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出版者:

作者:张述信

出品人:

页数:321

译者:

出版时间:2009-7

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787302199359

丛书系列:

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深入浅出：现代操作系统原理与实践 图书名称：现代操作系统原理与实践 ISBN： 978-7-111-68792-1 (虚构) 作者： 张伟, 李明 出版社： 机械工业出版社 (虚构) --- 内容简介 在信息技术飞速发展的今天，操作系统（Operating System, OS）作为计算机系统的核心和基石，其重要性不言而喻。它不仅是硬件与应用软件之间的桥梁，更是决定整个计算生态性能、安全性和稳定性的关键因素。《现代操作系统原理与实践》 一书，旨在为读者提供一个全面、深入且注重实践的操作系统知识体系。我们避免了对基础C语言编程的侧重讲解，而是将全部篇幅聚焦于操作系统自身的复杂机制、设计哲学以及在当代多核、分布式环境下的最新发展。 本书从底层硬件抽象出发，逐步剖析现代操作系统的核心组件和功能模块，帮助读者构建起坚实的理论基础，并掌握如何应用这些原理来设计、实现和优化实际的系统软件。 第一部分：底层基础与系统抽象 本部分着重于操作系统赖以生存的物理基础和软件抽象层。我们首先回顾了计算机体系结构中与操作系统紧密相关的部分，如特权级（Rings）、中断向量表（IVT）和内存管理单元（MMU）的底层工作方式，而非侧重于C语言的指针和数据结构操作。 1.1 引导过程与内核初始化： 深入探讨了从固件（BIOS/UEFI）到加载第一个内核指令的完整流程。重点分析了多阶段引导加载器（如GRUB）如何将控制权安全地交给内核，以及内核启动时如何设置初始的内存布局、初始化关键数据结构，并切换到保护模式或长模式。 1.2 中断、异常与系统调用接口： 系统调用的设计是用户空间与内核空间交互的唯一安全途径。本书详细分析了不同架构（x86-64为主）下系统调用的实现机制，包括系统调用号的传递、上下文保存与恢复，以及如何处理来自硬件（中断）和软件（异常）的异步事件。我们强调的是接口设计和机制的健壮性，而非如何用C语言编写这些接口的语法。 1.3 进程与线程管理的核心： 进程是操作系统的基本执行单元。本书超越了简单的“程序运行起来”的概念，深入探讨了进程控制块（PCB）的完整结构、上下文切换的开销分析，以及硬件支持（如TLB管理）在优化这些操作中的作用。线程模型方面，我们对比了用户级线程与内核级线程的优劣，并详细阐述了现代OS中轻量级进程（LWP）的设计理念，特别是线程同步原语（如信号量、互斥锁）的内核级实现细节。 第二部分：内存管理的艺术与工程 内存管理是操作系统最复杂也最关键的模块之一，直接关系到系统的隔离性、安全性和性能。本书摒弃了对简单分段或分页理论的重复讲解，而是聚焦于现代系统如何高效地处理物理和虚拟内存。 2.1 虚拟内存与地址翻译机制： 详细解析了多级页表结构（如四级或五级页表），特别是其在物理存储上的稀疏性处理和缓存优化。我们重点讨论了性能瓶颈，如TLB未命中（TLB Miss）的处理流程、页表遍历的硬件加速，以及操作系统如何动态调整页表深度。 2.2 内存分配器设计与实践： 我们深入分析了内核内部的内存分配策略，包括伙伴系统（Buddy System）如何管理物理内存页，以及slab/slub分配器如何高效地服务于小对象的动态请求。书中包含对这些分配器内部数据结构和回收机制的详细剖析，强调其无锁或低锁的设计哲学，以适应高并发内核环境。 2.3 内存保护与共享机制： 探讨了内存保护的多种手段，如NX位（防止代码执行）、W^X策略。在进程间通信（IPC）方面，重点分析了基于内存映射（mmap）的共享内存机制，以及操作系统如何处理页面错误（Page Fault）的注入、恢复和转发，确保内存访问的原子性和一致性。 第三部分：并发控制与同步机制的深度剖析 现代计算环境的特征是多核并行。本部分专门针对并发控制这一难点，深入探究同步原语在内核层面的高效实现。 3.1 并发模型与同步硬件支持： 我们分析了现代CPU提供的原子操作指令（如CAS、Fetch-and-Add）如何作为构建更复杂同步机制的基石。重点讲解了内存屏障（Memory Barriers/Fences） 的必要性、类型及其在代码中对编译器和硬件重排序的干预作用，这远超出了C语言中`volatile`关键字的简单语义。 3.2 锁机制的演进与优化： 书中详细对比了公平锁与非公平锁的设计异同。更重要的是，深入剖析了自旋锁（Spinlocks） 在不同场景下的适用性，以及读写锁（Read-Write Locks） 在内核中的具体优化技术，例如如何避免写操作饥饿。 3.3 经典同步问题的高级解决方案： 针对生产者-消费者、哲学家进餐等经典问题，本书不满足于传统的信号量或管程解法，而是探讨了在多处理器环境下，如何使用无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）或基于RCU（Read-Copy-Update）等内核特定机制来实现高性能、高并发的同步访问。 第四部分：I/O子系统与文件系统设计 I/O操作是系统性能的瓶颈所在。本部分聚焦于操作系统如何高效地管理外部设备和持久化存储。 4.1 I/O架构与中断处理： 分析了传统中断驱动I/O、DMA（直接内存访问）以及现代基于事件驱动的异步I/O模型（如Linux的io_uring）。重点解析了中断处理程序（IRQs）的上下文切换、下半部机制（如软中断、Tasklets、Workqueues）的设计目的和优先级划分，以确保内核响应的实时性。 4.2 块设备管理与调度： 深入探讨了块设备的抽象层，以及I/O调度器（如CFQ, Deadline, NOOP, BFQ）如何根据不同的负载需求（如数据库访问、流媒体播放）优化磁盘寻道和请求合并，以提高吞吐量和公平性。 4.3 现代文件系统结构： 详细剖析了日志文件系统（Journaling File Systems）的工作原理，如如何通过日志保证写入操作的原子性。针对新一代文件系统（如Ext4, XFS, Btrfs），我们分析了它们在数据布局、校验和（Checksumming）和快照管理方面的创新，强调文件系统如何与虚拟内存系统紧密协作（如页缓存）。 第五部分：分布式与虚拟化中的操作系统 随着云计算和大规模系统的普及，操作系统需要具备管理物理集群和提供隔离环境的能力。 5.1 进程间通信（IPC）的现代手段： 不仅限于传统的管道和信号，本书重点阐述了基于消息传递的IPC（如Binder机制在某些体系结构中的应用）以及高性能的共享内存IPC的实现。 5.2 操作系统虚拟化： 详细解析了Hypervisor（虚拟机监视器）的分类（Type 1 vs Type 2）。针对全虚拟化、半虚拟化和容器化（如Linux Cgroups和Namespaces）的机制，重点分析了操作系统内核如何通过虚拟化层进行陷阱（Trapping） 和再虚拟化（Paravirtualization） 的处理，以实现硬件资源的隔离和高效共享。 5.3 可靠性、安全与调试： 最后，本书探讨了操作系统如何应对安全威胁，包括内核模块的签名验证、地址空间布局随机化（ASLR）的底层实现，以及如何利用内核调试工具（如kdb, GDB with QEMU）进行系统级故障诊断和性能分析。 --- 本书特色： 1. 机制驱动： 聚焦于“如何工作”的底层机制，而非仅仅停留在API的调用层面。 2. 架构无关性与实践结合： 虽然以x86-64为例，但原理讲解力求抽象，并提供了大量对开源内核（如Linux）关键代码路径的引用和分析。 3. 面向系统工程师： 本书假定读者已具备扎实的编程基础（此处指系统级编程，非初级语言语法），目标是培养下一代系统架构师、内核开发者和高性能计算专家。 目标读者： 计算机科学专业高年级本科生、研究生，以及有志于从事操作系统开发、嵌入式系统、云计算平台或高性能计算领域工作的专业工程师。

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哇，这本书简直是为我量身定做的！我一直觉得C语言这玩意儿玄之又玄，学起来总是抓不住重点。市面上很多教材要么太理论化，公式堆砌，要么就是简单粗暴地罗列语法，完全不接“地气”。但这本书不一样，它的章节安排就像一位经验丰富的老教师在循循善诱。从最基础的数据类型讲起，没有那种居高临下的说教感，而是用非常生活化的例子来解释抽象的概念。比如讲到指针的时候，作者没有直接扔出复杂的内存地址运算，而是先用“房间钥匙”的比喻，让我一下子就明白了指针的本质——它只是一个指向另一个位置的“地址记录员”。这种由浅入深、层层递进的讲解方式，让我在学习过程中几乎没有遇到“卡壳”的时刻。而且，书中很多代码示例都非常贴合实际开发场景，不像有些书里的例子，写出来能运行，但你完全不知道在实际工作中能拿来干嘛。看完前几章，我简直有种“茅塞顿开”的畅快感，感觉自己终于踏上了C语言的康庄大道。这本书的排版和插图设计也做得极其用心，重点内容清晰突出，让人阅读体验非常舒服，长时间阅读也不会感到视觉疲劳。对于初学者来说，这本书简直是避坑神器，强烈推荐给所有想真正搞懂C语言的同学！

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我是一个工作了几年，但C语言基础一直比较薄弱的软件工程师，很多时候写C代码都是靠“经验”和“模仿”，心里总觉得虚。这本书对我而言，更像是一次系统化的“内功心法”的重塑。它最吸引我的地方在于对数据结构和算法在C语言中的具体实现进行了深入的剖析。不同于纯粹的算法书，这本书直接将抽象的链表、树、图等结构，用C语言的指针和结构体完美地映射出来，并且详细讨论了边界条件和性能优化。读到关于哈希表实现的那一章时，我彻底被折服了。作者不仅给出了经典的开放定址法和链地址法的C代码实现，还细致地分析了装载因子对查找效率的影响，甚至讨论了如何选择一个好的哈希函数。这种由“概念”到“代码实现”再到“性能分析”的完整闭环，为我后续学习更复杂的算法打下了无比坚实的基础。它不是简单地给你代码，而是教你如何“设计”和“实现”这些核心的数据结构。这本书的价值在于，它将C语言的底层能力与上层的抽象思维完美地结合起来，是那种读完之后，你会感觉自己的编程功力得到了质的飞跃的书籍。

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我花了很长时间寻找一本能真正帮助我从“脚本式思维”过渡到“系统化编程”的C语言书籍，市面上那些过度依赖图形界面和拖拽操作的教程让我感到空虚。这本书则完全是另一种画风——硬核、扎实，但绝不晦涩难懂。它的内容组织逻辑非常有章法，仿佛在构建一座宏伟的知识大厦。比如，它在讲解结构体和联合体时，会很自然地引出内存对齐和位域的概念，而不是孤立地介绍这些知识点。这种知识点的“串联”能力是这本书最大的亮点之一。当你学到文件I/O时，它会立刻联系到之前学过的缓冲区管理和错误处理机制，让你体会到编程的连贯性。这种环环相扣的结构，极大地提升了我的整体理解能力。阅读过程中，我常常会停下来，思考作者是如何将这些看似分散的C语言特性编织成一个统一的整体的。书中的习题设计也十分巧妙，它们很少是那种“套公式”就能解决的，更多的是需要你运用前面学到的多个知识点进行综合分析和设计。这种难度适中的挑战性，让每一次成功解决问题都带来了巨大的成就感，也让我的编程肌肉得到了真正的锻炼。

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坦白讲，我之前对C语言的印象就是“老古董”、“难啃的骨头”，很多资料都过时了，代码风格也比较陈旧。这本书彻底颠覆了我的看法。作者在介绍基础语法的同时，非常巧妙地融入了现代C编程的最佳实践和规范。比如，在讲解内存管理时，它不仅详细解释了 `malloc/free` 的工作原理和陷阱，还对比了C++中RAII思想在C语言环境下的模拟实现方法，虽然C语言本身不直接支持，但这种思维的迁移对于提升代码的健壮性至关重要。这本书的“新意”在于它没有将C语言孤立看待，而是将其置于整个计算科学的背景下进行阐述。它会时不时地抛出一些关于操作系统原理、编译器优化的小贴士，让你明白你写的每一行代码背后到底发生了什么。这种“知其然更知其所以然”的讲解方式，极大地激发了我深入探索底层原理的兴趣。这本书的语言风格是那种极其严谨而又充满温度的学者风格，没有丝毫的浮夸，但每一个字都掷地有声，充满了专业性。如果你想写的C代码不仅能运行，而且是“优雅”和“健壮”的，这本书不容错过。

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说实话，我本来对这类技术书籍抱持着“能用就行”的态度，毕竟编程语言无非就是那点东西，换个包装而已。然而，这本书的深度和广度超出了我的预期。它不仅仅停留在“教会你怎么写出能跑的C代码”这个初级阶段，而是着力于培养读者的编程思维和工程素养。让我印象特别深刻的是它对“调试与排错”这一环节的重视程度。很多教材往往一笔带过，草草了事，但这本书用了专门的篇幅，详细讲解了如何使用调试工具（比如GDB）来追踪程序运行的每一步，如何有效地阅读编译器的警告信息，以及如何从错误信息中反推代码的逻辑漏洞。这部分内容对我这种常常在代码中迷失方向的“新手”来说，简直是雪中送炭。读完这部分，我感觉自己不再是那个只会“猜”代码哪里错了的蹩脚程序员，而是有了一套系统的方法论去“诊断”问题。此外，书中对C语言标准库函数的介绍也非常全面且实用，不仅仅是告诉你函数名和参数，更重要的是讲解了它们在不同场景下的性能考量和潜在陷阱。这种兼顾理论深度和实战操作的叙事风格，让这本书更像是一位资深导师的“私房笔记”，而不是冷冰冰的教材。

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