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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Walls, Colin

出品人:

页数:416

译者:

出版时间:2005-10

价格:$ 74.52

装帧:Pap

isbn号码:9780750679541

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式系统
• 嵌入式软件
• 软件开发
• C语言
• 实时操作系统
• 硬件接口
• 驱动程序
• ARM
• 微控制器
• 调试

深入探索现代电子系统：非嵌入式软件的广阔天地 本书旨在为读者构建一个全面的知识图谱，聚焦于那些不直接运行于资源受限微控制器环境中的软件系统。我们将剥离对底层硬件的直接依赖，深入探讨构建现代、高性能、高可维护性应用程序所需的理论基础、架构设计和高级技术。 --- 第一部分：操作系统与系统编程的基石 (The Bedrock of Modern Computing) 本部分将把读者的视野从微小的实时内核拉回到支持我们日常计算任务的宏大操作系统之上，探讨它们如何管理资源、提供抽象以及支撑复杂应用。 第一章：现代操作系统内核的深入剖析（非实时聚焦） 我们将全面解析通用操作系统（如 Linux 和 Windows NT 内核结构）的设计哲学，重点关注其在通用性和可扩展性上的权衡，而非嵌入式系统中常见的极致实时性追求。 内存管理的高级策略： 深入研究虚拟内存的工作原理、分页机制、TLB（转换后援缓冲器）管理，以及现代内核如何处理巨大的地址空间和内存保护。我们将对比用户态与内核态的内存映射差异，以及现代文件系统的缓存机制。 进程与线程模型： 详述抢占式多任务调度算法（如 CFS 调度器），探讨调度延迟与吞吐量之间的权衡。深入分析用户级线程库（如 NPTL）与内核线程的交互，以及上下文切换的开销与优化。 I/O 子系统的革命： 聚焦于异步 I/O 框架（如 Linux 的 `io_uring` 或 Windows 的 IOCP）。理解零拷贝技术如何绕过内核缓冲区，极大地提升网络和文件操作的效率，这与嵌入式中直接操作寄存器的模式形成鲜明对比。 安全与隔离： 探讨现代操作系统如何通过权限管理、安全模块（如 SELinux 或 AppArmor）以及容器化技术（如 cgroups 和 namespaces）实现进程间的严格隔离，构建多租户环境。 第二章：高性能系统编程与并发模型 本章侧重于如何编写充分利用多核CPU和复杂内存层次结构的应用程序，关注锁的粒度、内存一致性模型的实际影响。 内存一致性模型详解： 深入理解 x86/ARM 架构下的内存屏障（Fences）和内存排序规则。我们将分析编译器优化（如重排序）如何影响多线程代码的正确性，并演示如何使用标准库（如 C++ 的 `std::atomic`）来编写无锁或低锁数据结构。 并行计算范式： 介绍区分于嵌入式简单中断处理的复杂并发模式。详细探讨 Fork/Join 框架、Pipeline 并行以及数据流编程模型。 高性能通信库： 剖析如 MPI（消息传递接口）或 TBB（Threading Building Blocks）等库的设计，它们如何抽象底层的线程和同步原语，实现大规模并行计算。 --- 第二部分：网络、分布式系统与云原生架构 (The Distributed Frontier) 本部分将带领读者离开单一机器的范畴，进入需要跨越物理距离、处理故障和维护一致性的复杂分布式环境。 第三章：现代网络协议栈与高性能网络编程 我们将跳过简单的 TCP/IP 基础配置，聚焦于应用层如何突破协议栈的限制，实现超低延迟和高吞吐量通信。 传输层之上： 深入探讨 gRPC/Protocol Buffers 的序列化机制，以及 QUIC 协议（HTTP/3 的基础）如何通过消除队头阻塞提升用户体验。 高性能服务器架构： 分析 Reactor 模式（如 Proactor 和 Leader-Follower）在处理数百万并发连接中的应用。探讨 Nginx、Envoy 等反向代理和负载均衡器背后的事件驱动内核设计。 拥塞控制与流量整形： 讨论 TCP 拥塞控制算法（如 BBR）如何适应现代网络环境，以及应用层如何通过明确的流量控制信号来优化网络资源的使用。 第四章：分布式系统理论与一致性模型 本书不再讨论单个节点的存储，而是深入探讨如何在不可靠的网络中维护数据的正确性。 CAP 理论的实践应用： 详细分析一致性模型（如 线性一致性、因果一致性、最终一致性）在不同业务场景下的取舍。 共识算法的实现： 深入剖析 Raft 和 Paxos 算法的完整流程，包括日志复制、领导者选举和安全性证明。我们将分析实际系统中（如 etcd、ZooKeeper）对这些算法的变体和优化。 分布式事务处理： 研究 2PC（两阶段提交）的局限性，并重点讲解 SAGA 模式和 TCC（Try-Confirm-Cancel）在微服务架构中实现补偿性事务的机制。 第五章：微服务、容器化与云基础设施 本章聚焦于现代应用部署的蓝图，即如何构建、部署和运维松耦合、高弹性的服务集合。 服务网格（Service Mesh）： 探讨 Istio 或 Linkerd 等技术如何通过 Sidecar 模式，将服务发现、熔断、流量路由等非功能性需求从业务代码中解耦出来，提升运维能力。 无状态与有状态服务的边界： 区分需要持久化状态的数据库服务（如 CockroachDB）与完全无状态的 API 网关。探讨状态持久化如何通过分布式快照和日志流（如 Kafka）实现跨地域容灾。 可观测性（Observability）： 深入探讨现代分布式系统的三大支柱：日志聚合（ELK/Loki）、分布式追踪（Jaeger/Zipkin）和黄金指标（Prometheus），它们如何取代传统的简单调试方法。 --- 第三部分：高级应用软件与编译技术 (Application and Compilation Frontiers) 本部分关注于构建高抽象层级的应用软件，以及底层编译技术如何影响这些软件的性能和安全性。 第六章：编译器理论与代码生成（超越固件编译） 我们将从目标代码生成的角度，审视如何优化面向通用CPU架构的复杂程序。 中间表示（IR）优化： 详细分析 LLVM IR 在 SSA（静态单赋值）形式下的工作原理。重点研究死代码消除、循环展开、向量化（SIMD）指令生成等关键优化 passes。 即时编译（JIT）机制： 剖析 JVM 或 V8 引擎中的 JIT 编译器，如方法内联、逃逸分析和去虚拟化技术，如何实现与静态编译语言相媲美的性能。 链接与加载： 深入研究 ELF/PE 文件格式，动态链接器（ld.so）的工作流程，以及共享库加载、重定位和惰性绑定机制。 第七章：数据库系统核心技术（面向 OLAP/OLTP） 本书将不涉及简单的设备驱动级数据存储，而是聚焦于复杂查询处理和数据一致性的企业级数据库。 查询优化器设计： 探索基于成本的优化器（CBO）如何利用统计信息（直方图、基数估计）来选择最佳的执行计划，例如如何决定是使用 Hash Join 还是 Nested Loop Join。 事务隔离级别的实现： 详细分析 MVCC（多版本并发控制）的内部机制，如 PostgreSQL 或 Oracle 如何通过回滚段和快照实现读已提交或可重复读隔离级别。 列式存储与数据仓库： 探讨面向分析处理（OLAP）的 Parquet 或 ORC 文件格式的优势，以及它们如何利用字典编码和列裁剪来加速扫描密集型查询。 --- 结论： 本书为读者提供了一条清晰的路径，从操作系统的核心机制到全球部署的分布式架构，再到应用层面的编译优化，全面覆盖了现代非嵌入式软件开发的复杂领域。读者将掌握设计、构建和维护下一代复杂计算系统的必备技能。

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