏地带的通行证。本书不满足于表面的概念介绍，而是以实践为导向，辅以大量的代码示例和架构图解，带您亲手构建、调试和优化操作系统的关键组件。 本书内容横跨理论深度与工程实践，旨在构建一个坚实的知识体系，使读者能够自信地处理复杂的系统级问题、实现高性能的硬件交互，并为下一代计算平台设计出更安全、更可靠的软件。 --- 第一部分：内核架构的基石与环境搭建 (Foundations and Environment Setup) 本部分将为读者打下坚实的理论和实践基础。我们首先会探讨现代操作系统的演进历程，对比微内核、宏内核以及混合内核的设计哲学，并重点分析当前主流内核的模块化设计趋势。 内容详述： 1. 编译环境的构建与交叉编译： 详细指导读者如何搭建一个完整且高效的内核开发和调试环境，包括使用QEMU进行虚拟化测试、配置GDB远程调试链，以及掌握交叉编译工具链在不同目标架构（如x86-64、ARM64）间的应用。 2. 引导过程的秘密（Boot Process Deep Dive）： 深入剖析从固件（UEFI/BIOS）启动到内核完全接管系统的全过程。我们将解析引导加载器（如GRUB）的工作原理，并详细分析内核的初始化序列，包括内存映射的建立、中断描述符表（IDT）的配置，以及首个用户态进程（如`init`或`systemd`）的启动机制。 3. 内存管理的理论与实践（Paging and Virtualization）： 内存管理是内核的核心职能。本章将从页表结构（Page Tables）的硬件支持开始，详细解析虚拟地址到物理地址的转换过程。随后，我们将探讨内核如何实现进程的虚拟内存空间布局，包括堆、栈、代码段和共享内存区域的动态分配与保护。重点分析TLB（Translation Lookaside Buffer）的缓存机制及其对性能的影响。 --- 第二部分：进程、线程与调度器的精妙设计 (Process, Thread, and Scheduling Mastery) 理解内核如何管理并发和资源分配，是编写高效系统的关键。本部分将深入操作系统的核心调度算法和并发控制机制。 内容详述： 1. 进程与线程的内核表示： 剖析进程描述符（如Linux的`task_struct`）和线程结构的内部字段，理解它们如何封装了进程的上下文、资源句柄和状态信息。我们将实现一个简化的任务结构体，用以理解真实内核的设计思路。 2. 上下文切换的成本分析： 上下文切换是系统开销的重要来源。本章将详述CPU寄存器状态的保存与恢复过程，分析缓存污染（Cache Line Invalidation）对性能的负面影响，并介绍如何利用硬件特性（如硬件上下文ID）来最小化切换的延迟。 3. 现代调度算法的实现： 我们将不再停留在理论层面，而是直接研究CFS (Completely Fair Scheduler)或Windows Thread Scheduler的源代码逻辑。重点在于理解时间片分配、优先级继承（Priority Inheritance）以及实时（Real-Time）任务的隔离策略。读者将学习如何通过调整调度参数或开发自定义调度类来优化特定工作负载的性能。 4. 同步与互斥的底层原语： 探讨内核层面的同步机制，如自旋锁（Spinlocks）、信号量（Semaphores）和原子操作（Atomic Operations）。我们将比较它们在多核环境下的性能差异，并演示如何避免死锁（Deadlocks）和竞态条件（Race Conditions）。 --- 第三部分：系统调用接口与内核模块化编程 (System Calls and Modular Development) 系统调用是用户空间与内核空间唯一的桥梁。本部分专注于如何安全、高效地跨越这一边界，并掌握动态扩展内核功能的艺术。 内容详述： 1. 系统调用的握手协议： 详尽解析系统调用在x86-64架构下的陷阱（Trap）和中断机制。我们将追踪一个典型的系统调用（如`read()`或`write()`）从用户态发起，到内核处理函数执行，再返回用户态的完整路径，包括参数传递的约定和权限检查。 2. 开发第一个内核模块： 读者将学习如何使用内核提供的API和宏来编写、编译和加载一个最小化的模块。我们将实现一个简单的字符设备驱动作为起步项目，理解模块的初始化 (`module_init`) 和清理 (`module_exit`) 函数。 3. 内核数据结构与同步： 在内核模块中安全地访问共享资源至关重要。本章重点讲解内核特有的数据结构（如链表、工作队列 Workqueues）的使用，以及在并发的内核环境中如何正确使用锁原语来保护数据一致性。 4. 模块的生命周期管理与符号解析： 深入理解内核模块是如何被加载器解析、链接到内核符号表，以及在系统关闭时如何安全卸载。 --- 第四部分：设备驱动的实战与I/O模型 (Device Driver Implementation and I/O Models) 驱动开发是内核编程中最具挑战性、也最有成就感的部分。本书将以PCIe和网络设备为例，展示现代驱动的架构。 内容详述： 1. I/O 架构的演进： 比较阻塞式I/O、非阻塞式I/O、多路复用（如`select`/`poll`/`epoll`）以及基于事件的I/O模型（如Linux的`io_uring`）。我们将深入分析这些模型在内核中的实现机制，尤其是`epoll`的红黑树与事件通知机制。 2. 中断处理的艺术： 中断是硬件与内核通信的主要方式。本章详细讲解中断的注册、上半部（Top Half，快速处理）和下半部（Bottom Half，如软中断、Tasklets、Workqueues）的划分原则。我们将实现一个模拟硬件中断的处理流程，以理解中断延迟对系统性能的影响。 3. DMA (Direct Memory Access) 编程： 现代高速设备严重依赖DMA来绕过CPU进行数据传输。我们将深入探讨总线主控（Bus Mastering）的概念，学习如何安全地设置和管理DMA环（Rings），包括内存一致性（Memory Coherency）的保证，这是避免数据丢失或损坏的关键。 4. USB与网络设备驱动概览： 选取当前应用最广的两种接口类型进行案例分析。分析USB协议栈如何与内核通信，以及网络接口卡（NIC）驱动如何通过描述符（Descriptors）与硬件交换数据包，实现零拷贝（Zero-Copy）的网络传输。 --- 第五部分：系统安全、调试与性能分析 (Security, Debugging, and Performance Analysis) 强大的系统必须是安全且可调试的。本部分将聚焦于系统级的安全增强技术和专业的性能诊断工具。 内容详述： 1. 内核内存安全实践： 探讨现代操作系统为应对缓冲区溢出等攻击所做的努力，如KASLR（内核地址空间布局随机化）、SMEP/SMAP（Supervisor Mode Execution/Access Prevention）的原理和绕过/加固技术。 2. 内核调试的利器： 超越简单的`printk`。本章深入讲解如何利用KDB/KGDB、Windbg等专业调试器设置硬件断点、观察内核数据结构、回溯调用栈，并分析特定内核函数执行路径。 3. 性能探查（Profiling）技术： 介绍Perf工具（Linux）或Windows Performance Toolkit (WPT)的使用。我们将学习如何采集CPU采样数据、分析LBR/PT硬件事件，并解读火焰图（Flame Graphs）来识别内核热点和调度延迟的根源。 4. 故障诊断与崩溃恢复： 学习如何分析内核崩溃转储（Core Dump/Crash Dumps），定位导致系统Kernel Panic或蓝屏（BSOD）的根本原因，包括DPC（Deferred Procedure Call）延迟分析和中断锁定分析。 --- 结语 《深入理解现代操作系统内核与驱动开发》的目标是培养具备“系统级思维”的工程师。掌握这些底层知识，不仅能让您写出性能更优越的应用程序，更能赋予您在复杂系统遇到瓶颈或故障时，具备洞察其本质并进行有效干预的能力。本书的深度和广度，将是您在系统软件领域攀登高峰的可靠阶梯。

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这本书的封面设计得非常朴实，甚至可以说是有些过时了，初看之下，我甚至怀疑自己是不是拿错了一本十年前的技术手册。内页的字体排版也延续了这种传统风格，大量的代码示例和技术术语堆砌在一起，对于一个刚踏入.NET Web开发领域的新手来说，无疑是一次严峻的“阅读考验”。我本期望能找到一些关于现代ASP.NET Core MVC或Blazor的介绍，毕竟现在市场上主流的讨论都围绕着这些前沿技术展开。然而，这本书的全部内容似乎都紧密围绕着一个特定的技术栈打转——VB.NET语言，以及它在早期ASP.NET Web Forms时代与数据库交互的那些经典模式。坦白说，这种专注于相对老旧技术的深度挖掘，虽然在某些特定的遗留系统维护场景下或许能派上用场，但对于想要快速掌握当前主流企业级应用开发的读者来说，信息密度和实用性之间的平衡点把握得并不理想。更令人遗憾的是，书中对于数据库设计范式和性能调优的讨论，也停留在比较基础的层面，缺乏对实体框架（Entity Framework）新版本或者更高效数据访问技术（如Dapper）的深入剖析，使得整体阅读体验像是在回顾一段历史，而非展望未来。

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这本书的价值，或许更多地体现在其历史文献的意义上，而非对当前技术趋势的指导意义。阅读过程中，我不断地将书中的技术点与我当前所了解的新技术进行对比。例如，书中对数据访问层（DAL）的实现，是手工编写大量重复的SQL语句和DataReader操作，这与现代使用LINQ to SQL或EF Core的声明式数据查询方式形成了鲜明对比。这种对比虽然能让读者理解技术演进的脉络，但沉浸其中过久，难免会影响对最新最佳实践的理解和采纳。这本书成功地将VB.NET环境下数据库操作的整个生命周期做了详尽的展示，但这种展示的“时效性”是一个无法回避的问题。它缺乏对异步数据操作的关注，对Web安全最佳实践的讨论也显得滞后，更不用提对云原生数据库服务或者NoSQL数据库基础概念的任何涉猎。总而言之，这是一本非常“专注”于特定历史技术组合的书籍，阅读它更像是一次对.NET早期数据库开发的“考古之旅”。

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当我翻阅这本书时，最直观的感受是作者对“基础概念”的执着。每一个函数调用、每一个对象实例化，都被详尽地拆解、注释，仿佛在向一个从未接触过编程的听众解释“变量是什么”。这种详尽固然可以帮助那些对编程逻辑完全陌生的初学者建立起最初的信心。然而，对于已经具备一定编程基础，只是想学习如何将VB.NET与SQL Server高效结合的开发者而言，这种反复的、略显啰嗦的解释就显得效率低下。例如，书中花了大量的篇幅去解释ADO.NET的`SqlConnection`对象如何打开和关闭连接，这在现代ORM框架下已经基本被框架自动管理的操作。我真正期待看到的是，面对高并发场景时，如何运用连接池的优化技巧，或者如何构建健壮的事务处理逻辑。书中对异常处理的介绍也显得保守且传统，很少提及异步编程模型（Async/Await）在数据库I/O密集型任务中的重要性，这使得整本书散发着一种“同步世界”的气息，与当前互联网应用追求的响应速度和用户体验存在明显的代沟。

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这本书的实践性评估让我有些纠结。它的每一章都伴随着一个完整的、可以运行的示例项目，这一点必须给予肯定。作者确实确保了读者可以“跟着敲”并“看到结果”。然而，这些示例项目所构建的应用架构，明显带有明显的时代烙印。它们大多是基于经典的“三层架构”的简化版，UI层与业务逻辑层耦合度较高，数据访问层的功能也相对单一。我尝试将书中介绍的数据库操作方法，套用到我目前正在接触的基于MVC模式的项目结构中，发现需要进行大量的重构和适配工作。特别是关于数据绑定和控件操作的部分，完全是针对Web Forms的ViewState和PostBack机制设计的，对于习惯了前后端分离开发模式的读者来说，这些内容几乎是“死知识”。如果这本书的定位是面向那些正在维护使用VB.NET和Web Forms技术的企业内部系统的工程师，它或许能提供一些及时的参考；但对于立志于构建现代化、可扩展Web服务的开发者来说，这本书提供的知识框架显得过于僵化和受限。

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从技术深度和广度来看，这本书明显倾向于广度而非深度。它试图涵盖从基础的SQL查询语句编写，到在VB.NET代码中调用存储过程，再到使用DataGrid控件展示结果的全过程。这种“大而全”的思路在入门书籍中常见，但它带来的副作用是，每一个主题的探讨都停留在“能用”的层面，而没有触及“用好”的关键点。比如，在处理SQL注入问题时，书中虽然提到了使用参数化查询，但对各种变体攻击（如二次注入）的防范机制介绍不足。同样，在讨论事务控制时，它只是简单展示了`BeginTransaction`和`Commit`的用法，但对于跨数据库连接的分布式事务（如果有涉及）或是在高负载下锁竞争可能引发的死锁问题，则完全没有提及。因此，这本书更像是提供了一套“操作手册”，告诉你每一个按钮应该按在哪里，而不是一本“工程指南”，教你如何设计一个稳定、高效且安全的数据驱动应用。

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