具体描述
计算机科学与技术系列丛书：现代操作系统原理与实践 丛书主编： [此处可填入虚构的权威专家姓名] 丛书定位： 本丛书旨在为广大计算机科学与技术专业的学生、初级工程师以及希望系统性掌握现代操作系统核心理论与实践技能的技术人员提供一套全面、深入且与时俱进的学习资料。本系列丛书侧重于理论基础的夯实与前沿技术（如云计算、容器化、微内核架构）的应用实践相结合，全面覆盖操作系统的设计哲学、内核实现机制、系统级编程以及新兴分布式系统的管理与优化。 --- 《现代操作系统原理与实践：从宏观架构到内核调度》 第一卷 内容提要： 本书是构建现代操作系统知识体系的基石。它摒弃了对过时系统的冗余描述，专注于理解当代主流操作系统（如Linux、Windows NT/10内核架构、macOS XNU）所共有的核心设计理念和底层机制。 第一部分：操作系统基础与抽象 本部分从历史和需求的角度切入，阐述操作系统作为资源管理器和抽象机器的本质职能。深入探讨了操作系统的分类（宏内核、微内核、混合内核）及其演进路线，并详细分析了硬件抽象层（HAL）的设计目标与实现方法。内容着重于理解中断、异常处理机制在现代处理器（如x86-64架构）中的工作流程，以及如何通过特权级切换实现高效的系统调用接口。 第二部分：进程与线程管理 这是操作系统的核心功能之一。本书系统性地介绍了进程的定义、生命周期以及上下文切换的开销与优化。特别详述了线程模型（用户级线程与内核级线程的对比），以及多核/多处理器环境下并发编程的挑战。书中详细解析了现代操作系统中进程调度算法的精髓，包括分时调度、优先级调度、实时调度，以及公平共享调度器（CFS）的工作原理，并通过伪代码和实际案例演示了调度器如何平衡系统吞吐量与响应时间。 第三部分：内存管理的高级技术 本书超越了简单的分页机制介绍，深入探讨了虚拟内存管理（VMM）的复杂性。内容涵盖了页表结构（TLB、多级页表）、内存保护机制（段式与页式结合的演变），以及操作系统如何实现高效的内存分配策略（如堆管理器的伙伴系统算法与Slab分配器）。重点分析了缺页中断的处理流程，以及操作系统的页面置换算法（如LRU、Clock算法的改进版本）在SSD/NVMe存储介质上的性能考量。此外，还详细介绍了内存映射文件（mmap）和零拷贝技术在I/O密集型应用中的作用。 第四部分：并发控制与同步机制 并发控制是多处理器系统中保证数据一致性的关键。本书详尽讲解了并发问题的根源——竞态条件与死锁。在同步机制方面，不仅覆盖了经典的信号量、管程，还重点剖析了现代内核中广泛使用的无锁（Lock-free）和低锁（Low-lock）技术，如原子操作（CAS）、屏障（Memory Barriers）的使用场景与内存模型约束。针对分布式系统，本书引入了Lamport的时间戳和Chandy-Lamport的快照算法等跨越单机系统的同步概念。 预期学习成果： 读者将能够透彻理解操作系统如何将底层硬件资源转化为用户程序可用的抽象环境，能够分析并优化复杂并发程序中的性能瓶颈，并具备阅读和理解主流操作系统内核源代码的能力。 --- 《现代操作系统原理与实践：系统I/O、文件系统与网络》 第二卷 内容提要： 本卷承接第一卷的内核基础，专注于操作系统的外部交互层面：如何高效地管理数据持久化、如何实现高效的输入/输出，以及如何将网络通信融入到系统服务中。 第一部分：系统I/O与驱动程序模型 本书深入剖析了I/O子系统的复杂性。我们从硬件接口（如PCIe总线、DMA）开始，讲解了I/O设备驱动程序的设计范式（如Linux的字符设备与块设备模型）。重点阐述了I/O请求的路径优化，包括中断处理的软/硬中断分离，以及I/O完成端口（IOCP）等高效的异步I/O模型。本书详细分析了缓冲（Buffering）、缓存（Caching）与预读（Prefetching）技术在提高设备访问效率中的作用，并介绍了现代存储技术（如ZNS SSD）对传统I/O模型带来的挑战与应对策略。 第二部分：文件系统的结构与实现 文件系统是用户与持久化存储交互的桥梁。本书详细比较了日志文件系统（如Ext4、NTFS）与Copy-on-Write（CoW）文件系统（如ZFS、Btrfs）的结构差异、元数据管理策略和恢复机制。内容深入到inode结构、数据块的组织方式以及目录查找的性能优化。特别关注了文件系统的完整性保证（Journaling）和数据一致性的实现。此外，我们还探讨了虚拟文件系统（VFS）的作用，它是如何提供统一的文件操作接口，屏蔽不同底层文件系统的差异。 第三部分：网络协议栈的内核实现 现代操作系统无不依赖于网络。本部分将网络协议栈的实现置于内核视角下进行审视。详细描述了从网络接口卡（NIC）中断到用户空间Socket API的完整数据包处理流程。重点分析了TCP/IP协议栈的内核实现，包括发送队列、接收队列的管理，拥塞控制算法（如CUBIC）在内核中的集成，以及零拷贝技术（如Sendfile）在网络传输中的应用。本书也涵盖了现代网络I/O框架，如eBPF在内核中进行数据包过滤和处理的创新应用。 第四部分：安全、虚拟化与容器技术 本卷最后一部分着眼于操作系统的安全边界与资源隔离技术。系统地介绍了内核级别的安全机制，如地址空间布局随机化（ASLR）、数据执行保护（DEP/NX位）的原理。随后，本书详细讲解了操作系统如何实现资源虚拟化，包括全虚拟化、半虚拟化以及操作系统级虚拟化（容器技术）。重点剖析了Linux Cgroups和Namespaces在实现资源隔离和进程沙箱中的核心技术细节，为读者理解云原生基础设施提供了坚实的系统底层知识。 预期学习成果： 读者将能够设计和实现高性能的I/O驱动，理解不同文件系统的优缺点，能够调试网络数据包在内核中的生命周期，并能够深入理解容器技术对传统操作系统服务模型的颠覆性影响。 --- 适用读者： 计算机科学与技术、软件工程、网络工程、信息安全等相关专业的本科生高年级及研究生，以及希望深入理解系统底层工作原理的软件开发工程师和系统管理员。 前置知识要求： 具备C/C++语言编程基础，对数据结构与算法有扎实的理解，并了解基本的计算机组成原理和汇编语言基础。
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