Advanced Operating Systems and Kernel Applications

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出版者:Information Science Reference
作者:Yair Wiseman
出品人:
页数:331
译者:
出版时间:2009-10-15
价格:USD 180.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9781605668505
丛书系列:
图书标签:
  • OS
  • Kernel
  • 操作系统
  • 内核
  • 高级操作系统
  • 系统编程
  • Linux
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  • 驱动开发
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具体描述

《操作系统原理与实践:从底层到应用的高级解析》 内容提要 本书旨在为读者提供一个深入且全面的操作系统知识体系,涵盖从最基础的硬件接口到复杂的应用层软件设计。全书结构清晰,逻辑严谨,力求在理论深度与工程实践之间架起坚实的桥梁。我们着重于现代操作系统的核心机制、性能优化策略以及在多核、分布式环境下的新兴挑战。本书不仅会探讨经典操作系统理论(如进程与线程管理、内存虚拟化、文件系统结构),更会深入剖析当前主流操作系统(如Linux、FreeBSD及其衍生版本)的内核架构和实现细节。 第一部分:操作系统基础与体系结构 本部分奠定读者理解现代操作系统的基石。首先,我们将从硬件架构视角出发,详细介绍CPU、内存层次结构、I/O设备控制器的工作原理,以及操作系统内核如何通过中断和系统调用与硬件交互。 第一章:引言与操作系统概述 本章界定操作系统的核心职能与设计目标,对比批处理、分时、实时和分布式等不同类型的操作系统范式。重点分析面向服务的架构(SOA)与微内核/宏内核设计的优劣权衡。同时,介绍操作系统设计中抽象层和接口的重要性。 第二章:处理器管理与调度机制 本章深入探讨进程与线程的概念,区分用户级线程与内核级线程的实现差异。详细分析各种CPU调度算法,包括先来先服务(FCFS)、短作业优先(SJF)、优先级调度、轮转(Round Robin)以及多级反馈队列(MLFQ)。特别关注实时系统中的硬实时与软实时调度策略,如EDF(截止时间首次)和RMS(速率单调)。我们还将剖析现代CPU的乱序执行、超线程(SMT)对并发程序设计带来的挑战,以及内核如何通过上下文切换保证程序执行的正确性。 第三章:内存管理与虚拟化 内存管理是操作系统的核心难题之一。本章首先讲解物理内存的分配与回收策略,如伙伴系统(Buddy System)和 Slab 分配器。随后,深入讲解虚拟内存的工作原理,包括地址翻译过程、页表结构(单级、多级、反向页表)。我们将详细剖析页面置换算法(FIFO、LRU、OPT)及其在实际系统中的高效近似实现(如Clock算法)。此外,本章涵盖内存保护、内存共享机制,并对比不同体系结构下的内存管理单元(MMU)实现。 第二章:并发、同步与互斥 本章聚焦于并发控制的理论与实践。首先回顾并发执行带来的竞态条件问题。然后,系统地介绍经典的同步工具:信号量(Semaphores)、管程(Monitors)和消息传递机制。重点分析死锁的预防、检测、避免和恢复策略,特别是银行家算法在资源分配决策中的应用。对于现代多核系统,本章会讲解无锁(Lock-free)和等待期免费(Wait-free)数据结构的设计思想,以及内存屏障(Memory Barrier)在保证可见性方面的重要作用。 第二部分:文件系统、存储与I/O 本部分聚焦于数据持久化和外部设备交互。 第五章:文件系统结构与实现 本章剖析文件系统的组织结构,包括目录结构(线性、树形、无环有向图)、文件控制块(FCB)和索引节点(Inode)。详细介绍磁盘空间的组织与管理,如连续分配、链式分配和基于块的分配方案。重点分析日志文件系统(如Ext4、NTFS)如何保证事务的一致性与恢复能力,并对比写时复制(CoW)文件系统(如ZFS、Btrfs)的优势。 第六章:存储系统与I/O管理 本章讲解块设备和字符设备的区别,以及I/O请求的处理流程。重点探讨磁盘的物理结构、I/O调度算法(如SCAN、C-SCAN)如何优化寻道时间。最后,介绍缓冲/缓存管理策略,以及操作系统如何通过DMA(直接内存访问)减轻CPU在数据传输中的负担。 第三部分:系统安全、网络与高级主题 本部分涵盖操作系统在现代计算环境中的前沿应用和安全保障。 第七章:系统安全与访问控制 本章从操作系统的角度审视安全问题。讲解身份验证、授权机制和访问控制列表(ACL)。深入分析自主访问控制(DAC)、强制访问控制(MAC,如SELinux/AppArmor的基本原理)和基于角色的访问控制(RBAC)。本章还会讨论系统调用沙箱化、内核态与用户态隔离的安全性意义。 第八章:分布式系统与网络接口 本章侧重于操作系统如何支持网络通信。从BSD Socket接口入手,讲解TCP/IP协议栈在内核中的实现层次。探讨远程过程调用(RPC)的基本模型、实现挑战(如失败处理和幂等性),以及分布式文件系统(如NFS、SMB)的同步与缓存一致性问题。 第九章:性能分析与系统级调试 掌握如何衡量和优化系统性能至关重要。本章介绍性能分析的基本指标(吞吐量、延迟、利用率),以及常用的性能剖析工具(如perf、DTrace)。讲解内核调试技术,包括使用KGDB或KDB进行实时内核故障排查,以及如何分析系统跟踪日志以定位性能瓶颈。 目标读者 本书适合计算机科学、软件工程及相关专业的本科高年级学生、研究生,以及希望深入理解操作系统底层机制和提升系统级软件开发能力的专业工程师。具备C语言基础和基本数据结构知识的读者将能更好地吸收和应用书中的内容。

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读后感

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用户评价

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作为一名对系统底层有着浓厚兴趣的开发者,我一直寻求能够深入理解操作系统内核运行机制的书籍,而《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》无疑满足了我的这一需求,并且超出了我的预期。本书的深度和广度都令人惊叹,它不仅仅停留在概念层面,而是通过详细的源码分析和实际案例,将理论与实践紧密结合。作者对 Linux 内核的剖析尤其让我受益匪浅,无论是文件系统(如 ext4)的内部结构,还是进程管理的具体实现(如 O(1) 调度器),亦或是内存管理(如 slab 分配器)的细节,都被一一进行了深入浅出的讲解。我特别喜欢书中关于实时操作系统(RTOS)的部分,它让我了解了如何在对时间有严格要求的嵌入式系统或工业控制场景下,设计和实现具有高响应速度和低延迟的操作系统。书中的图示和伪代码也极大地帮助了我理解复杂的算法和数据结构,例如在介绍进程间通信(IPC)机制时,书中通过流程图清晰地展示了管道、消息队列、共享内存等不同方式的交互过程。另外,对于操作系统的安全特性,本书也有相当篇幅的论述,包括权限管理、访问控制列表(ACL)、安全审计等,这些内容对于构建健壮和安全的系统至关重要。总的来说,这本书为我提供了一个宝贵的视角,让我能够从一个更宏观、更底层的层面去理解和设计应用程序,从而写出更高效、更稳定、更安全的软件。

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我一直觉得操作系统就像是计算机的“幕后英雄”,默默地为我们运行着各种程序,但具体是怎么运作的,我一直没有一个清晰的概念。直到我读了《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》,我才真正体会到操作系统设计的精妙之处。这本书并没有采用枯燥乏味的理论堆砌,而是以一种非常“接地气”的方式,将各种复杂的概念娓娓道来。比如,在讲到文件系统时,我之前以为文件就是一块块数据存储在那里,但书中详细解释了 inode、目录项、文件分配块等概念,以及它们是如何组织起来形成我们看到的层级式文件系统的。我尤其喜欢关于网络协议栈的部分,我一直以为网络通信就是把数据发出去,但书中深入解析了 TCP/IP 协议族的层层封装和解封装过程,从物理层到应用层,每一步都充满了精巧的设计,使得数据能够在互联网上可靠地传输。书中还讨论了分布式操作系统的概念,让我对如何协调多台计算机协同工作有了初步的认识,这对于构建大规模服务至关重要。另外,对于操作系统的性能调优,书中也给出了一些实用的技巧和方法,例如如何分析系统瓶颈,如何优化 I/O 操作,如何调整内核参数等,这些都对我的实际工作非常有帮助。这本书让我不再仅仅是使用操作系统,而是开始真正理解它,甚至能够思考如何更好地与它交互,如何利用它的特性来提升程序的性能。

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我是一名在校学生,对计算机系统的底层原理一直充满了好奇,尤其是操作系统,总觉得它像一个神秘的黑箱。《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》这本书,就像一把钥匙,为我打开了这个黑箱,让我得以窥探其中精妙绝伦的设计。书中对进程状态转换、上下文切换的讲解,让我清晰地理解了程序是如何在 CPU 上运行和被切换的。我特别喜欢书中关于内存分页和分段的对比分析,这让我明白了不同的内存管理策略是如何在性能、安全性和灵活性之间进行权衡的。书中还详细介绍了各种进程间通信(IPC)机制,例如管道、信号量、消息队列、共享内存等,并给出了清晰的示例,这对于我进行并发编程非常有帮助。此外,对于操作系统的启动过程,书中也进行了相当篇幅的论述,从 BIOS/UEFI 到操作系统的加载,让我对整个系统启动的流程有了完整的认识。书中还涉及了虚拟化技术,让我对虚拟机和容器的原理有了更深入的理解,也让我明白了它们是如何实现资源隔离和共享的。这本书的内容非常丰富,涵盖了操作系统方方面面,让我受益匪浅,也激发了我对操作系统领域更深入研究的兴趣。

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我一直认为,操作系统是计算机系统的基石,理解它对于任何一个深入研究计算机科学的人都至关重要。而《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》这本书,恰恰满足了这一需求,并且远远超出了我的期待。《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》的作者在解释复杂的概念时,总是能够找到恰当的比喻和清晰的逻辑,使得原本晦涩难懂的主题变得触手可及。我尤其喜欢书中关于内存层次结构和缓存一致性的讲解,这让我深刻理解了为什么现代处理器会设计如此复杂的缓存机制,以及如何通过合理的内存访问模式来提升程序的性能。书中对文件系统结构的深入分析,让我明白了数据是如何在磁盘上被组织和检索的,以及不同的文件系统(如 ext4, XFS)在设计理念上的差异。此外,对于操作系统的内核模块开发,书中也提供了一些入门级的指导和示例,这让我看到了一个普通应用程序与操作系统内核之间的界限,以及如何通过编写内核模块来扩展操作系统的功能。我对书中关于实时性保证和任务优先级管理的章节也颇感兴趣,这为我理解一些对时间要求严格的应用场景(如航空航天、自动驾驶)提供了重要的理论基础。这本书的内容非常丰富,每一章都让我学到很多新的知识,也让我对操作系统的整个生态系统有了更全面的认识。

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这本书就像一盏明灯,照亮了我对操作系统内核世界的探索之路。《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》在深入讲解每一个技术细节的同时,并没有忽视其背后的设计哲学和权衡。我印象最深刻的是书中对不同同步原语(如自旋锁、互斥锁、读写锁)的比较分析,让我明白了在不同的并发场景下,应该选择哪种原语才能达到最佳的性能和安全性。书中对系统调用的实现机制的剖析也让我茅塞顿开,我之前以为应用程序直接访问硬件,但这本书让我明白了系统调用是如何充当应用程序和内核之间的桥梁,以及它在保护内核和用户空间的安全方面所起到的关键作用。对于 I/O 调度算法,书中也给出了非常详尽的解释,让我理解了 Elevator 算法、CFQ 算法等是如何优化磁盘 I/O 性能的。此外,书中还涉及了一些与操作系统性能相关的底层硬件特性,如 CPU 缓存、内存控制器等,这些内容进一步加深了我对系统整体性能瓶颈的理解。我甚至开始尝试根据书中的建议,对我的应用程序进行性能调优,并取得了一些令人欣喜的成果。这本书的价值在于其深度和实用性,它为我提供了一个坚实的理论基础,也为我指明了实践的方向。

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我一直对操作系统是如何处理并发和并行请求感到好奇,尤其是在服务器端,需要同时处理大量的用户请求,而《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》这本书简直像一本“武林秘籍”,为我揭示了其中的奥秘。书中对多核处理器环境下进程和线程的调度策略进行了深入剖析,让我明白了为什么有些系统能够高效地利用多核资源,而有些则显得力不从心。我特别对书中关于中断处理和异常管理的讲解印象深刻,理解了当硬件事件发生时,操作系统是如何快速响应并切换到相应的处理程序,确保系统的稳定性和及时性。此外,对于内存管理,书中也提供了一些非常实用的见解,例如页面置换算法的演进,以及TLB(Translation Lookaside Buffer)在加速地址翻译中的作用。这些细节对于理解程序的性能至关重要。书中还讨论了分布式文件系统和分布式事务,这些内容对于构建高可用、可扩展的分布式系统非常有启发。我甚至开始思考,如何将书中介绍的这些概念应用到我目前的项目中,以提升系统的吞吐量和响应速度。总而言之,这本书不仅仅是一本技术书籍,更是一本能够激发思考、指导实践的宝贵财富。

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作为一名经验丰富的软件工程师,我一直在寻找一本能够帮助我更深入理解操作系统内核,并能将这些知识应用于实际开发的书籍,《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》无疑满足了我的这一需求。这本书的深度和广度都令人印象深刻,它不仅仅停留在理论层面,而是通过对 Linux 内核源代码的分析,深入剖析了各种核心组件的实现细节。我尤其喜欢书中关于调度器、内存管理器和文件系统的章节,这些内容让我对操作系统如何高效地管理和利用系统资源有了更深刻的理解。书中对并发控制和同步机制的讲解也十分到位,让我能够更好地处理多线程环境下的复杂问题。此外,书中还探讨了分布式操作系统的概念,以及如何在分布式环境下实现资源共享和协同工作,这对于我开发和维护大型分布式系统非常有启发。我甚至开始尝试将书中介绍的一些优化技巧应用于我目前的项目中,并取得了显著的性能提升。总而言之,这本书为我提供了一个宝贵的视角,让我能够从一个更宏观、更底层的层面去理解和设计应用程序,从而写出更高效、更稳定、更安全的软件。

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我原本以为操作系统只是一个被动运行的程序,但《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》彻底颠覆了我的认知。这本书就像一个经验丰富的向导,带领我一步步探索操作系统的奥秘。我印象最深刻的是关于“deadlock”(死锁)的章节,书中不仅解释了死锁产生的四个必要条件,还详细介绍了各种预防、避免和检测死锁的算法,让我对如何设计健壮的并发系统有了更清晰的认识。此外,书中对 I/O 子系统的深入剖析,让我明白了为什么有时候程序的 I/O 操作会成为性能瓶颈,以及如何通过各种技术来优化 I/O 效率。对于文件系统的性能优化,书中也给出了一些实用的建议,例如如何选择合适的文件系统类型,如何进行文件系统的碎片整理等。书中还讨论了操作系统的安全特性,包括访问控制、权限管理、加密等,这些内容对于构建安全的系统至关重要。我甚至开始思考,如何将书中介绍的一些安全机制应用到我目前开发的应用程序中,以提升其安全性。这本书的价值在于其深度和广度,它为我提供了一个宝贵的学习资源,也让我对操作系统有了更全面的认识。

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坦白说,在翻开《Advanced Operating Systems and Kernel Applications》之前,我对操作系统的理解还停留在非常基础的层面,甚至一度觉得这会是一本晦涩难懂的“天书”。然而,这本书彻底改变了我的看法。作者的叙事风格非常吸引人,他并没有一上来就抛出大量的专业术语,而是通过生动的比喻和循序渐进的讲解,引导读者一步步深入操作系统的心脏。我尤其欣赏书中关于进程和线程管理的详细阐述,理解了为什么会有多进程和多线程模型,以及它们在不同的场景下各自的优势和劣势。书中对同步和互斥机制的解释也相当到位,我曾经在多线程编程中遇到过一些难以调试的并发问题,这本书为我提供了理论上的指导,让我能够更清晰地理解问题的根源,并找到有效的解决方案。此外,对于操作系统的资源管理,例如 CPU 时间、内存空间、I/O 设备等,书中都进行了详尽的论述,让我明白了操作系统是如何在众多进程和线程之间公平有效地分配这些有限资源的。书中还涉及了一些高级主题,如虚拟化技术,这让我对虚拟机和容器的底层原理有了更深刻的认识,也理解了它们如何在隔离的环境中运行应用程序,同时又能共享宿主机的资源。这本书无疑为我打开了一个全新的视角,让我对计算机系统的运行方式有了更全面的理解。

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这本书简直是打开了我对操作系统世界的一扇新大门,我原本以为操作系统只是个后台默默工作的存在,是程序员们幕后辛苦的成果,但读完这本书,我才意识到它内部的复杂性、精妙性和其对整个计算机系统性能的决定性影响。作者深入浅出的讲解,将原本抽象的概念具象化,让我能清晰地理解进程调度算法是如何工作的,线程和进程之间的区别与联系,以及内存管理策略如何影响程序的运行速度和稳定性。尤其让我印象深刻的是关于虚拟内存的部分,我之前一直以为内存就是一块固定的物理空间,但这本书让我明白了操作系统如何通过地址映射和页面置换等技术,巧妙地管理和利用有限的物理内存,创造出看似更大的内存空间,从而支持更多、更复杂的应用程序同时运行。对于多处理器系统下的并发控制,书中也进行了详尽的论述,锁、信号量、条件变量等同步机制的原理和应用场景都得到了清晰的阐释,我甚至能想象到在多核CPU上,这些机制是如何协调不同处理器上的线程,避免数据竞争和死锁的发生。此外,书中的 I/O 子系统部分也让我大开眼界,理解了缓冲、缓存、中断等技术如何优化设备访问的效率,以及文件系统是如何组织和管理海量数据的。总而言之,这本书让我对操作系统有了颠覆性的认知,从一个“黑箱”变成了一个我可以深入探索的迷宫,每一个章节都充满了智慧和巧妙的设计,让我迫不及待地想进一步了解其底层实现细节。

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