具体描述
《普通高等教育十一五国家级规划教材•大学计算机基础》共分为8章，主要内容包括信息技术与计算机、计算机系统基础、操作系统基础、计算机网络基础、程序设计基础、数据库技术基础、多媒体技术基础、信息安全与职业道德等。
好的，这是一本关于“大学计算机基础”之外的计算机科学与技术领域的书籍简介，旨在涵盖更专业、更深入的主题： --- 书名： 《精通系统级编程与操作系统设计：从内核到应用的高效实践》 作者： [此处可填充专业领域内知名专家姓名] 第一版 导言 在信息技术日新月异的今天，计算机科学的知识体系已不再局限于基础概念的认知。对于希望在软件开发、系统架构或前沿技术领域深耕的专业人士而言，仅仅掌握“计算机基础”层面的知识是远远不够的。我们需要理解计算机是如何从硬件层面一步步构建起复杂应用世界的，如何管理资源、调度任务，以及如何确保系统的稳定、高效与安全。 《精通系统级编程与操作系统设计》正是一本旨在填补这一知识鸿沟的深度技术专著。本书摒弃了对初学者友好的、宏观的软件操作介绍，聚焦于底层逻辑、系统接口以及复杂软件的构建艺术。它不是一本关于如何使用Word或PPT的指南，也不是一本关于基础概念的普及读物。本书面向的是有志于成为资深工程师、架构师或系统研究人员的读者，力求提供一套扎实、系统且极具实践价值的知识体系。 本书核心内容概述 本书的结构设计遵循从硬件抽象层向应用层渐进深入的原则，共分为七个紧密关联的模块： 第一部分：现代计算机体系结构深入解析（Architectural Deep Dive） 本部分彻底超越了冯·诺依曼结构的简单描述，深入探讨了当代高性能处理器的设计哲学。 1. 流水线与超标量架构： 详细剖析指令级并行（ILP）技术，包括分支预测器的机制、乱序执行（Out-of-Order Execution）的实现细节，以及它们如何影响程序性能和调试难度。 2. 内存层次结构与缓存一致性： 深入讲解多级缓存（L1, L2, L3）的组织方式、缓存块的同步协议（如MESI协议的变种），以及程序员应如何通过数据布局优化来避免缓存抖动（Cache Thrashing）。 3. 向量化指令集（SIMD）： 重点介绍SSE、AVX等指令集对数据并行计算的支撑，并提供C/C++内在函数（Intrinsics）的实际编程案例，展示如何榨取现代CPU的全部吞吐能力。 第二部分：C语言进阶与系统级内存管理（Advanced C and Memory Management） 系统级编程的基石在于对C语言的精准掌控，尤其是在内存层面。 1. 指针的艺术与陷阱： 超越基础的指针运算，本书探讨了函数指针、指向成员的指针，以及如何安全地使用`restrict`关键字进行编译期优化。 2. 运行时内存布局与分配器实现： 详细剖析栈、堆、数据段、代码段的实际布局。我们将从原理上解构`malloc()`和`free()`的内部机制，对比链表分配器（如Doug Lea’s Malloc）与红黑树分配器的性能权衡。 3. volatile与内存屏障： 深入阐述并发环境下的可见性问题，解释`volatile`的真正含义，并详细介绍各种硬件内存屏障（Load/Store Barriers）在不同架构上的作用。 第三部分：操作系统内核原理与设计（Operating System Kernel Principles） 这是本书的理论核心，重点在于理解操作系统的“魔法”是如何被实现的。 1. 进程与线程模型： 区分进程与线程的内核表示（如Linux中的`task_struct`），深入研究上下文切换（Context Switching）的开销与优化，并探讨用户级线程与内核级线程的区别。 2. 高级调度算法： 不仅限于分时调度，本书详细分析了实时调度（如EARN-EDF）和现代Linux内核的完全公平调度器（CFS）的B-Tree实现逻辑。 3. 虚拟内存与地址翻译： 详解页表（Page Table）的层级结构，TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理，以及缺页中断（Page Fault）的处理流程，包括`mmap()`和`fork()`的实现细节。 第四部分：文件系统与持久化存储（Filesystems and Persistence） 理解数据如何从易失性内存迁移到永久存储是构建可靠系统的关键。 1. 主流文件系统结构剖析： 深入分析Ext4、XFS、Btrfs的元数据结构、日志（Journaling）机制以及数据块的分配策略。 2. I/O路径优化： 探究操作系统如何通过缓冲池（Buffer Cache）、延迟写入（Write-back）策略来优化块设备的访问效率。 3. 固态硬盘（SSD）的特殊性： 讲解闪存的工作原理（P/E循环）、磨损均衡（Wear Leveling）技术，以及如何使用`fstrim`/`discard`命令来维护SSD性能。 第五部分：并发、同步与并行编程（Concurrency and Parallelism） 本书提供了构建高性能、多核应用所需的同步工具箱。 1. 原子操作与无锁数据结构： 讲解CAS（Compare-and-Swap）操作如何取代传统的互斥锁，并提供实现无锁队列（Lock-Free Queue）和无锁栈的范例。 2. 并发模型对比： 深入比较线程模型（如pthreads）、消息传递模型（如Actor模型）和CSP模型（如Go语言的Goroutines），分析其在不同场景下的适用性。 3. 死锁、活锁与饥饿： 系统性地介绍检测、预防和避免并发问题的算法，并提供高级调试工具的使用指南。 第六部分：网络编程与协议栈（Network Programming and Protocol Stack） 覆盖从Socket接口到网络协议的系统实现层面。 1. TCP/IP协议栈的内核实现： 重点关注Linux内核中的Socket缓冲区管理、拥塞控制算法（如Reno, Cubic）的演进，以及中断处理对网络性能的影响。 2. 高性能网络I/O模型： 深入对比阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O多路复用（select/poll/epoll）的内在机制和性能差异。特别关注`epoll`的边缘触发（Edge Triggered）模式的优化应用。 3. 零拷贝技术： 讲解`sendfile()`等系统调用的原理，以及如何通过DMA和内核缓冲区避免数据在用户空间和内核空间的冗余拷贝。 第七部分：系统调试、性能分析与安全基础（Debugging, Profiling, and Security Primitives） 理论的价值最终体现在实践和保障上。 1. GDB深度调试技术： 掌握条件断点、硬件观察点、追踪函数调用栈的复杂技巧，以及如何解析核心转储文件（Core Dump）。 2. 性能分析工具链： 熟练使用`perf`、`strace`、`ltrace`等工具，分析CPU性能计数器事件，定位缓存未命中和分支预测错误等深层瓶颈。 3. 内存安全与防护机制： 介绍现代操作系统如何对抗缓冲区溢出攻击，包括ASLR（地址空间布局随机化）、DEP/NX位（数据执行保护）的原理和绕过技术。 目标读者群体 本书不适合初次接触计算机科学概念的在校本科生。它专为以下读者设计： 1. 有经验的软件工程师： 希望从应用层深入理解其代码运行环境，优化底层性能。 2. 系统级软件开发者： 从事嵌入式、驱动开发、编译器或高性能计算的人员。 3. 研究生与科研人员： 需要深入研究操作系统、分布式系统或体系结构领域。 结语 《精通系统级编程与操作系统设计》旨在将冰冷的理论转化为可操作的工程知识。掌握这些底层原理，不仅能让你写出更健壮、更高效的代码，更能让你在面对复杂系统故障和性能瓶颈时，拥有“透视”的能力。阅读本书，意味着你选择了一条通往专业深度的道路。 ---
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