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出版者:

作者:Uresh Vahalia

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1996

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9788178084008

丛书系列:

图书标签:

• OS
• UNIX
• Unix
• 操作系统
• 内核
• 系统编程
• C语言
• 计算机科学
• 技术
• 深入理解
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好的，这是一份关于一本名为《操作系统设计与实现：基于现代硬件架构》的图书简介。 --- 图书简介：《操作系统设计与实现：基于现代硬件架构》 内容导览：深度剖析现代操作系统内核的基石 《操作系统设计与实现：基于现代硬件架构》是一本面向计算机科学专业学生、系统程序员、内核开发者以及资深技术爱好者的深度技术专著。本书旨在超越传统操作系统的基础概念介绍，深入探讨现代多核、异构计算环境下操作系统内核的复杂性、设计哲学以及底层实现细节。本书的核心在于将抽象的操作系统理论与当前主流的x86-64和ARM架构的实际硬件特性紧密结合，构建一个清晰、全面且可操作的知识体系。 第一部分：基础架构与启动序列的重构 本书伊始，我们首先建立起理解现代操作系统的理论基石。不同于早期教科书中对8086或简单分时系统的描述，本部分聚焦于64位模式下的内存管理单元（MMU）、虚拟地址空间布局以及特权级别（Rings）的实际工作机制。 启动过程的革新： 我们详细剖析了从BIOS/UEFI固件到操作系统内核接管控制权的全过程。这包括对UEFI（统一可扩展固件接口）的深入理解，它是现代系统初始化复杂性的关键。我们将解析内核引导加载程序（Bootloader，如GRUB或定制的UEFI应用）如何设置初步的页表、初始化核心数据结构，并安全地从32位实模式过渡到64位保护模式，最终将控制权交给内核的入口点。 中断与异常处理机制： 本部分花费大量篇幅讲解现代CPU如何通过中断描述符表（IDT）高效地处理硬件中断（如时钟中断、I/O中断）和软件异常（如缺页异常、除零）。我们将实现一个基础的、基于内核的向量化中断处理框架，确保上下文保存与恢复的原子性，这是实现高并发系统的首要条件。 第二部分：内存管理的现代挑战与解决方案 内存管理是操作系统的核心挑战。本书摒弃了对固定大小页面的单一讨论，转而深入研究现代内存管理的动态性和复杂性。 多级页表与硬件支持： 我们详细阐述了x86-64架构下的四级或五级页表结构，以及Translation Lookaside Buffer (TLB) 的工作原理及其对性能的决定性影响。本书将指导读者如何实现一个高效的TLB Shootdown机制，以确保在多核环境下缓存失效的同步性。 虚拟内存与物理内存的映射： 讨论了如何设计内核数据结构来管理物理页帧（Page Frames）的分配与回收，以及伙伴系统（Buddy System）和Slab分配器在内核内部对象分配中的优势与局限。重点关注如何处理内存压力，实现有效的页面置换算法（如Clock或改进的LRU），以及在物理内存耗尽时的应对策略。 内核内存保护与隔离： 深入探讨了KASLR (Kernel Address Space Layout Randomization) 的实现，用以提高内核的安全性。同时，介绍了硬件辅助的内存保护机制，如Intel的Supervisor Mode Access Prevention (SMAP) 和 Supervisor Mode Execution Prevention (SMEP)，及其在内核代码执行和数据访问控制中的应用。 第三部分：进程调度与并发控制的艺术 现代操作系统必须高效地在有限的CPU资源上承载大量的并发任务。本部分侧重于调度算法的设计与实现，以及确保并发操作正确性的同步原语。 时间片轮转与优先级调度： 我们将从零开始构建一个基于实时（Real-Time）和公平性（Fairness）原则的进程调度器。这包括对CFS（Completely Fair Scheduler）思想的深入分析与定制化实现，关注虚拟运行时间（vruntime）的计算、调度实体（Schedulable Entity）的管理，以及如何通过调度类（Scheduling Classes）支持不同类型的任务（如实时任务、标准进程）。 上下文切换的性能优化： 详细分析了上下文切换（Context Switch）中涉及的寄存器保存、栈切换、用户态/内核态栈切换、MMU上下文（如CR3寄存器）的更新等操作，并探讨了TLB维护和缓存污染对切换性能的影响。 同步原语的底层实现： 本部分是实现健壮并发系统的关键。我们将探讨基于硬件原子指令（如`LOCK`前缀、`CMPXCHG`、`RDRAND`）构建自旋锁（Spinlocks）、信号量（Semaphores）和互斥锁（Mutexes）的全过程。重点分析了锁的粒度、死锁预防策略以及如何利用RCU (Read-Copy-Update) 机制在读多写少的场景下实现零开销同步。 第四部分：I/O子系统与设备驱动的接口 操作系统必须与外部世界高效通信。本部分将重点放在如何设计一个灵活、可扩展的I/O框架，以应对高速网络和存储设备的需求。 中断驱动与轮询机制的平衡： 讨论了传统的中断驱动I/O的局限性，并介绍了自适应中断合并和中断亲和性（IRQ Affinity）的优化技术。对于高性能场景，我们将深入讲解轮询（Polling）和批量处理的概念。 现代I/O技术： 详细介绍了DMA（直接内存访问）的原理，包括总线仲裁、Scatter-Gather列表的构建，以及如何安全地在内核和设备之间共享缓冲区。更重要的是，本书将涵盖多队列网络接口（Multi-Queue NICs）和NVMe SSD的架构，展示如何利用中断/事件分流和用户态I/O（如io_uring）来绕过内核协议栈的开销，实现极低延迟的数据传输。 第五部分：虚拟化与安全边界的建立 在云计算和容器化的时代，理解如何构建隔离的安全边界至关重要。 内核的虚拟化感知（Virtio）： 本部分探讨了操作系统如何作为客户机（Guest OS）运行在Hypervisor之上。我们将分析Virtio这一标准化的设备模拟框架，解析前端（Guest Driver）与后端（Host Emulator）之间通过共享内存环形缓冲区进行通信的机制。 容器化隔离技术： 详细解析了Cgroups（控制组）如何限制进程对资源（CPU、内存、I/O）的使用，以及Namespaces（命名空间）如何隔离系统视图（PID、网络、挂载点）。我们将实现一个精简版的Namespace管理器，直观展示进程隔离的底层实现。 --- 本书的实践性极强，所有关键模块均附有基于开源微内核或定制化实验性内核的代码片段和设计思路，旨在让读者不仅理解“是什么”，更能掌握“如何做”和“为什么这样做”。《操作系统设计与实现：基于现代硬件架构》将是系统底层开发者迈向精通的必备指南。

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坦白讲，阅读《Unix Internals》这本书，是一次对自己技术认知边界的挑战。它所涵盖的知识点极为广泛，从底层的硬件交互，到上层的进程管理，几乎无所不包。我特别对书中关于多处理器系统（SMP）的支持和调度策略的讨论印象深刻。它详细解释了如何在多个 CPU 核心上高效地分配任务，以及如何处理 CPU 缓存一致性等复杂问题。这对于理解现代高性能计算系统的设计至关重要。此外，书中对内存泄漏检测和调试技术的介绍，也让我受益匪浅。通过深入了解内核是如何管理内存的，可以更有效地定位和解决程序中的内存问题。我尤其欣赏书中将复杂的概念分解为易于理解的单元，并辅以大量的图表和示例，这使得即使是初学者也能逐步掌握其中的奥秘。它并非一本速成的读物，而是需要读者沉下心来，反复咀嚼，才能真正领会其中的精髓。

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一本名叫《Unix Internals》的书，我最近终于有机会深入研读。坦白说，刚拿到它的时候，内心是带着一丝敬畏和期待的。对于许多在计算机领域摸爬滚打多年的老兵来说，Unix 的身影无处不在，它是现代操作系统理念的基石，其精妙的设计至今仍然影响着我们所使用的各种技术。然而，关于其内部运作机制的详细解析，尤其是那些隐藏在用户界面之下的底层逻辑，却常常是开发者们探究的难点。这本书，正是瞄准了这一痛点，试图揭开 Unix 这位“老者”神秘的面纱。它的厚度本身就传递出一种沉甸甸的知识量，仿佛每一页都蕴藏着无数前人的智慧和实践经验。翻开它，首先映入眼帘的是清晰的目录结构，预示着一场系统性的知识梳理即将展开。我尤其对那些关于进程调度、内存管理、文件系统以及 I/O 机制的章节充满了好奇，因为这些是决定一个操作系统性能和稳定性的核心要素。我渴望了解 Unix 是如何巧妙地在有限的硬件资源下，实现多任务并发，又是如何高效地组织和访问海量数据的。同时，我也期待书中能够提供一些历史渊源的介绍，理解 Unix 的设计哲学是如何在特定时代背景下形成的，以及这些设计理念在后来的操作系统发展中扮演了怎样的角色。对于我而言，这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一次与 Unix 灵魂深处的对话，一次对计算世界底层逻辑的探索之旅。

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《Unix Internals》这本书，给我的第一印象是它严谨而又系统性的编排。从宏观的系统架构概览，到微观的系统调用和中断处理，它几乎覆盖了 Unix 内核的每一个重要方面。我特别关注了书中关于进程和线程管理的部分。它不仅仅介绍了进程的创建、销毁和状态切换，还深入剖析了进程间通信（IPC）的各种机制，如管道、消息队列、共享内存等。理解这些机制，对于编写健壮的并发程序，或者分析复杂的系统交互行为至关重要。书中对于信号处理的讲解也十分到位，详细解释了信号的产生、传递和处理过程，以及如何利用信号来协调进程间的行为。此外，我对书中关于系统调用的实现细节尤为感兴趣。它解释了用户态程序如何通过系统调用请求内核服务，以及内核如何安全高效地响应这些请求。这中间涉及到用户态和内核态的切换，以及参数的传递和返回，每一个环节都充满了精妙的设计。阅读这本书，感觉就像是在学习一门底层语言，需要耐心和细致，但一旦掌握，就能对计算机系统的运行产生深刻的洞察。

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《Unix Internals》这本书，就像是一本武林秘籍，揭示了 Unix 内核深藏的奥秘。其中关于进程同步和锁机制的讲解，让我对并发编程中的挑战有了更深刻的体会。书中详细介绍了互斥锁、信号量、自旋锁等各种同步原语，以及它们在防止竞态条件和保证数据一致性方面的作用。对于那些需要编写高并发程序的开发者来说，这些知识是必不可少的。我尤其对书中对死锁的分析和预防策略的讨论感兴趣，这常常是并发编程中最棘手的问题之一。此外，书中对实时调度策略的介绍，也让我看到了 Unix 在对时间敏感的应用领域所能发挥的作用。理解这些不同的调度算法，有助于根据应用的需求选择最合适的调度方式，从而最大化系统的性能和响应速度。这本书的内容，远超出了普通开发者的日常需求，但对于系统架构师、内核开发者等而言，它无疑是宝贵的财富。

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我对《Unix Internals》这本书的评价，可以概括为它是一次深入人心的技术启蒙。书中关于文件系统缓存和页缓存的机制，让我明白了为什么 Unix 能够如此高效地处理文件 I/O。它详细解释了内核如何利用内存中的缓存来减少对磁盘的访问次数，从而显著提高文件读写速度。这对于优化需要频繁访问文件的应用程序具有极其重要的指导意义。同时，书中对网络 I/O 性能优化的讨论，也让我对 Unix 在网络服务器领域的统治地位有了更深的理解。从 socket 的创建到数据在网络协议栈中的传输，每一个环节都经过了精心的设计和优化。这本书的内容，并非易于理解，它需要读者具备一定的计算机科学基础，但一旦掌握，将能够极大地提升开发者或系统管理员在 Unix 领域内的专业能力。它不仅仅是学习知识，更是一种思维方式的转变。

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我发现《Unix Internals》这本书，对于理解 Unix 系统的安全性方面，提供了非常深入的视角。书中关于用户和组管理，以及文件权限模型的讲解，细致入微。它不仅仅是列出了 rwx 的基本概念，而是深入到了 ACL（Access Control Lists）以及更复杂的权限继承和访问控制策略。这对于保护敏感数据，构建安全的系统环境至关重要。我特别关注了书中对内核安全加固技术的讨论，例如 SELinux 或 AppArmor 等机制的原理和应用。这些安全机制的引入，极大地提升了 Unix 系统的安全性，使其能够抵御各种恶意攻击。此外，书中对审计和日志记录机制的介绍，也让我明白如何追踪系统活动，及时发现异常行为。理解这些安全机制，不仅仅是开发者需要掌握的，对于任何一个负责管理和维护 Unix 系统的管理员来说，都是必备的知识。

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我对《Unix Internals》这本书的感受，更像是踏上了一段充满发现的学术探险。书中对于 Unix 内核工作原理的剖析，绝非浅尝辄止的表面描述，而是深入到了每一个关键组件的细节之中。例如，在描述文件系统时，它不仅仅列举了 inode、超级块等基本概念，更是详细阐述了它们在磁盘上的物理布局，以及当用户执行一个文件读写操作时，内核是如何一步步找到数据块，并进行相应的权限检查和数据缓冲的。这种细致入微的讲解，让我对文件系统的健壮性和效率有了全新的认识。此外，书中关于内存管理的章节，也让我大开眼界。它不仅解释了虚拟内存、分页、分段等概念，还深入探讨了内核是如何管理物理内存的分配与回收，以及如何处理页面置换等复杂问题。这些内容对于理解系统性能瓶颈，优化程序行为至关重要。我尤其欣赏书中用大量图示和伪代码来辅助说明，这使得原本抽象的技术概念变得更加直观易懂。对于那些希望将 Unix 系统调优到极致的系统管理员，或者想要深入理解并发编程、分布式系统等高级主题的开发者来说，这本书无疑是一份宝贵的参考资料。它所提供的知识深度，能够帮助读者构建起一个坚实的底层理论基础，从而更有效地解决实际问题。

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这本书《Unix Internals》带给我的，是一种对计算机系统运作底层逻辑的深刻顿悟。其中关于 I/O 机制的详细解析，让我对 Unix 出色的 I/O 性能有了更深的理解。书中不仅解释了缓冲 I/O 和非缓冲 I/O 的区别，还详细阐述了内核如何利用 DMA（Direct Memory Access）技术来减少 CPU 的 I/O 负担。对于那些需要处理大量 I/O 操作的应用，例如数据库系统、Web 服务器等，书中提供的知识点无疑是优化性能的关键。我尤其欣赏书中关于异步 I/O 和 event-driven I/O 模型的讲解，这代表了现代 I/O 处理的发展方向，能够极大地提高系统的吞吐量和响应速度。此外，书中对网络协议栈的剖析也相当深入，解释了 TCP/IP 协议在 Unix 内核中的实现细节，从数据包的发送到接收，再到各种协议的处理，都进行了详尽的阐述。理解这些对于开发网络应用，或者进行网络故障排查至关重要。这本书不仅仅是理论知识的堆砌，更包含了大量实际应用的指导意义。

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《Unix Internals》这本书，给我的感觉是它提供了一个俯瞰 Unix 内核的绝佳视角。书中关于系统资源的分配和管理，例如 CPU 时间、内存空间、文件句柄等，都有着详尽的描述。我尤其对书中对进程优先级和调度策略的深入分析印象深刻。它解释了为什么有些进程能够获得更多的 CPU 时间，而有些则需要等待。理解这些调度机制，对于优化系统性能，提高用户体验至关重要。此外，书中对中断处理机制的详细阐述，也让我对硬件事件如何被内核响应有了清晰的认识。从硬件中断到软件中断，再到中断处理程序的执行，每一个环节都充满了精妙的设计。这本书不仅仅是一本关于 Unix 内核的书，更是一本关于计算系统底层运行原理的百科全书。它能够帮助读者建立起对计算机系统运作方式的整体认知。

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《Unix Internals》这本书，让我对 Unix 系统的健壮性和灵活性有了全新的认识。书中关于错误处理和异常机制的章节，详细阐述了内核是如何检测、报告和处理各种运行时错误的，以及如何通过信号和异常处理机制来保证系统的稳定性。我特别关注了书中对文件系统损坏检测和修复机制的介绍，这对于保护用户数据的完整性至关重要。同时，书中对于内核模块化设计的阐述，也让我明白了 Unix 系统为何能够如此容易地扩展和定制。通过加载和卸载内核模块，可以动态地添加新的设备驱动、文件系统或其他功能，而无需重新编译整个内核。这种灵活性极大地降低了系统的维护成本，也为开发者提供了更广阔的创新空间。此外，书中对系统启动过程的详细描述，也让我对 Unix 系统从硬件复位到用户登录的完整流程有了清晰的认识。每一个阶段，每一个组件，都扮演着不可或缺的角色。

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