具体描述
好的，这是一本不包含《詳解UNIXプログラミング》内容的图书简介。 --- 书名：现代系统编程与高性能计算：从底层原理到实践应用 作者： [此处留空，或填写虚构的专家姓名] 出版社： [此处留空，或填写虚构的出版社名称] ISBN： [此处留空，或填写虚构的ISBN] 图书简介： 在当今快速发展的软件工程领域，构建高效、可靠且可扩展的系统已成为核心竞争力。本书旨在为资深的软件开发者、系统架构师以及对底层技术有深入追求的工程师提供一本全面的指南，专注于现代操作系统环境下的系统编程范式、并发控制机制、内存管理策略以及高性能计算（HPC）的实践技巧。我们不再停留于对特定操作系统早期接口的详尽罗列，而是将焦点放在跨平台兼容性、现代多核架构的优化、以及云原生应用对系统资源利用效率的极致要求上。 本书的深度和广度超越了基础的应用程序开发，直抵操作系统的核心机制，并结合最新的硬件特性，如异构计算（GPU/FPGA）和新型存储技术（NVMe），来探讨如何设计出能够在苛刻环境下稳定运行的软件。 第一部分：现代操作系统内核交互与抽象 本部分将系统地剖析现代Linux和类Unix内核的内部工作原理，但重点是基于这些原理如何进行高效的系统调用和库函数设计。我们将深入探讨进程与线程模型的演进，分析用户空间与内核空间边界的边界效应。 进程间通信（IPC）的现代方法： 摒弃传统的信号量和管道的低效模式，重点介绍基于共享内存的高速IPC、消息队列的优化实现，以及现代RPC框架（如gRPC）在底层网络栈上的工作机制。我们将详细分析`mmap`在实现高性能数据交换中的关键作用，以及它与文件I/O模型的区别与融合。 高级I/O模型与异步编程： 深入研究epoll（Linux）/kqueue（BSD系）的事件驱动机制，理解其与传统的多线程阻塞I/O模型的性能差异。我们将构建一个基于事件循环的服务器框架，并探讨如何使用Rust或Go等现代语言中的异步运行时（如Tokio或Goroutines）来管理数百万并发连接，对比这些高层抽象背后的系统调用开销。 内存管理与虚拟内存的深入解析： 讲解现代CPU的缓存一致性协议（MESI等）如何影响多线程性能。本书将详细拆解虚拟内存的页表结构，分析TLB（Translation Lookaside Buffer）的缓存效率，并指导读者如何通过内存对齐、伪共享（False Sharing）的规避，以及智能地使用`hugepages`来最大化内存访问速度。 第二部分：高并发与并行计算的工程化 在多核处理器已成标配的今天，如何正确、高效地利用并行性是系统编程的重中之重。 锁的艺术与无锁数据结构： 不仅仅是介绍互斥锁（Mutex）和读写锁（RWLock），本书将聚焦于内存屏障（Memory Barriers）的底层作用，以及如何利用原子操作（Atomic Operations）来构建复杂的无锁（Lock-Free）或无等待（Wait-Free）数据结构，如队列、栈和哈希表。我们将通过实际代码案例，展示如何使用CAS（Compare-and-Swap）指令来避免内核态切换带来的性能损耗。 并行模型比较与选择： 全面比较OpenMP的编译时并行化、POSIX Threads (pthreads)的手动管理，以及TBB (Threading Building Blocks)等更现代的并行算法库。重点分析任务剥削模型（Task Stealing）的效率，并提供何时选择细粒度同步、何时采用大粒度任务分解的决策框架。 系统级调试与性能分析工具链： 教授如何使用perf, SystemTap, eBPF等尖端工具进行精确的性能度量。这包括火焰图的解读、系统调用跟踪、以及识别I/O等待、锁竞争和缓存未命中等瓶颈的系统化流程。 第三部分：高性能计算（HPC）与异构加速 本部分面向需要将计算密集型任务推向极限的开发者，涵盖了如何有效地利用GPU和分布式环境。 GPU计算编程范式： 深入探讨CUDA/OpenCL编程模型，着重于内存层次结构（全局内存、共享内存、寄存器）的优化，以及线程束（Warp）调度的原理。我们将分析如何设计高效的内核函数，减少内存合并失败（Coalescing Failure）和分支不一致（Divergence）问题。 高性能网络与分布式系统： 讲解RDMA（Remote Direct Memory Access）在低延迟集群中的应用，以及InfiniBand/RoCE协议栈的优化点。对于大规模计算，我们将探讨MPI（Message Passing Interface）的最新标准，并分析如何针对网络拓扑结构调整通信原语以减少同步开销。 存储系统效率： 区别对待SSD与传统磁盘I/O的特性。介绍AIO（Asynchronous I/O）在处理大量并发小文件读写时的优势，并探讨内存文件系统（tmpfs）和持久化内存（PMEM）对数据库和缓存系统的影响。 本书特色： 本书的代码示例全部采用C++17/20标准，并辅以Rust语言的并发安全特性进行对比，确保读者掌握的是面向未来的系统编程技术栈。我们避免了对过时API的冗余介绍，而是将精力集中在理解硬件限制、操作系统调度、以及软件架构三者交汇处的工程智慧。 目标读者： 精通C/C++或至少一门系统级语言，拥有至少三年软件开发经验的工程师，希望将自己的系统性能调校至极致的专业人士。本书要求读者具备扎实的计算机体系结构和操作系统基础知识。 ---
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