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出版者:清华大学

作者:黄廷辉

出品人:

页数:174

译者:

出版时间:2007-5

价格:19.00元

装帧:

isbn号码:9787302148005

丛书系列:

图书标签:

• 操作系统
• 实践
• 教程
• 计算机
• Linux
• Windows
• 实验
• 教学
• 原理
• 代码
• xv6

《深入理解现代计算机系统》 这本书并非关于操作系统理论的抽象探讨，而是以一种务实且深入的视角，带领读者踏上一场探索现代计算机系统核心运作机制的旅程。我们将剖析那些支撑起我们日常数字生活的最基本、最关键的组成部分，理解它们是如何协同工作，最终将一行行代码转化为屏幕上闪烁的画面、流畅的交互以及强大的功能。 内容聚焦： 第一部分：硬件基石与底层指令 微处理器架构的演进与现状： 从精简指令集（RISC）到复杂指令集（CISC），我们将追溯指令集架构（ISA）的设计哲学，理解流水线、超标量、乱序执行等现代处理器为何能够实现惊人的性能。我们将探究缓存层次结构（L1、L2、L3缓存）的工作原理，了解它们如何通过数据局部性来弥合处理器与主存之间的巨大性能鸿沟，以及缓存一致性协议在多核处理器时代的重要性。 内存系统：不仅仅是存储器： 我们将深入内存管理单元（MMU），理解虚拟内存的实现机制，包括页表、TLB（Translation Lookaside Buffer）等，它们如何为每个进程提供独立的地址空间，以及内存分段和分页的优缺点。此外，我们还将探讨不同类型的DRAM（动态随机存取存储器）技术，如DDR4、DDR5，以及它们在带宽、延迟和功耗方面的差异，并触及固态硬盘（SSD）与传统机械硬盘（HDD）在I/O性能上的根本区别。 I/O子系统：连接世界之桥： 本部分将详细介绍I/O设备控制器、DMA（直接内存访问）控制器如何实现CPU与外设之间的高效数据传输，避免CPU成为I/O的瓶颈。我们将剖析中断机制的运作流程，理解中断控制器如何管理来自不同设备的信号，以及中断向量表的作用。PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）作为现代高速总线标准，其拓扑结构、数据传输协议以及在显卡、网卡等高性能设备中的应用也将是重点。 第二部分：程序执行与并发模型 从源代码到可执行文件：编译、链接与加载的奥秘： 我们将详细讲解编译器前端（词法分析、语法分析、语义分析）和后端（代码生成、优化）的工作流程，以及链接器（静态链接、动态链接）如何将多个目标文件和库组合成一个可执行程序。加载器在程序启动过程中扮演的角色，如何将可执行文件映射到内存，以及动态链接库（DLL/Shared Object）的按需加载机制也将被深入剖析。 指令集架构（ISA）的实战应用： 以x86-64或ARM架构为例，我们将学习汇编语言的基本语法，理解寄存器、栈、函数调用约定等概念。通过阅读和分析简单的汇编代码，读者将能够更直观地理解高级语言代码在底层是如何被翻译和执行的。 并发与并行：多线程、多进程与同步机制： 本部分将区分进程与线程的概念，分析它们在资源占用、通信方式和创建开销上的差异。我们将深入探讨线程同步的挑战，包括竞争条件（Race Condition）和死锁（Deadlock），并详述互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）以及读写锁（Read-Write Lock）等同步原语的使用场景和实现原理。我们将触及现代CPU中的原子操作（Atomic Operations），理解它们如何提供无锁的并发访问。 第三部分：网络通信与分布式系统基础 TCP/IP协议栈的深度解析： 从链路层到应用层，我们将层层深入，详细解读以太网帧、IP数据包、TCP报文段以及UDP数据报的结构和工作流程。我们将重点关注TCP的三次握合与四次挥团，理解可靠数据传输、流量控制和拥塞控制的机制。DNS（Domain Name System）的查询过程，HTTP/HTTPS协议的请求/响应模型，以及Socket API如何为应用程序提供网络通信接口，都将是本部分的重头戏。 分布式系统的挑战与基本模式： 我们将探讨分布式系统面临的一致性问题（Consistency）、可用性问题（Availability）和分区容忍性问题（Partition Tolerance），并引出CAP定理。本书将介绍RPC（Remote Procedure Call）作为分布式系统中常用的服务调用模式，以及消息队列（Message Queue）在解耦和异步通信中的作用。分布式锁、分布式事务等更高级的概念也将有所提及。 本书特色： 以“为什么”为导向： 我们不满足于描述“是什么”，而是着重解释“为什么”这样做。理解设计背后的权衡和取舍，才能真正掌握系统的运作之道。 从底层到高层，融会贯通： 本书将硬件、操作系统、网络等不同层面的知识紧密联系起来，展示它们之间如何相互影响，共同构建现代计算机系统。 强调实践与理解： 书中将穿插大量的代码示例（如C/C++、汇编）、系统调用演示以及性能分析技巧，鼓励读者动手实践，将理论知识转化为实践能力。 面向未来的视角： 在分析现有技术的同时，也会适时探讨新兴的技术趋势，如容器化（Docker）、微服务架构对底层系统提出的新要求等。 目标读者： 本书适合有一定编程基础，希望深入理解计算机系统工作原理的开发者、系统工程师、架构师以及计算机科学专业的学生。如果您想提升代码性能、排查疑难杂症、设计更健壮的分布式系统，或者仅仅是对计算机的底层运作充满好奇，那么这本书将是您不可或缺的良伴。 通过阅读《深入理解现代计算机系统》，您将不再仅仅是编写代码的用户，而是能够洞察代码背后运行机制的“系统工程师”。

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这本书对于当前主流操作系统的演进趋势也有着敏锐的洞察力。它并没有完全沉溺于传统的UNIX或Linux内核的经典结构，而是适当地引入了现代多核、虚拟化环境下的新型挑战和解决方案。比如，关于NUMA（非一致性内存访问）架构对缓存一致性协议的影响，以及云计算背景下容器化技术与传统操作系统的资源隔离边界问题，都有所涉及和探讨。这表明作者紧跟技术前沿，确保了书中的知识体系不是过时的“历史书”，而是能够指导未来实践的“指南针”。这种前瞻性使得这本书的价值得以长期保持，不会因为技术的快速迭代而迅速贬值，对于希望在信息技术领域保持竞争力的读者来说，这一点至关重要。

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这本书的实战导向性做得非常到位，真正体现了“实践”二字的价值。很多理论书籍读完后，往往感觉知识点是散落的，难以落地。但这本书不同，它紧密结合了实际的工程问题，提供了大量的动手实验和代码示例。这些示例不是那种简单的“Hello World”级别的代码片段，而是具有一定复杂度和代表性的系统级操作，例如如何编写一个简单的系统调用封装，如何使用调试工具跟踪内核函数的执行路径等。通过亲手编译、运行和修改这些代码，我得以将书本上的抽象知识转化为具体的工程能力，这种“做中学”的体验是任何纯理论学习都无法比拟的。它搭建了一座坚实的桥梁，连接了计算机科学的理论殿堂与实际的软件开发世界。

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作为一本技术参考资料，本书的语言风格非常独特，既有学术的严谨性，又不失通俗易懂的亲和力。作者避免了过度使用晦涩难懂的专业术语，即便是引入新的复杂概念时，也常常配以生动的比喻或类比，这对于初次接触操作系统领域的读者来说，极大地降低了入门门槛。阅读过程中，我感觉就像有一位经验丰富的工程师在身旁耐心讲解，而不是面对一本冷冰冰的教科书。例如，在解释死锁的预防和避免策略时，作者的叙述逻辑清晰，步骤分明，使得原本复杂难懂的银行家算法也能被轻松消化。这种行文的流畅性和逻辑的穿透力，让学习过程充满了信心和乐趣。

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这本书的排版和设计真是让人眼前一亮。封面采用了深邃的蓝色调，搭配简洁的白色字体，透露出一种严谨而现代的气息。装帧质量也相当不错，拿在手里很有分量感，书页的纸张细腻，即便是长时间阅读也不会觉得刺眼。更值得称赞的是，书中的插图和图表制作得非常精良，无论是系统结构的示意图，还是代码执行流程的可视化展示，都清晰易懂，为理解那些抽象的概念提供了极大的帮助。很多技术书籍往往在视觉呈现上做得比较粗糙，但这本显然在这方面下了不少功夫，让人在学习枯燥的技术知识时，也能享受到阅读的愉悦。作者在内容组织上也很用心，每个章节的逻辑衔接自然流畅，从基础概念的引入到复杂功能的深入探讨，层层递进，非常符合读者的认知习惯。

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内容上，这本书的深度和广度都令人印象深刻。它不仅仅停留在对概念的表面介绍，而是深入剖析了操作系统内核设计的核心思想和关键技术，比如进程调度算法的数学模型推导，内存管理中分页和分段机制的底层实现细节，以及I/O子系统的中断处理机制等等。我特别欣赏作者在讲解并发控制时，所采用的案例分析方法，通过模拟真实的多线程环境下的竞态条件，使得读者能直观地感受到锁和信号量在保证数据一致性方面的重要性。即便是对于那些在其他教材中被一带而过的内容，比如文件系统的Journaling机制或虚拟文件系统的接口设计，作者也进行了详尽的阐述，这对于希望深入理解操作系统全貌的进阶学习者来说，无疑是一笔宝贵的财富。

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