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出版者:天津电子出版社，北京洪恩教育科技有限公司，北京洪恩教育培训学校

作者:杨武编

出品人:

页数:380 页

译者:

出版时间:2004-4

价格:48.0

装帧:平装

isbn号码:9787900376459

丛书系列:

图书标签:

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深入理解现代操作系统：从内核到用户空间的实践指南 图书名称：《深入理解现代操作系统：从内核到用户空间的实践指南》 图书简介 本书并非专注于数据库编程的特定领域，而是将视野投向了计算机科学的基石——操作系统。我们致力于为读者提供一个全面、深入且高度实践性的视角，剖析现代操作系统（如Linux和类Unix系统）在设计、实现和运行层面上的核心机制。这不是一本简单的理论综述，而是通过大量源代码分析、系统调用剖析和性能调优实例，帮助读者真正“走进”操作系统的内部。 第一部分：操作系统的基石与核心结构 本部分将系统地介绍操作系统的基本概念、历史演进，并着重分析现代操作系统的宏观架构。 第一章：操作系统的角色与架构演变 本章首先界定操作系统的核心职能：资源管理、抽象提供和安全隔离。我们将追溯从批处理系统、分时系统到现代多核、分布式操作系统的演变路径。重点分析操作系统的经典架构模型，如单体内核（Monolithic Kernel）、微内核（Microkernel）以及混合内核（Hybrid Kernel）的设计哲学、优缺点和适用场景。我们将以Linux内核为例，展示混合架构如何在实际中平衡性能与模块化。 第二章：硬件抽象层与引导过程 理解操作系统如何与底层硬件交互是至关重要的。本章深入探讨硬件抽象层（HAL）的作用，以及中断和异常处理机制如何作为内核与硬件通信的桥梁。我们将详细解析系统的启动过程，从固件（如BIOS/UEFI）到引导加载程序（Bootloader，如GRUB）的接管，再到内核的解压、初始化以及用户空间环境的建立。通过跟踪实际的启动日志，读者将掌握系统首次启动时发生的每一个关键步骤。 第三章：内存管理的核心原理 内存是操作系统最关键的管理资源之一。本章超越了简单的虚拟内存概念，深入探究现代系统如何实现高效且安全的内存管理。内容包括： 分页与分段机制： 详细解析页表的结构、多级页表的实现方式，以及TLB（Translation Lookaside Buffer）在加速地址转换中的关键作用。 虚拟内存与物理内存的映射： 分析内核如何维护内存映射表（如`vm_area_struct`），以及用户程序如何通过系统调用（如`mmap`）请求和管理内存区域。 页面置换算法的实践： 对LRU、时钟算法等经典算法进行理论回顾，并结合Linux内核源码分析其FIFO和近似LRU算法的实际变种，探讨它们在处理缺页中断时的效率。 内核内存分配器（Slab/SLUB/SLOB）： 剖析内核如何高效管理小对象内存池，避免内部碎片化。 第二部分：进程、线程与并发控制 本部分聚焦于操作系统如何管理程序的执行实例，这是实现多任务处理的基础。 第四章：进程的生命周期与上下文切换 本章详细描绘进程的完整生命周期，从创建（`fork`/`clone`）到终止。重点分析进程控制块（PCB）中存储的关键信息。核心内容是对“上下文切换”（Context Switching）的深入剖析： 切换的成本分析： 探讨寄存器保存、TLB无效化等操作对系统性能的具体影响。 调度器决策过程： 跟踪内核如何选择下一个要运行的进程或线程，为第五章做铺垫。 第五章：高级调度算法与性能调优 进程调度是决定系统响应速度和公平性的核心。本章涵盖了从经典的先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）到现代实时的优先级继承和分时调度。 Linux的CFS（Completely Fair Scheduler）： 详细解读CFS如何通过“虚拟运行时”（vruntime）的概念实现“完全公平”的调度，以及`nice`值如何影响进程的优先级权重。 实时调度策略： 区分硬实时、软实时和尽力而为（Best-Effort）调度，分析SCHED_FIFO和SCHED_RR策略。 实践：调度器参数调优： 提供实际操作指南，指导读者如何通过修改内核参数或使用`chrt`等工具来优化特定应用的调度行为。 第六章：同步、互斥与并发安全 处理并发访问共享资源是多线程编程中最具挑战性的部分。本章深入探讨操作系统提供的同步原语及其底层实现。 原子操作与内存屏障（Fences）： 分析CPU指令层面的原子操作如何保证操作的不可分割性，以及内存屏障在跨处理器通信中的必要性。 锁的机制： 详细区分自旋锁（Spinlock）和互斥锁（Mutex）的应用场景，并探讨Futex（快速用户空间互斥锁）在用户空间和内核空间间的协同工作方式。 信号量与条件变量： 阐述它们在复杂同步场景中的应用，并解析内核如何管理等待队列。 第三部分：文件系统与I/O管理 本部分关注操作系统如何抽象和管理持久化存储设备，以及高效的数据传输机制。 第七章：块设备驱动与I/O调度器 本章从底层开始，理解数据如何在磁盘上移动。 I/O子系统架构： 介绍块设备层、I/O请求队列和中断处理流程。 I/O调度算法： 深入分析传统的Elevator算法（如Anticipatory, Deadline）以及现代系统广泛采用的Noop和Deadline/BFQ调度器的优化策略，特别是针对SSD和机械硬盘的不同需求。 零拷贝技术： 详细讲解`sendfile()`等系统调用如何通过DMA和内核缓冲区，避免数据在用户空间和内核空间之间的冗余拷贝，极大提升网络I/O性能。 第八章：现代文件系统的内部机制 本章将聚焦于日志文件系统（如Ext4, XFS）和下一代文件系统（如Btrfs, ZFS）的关键特性。 元数据管理： 解析inode结构、目录项缓存（Dentry Cache）和超级块（Superblock）的存储与维护。 数据完整性与日志： 阐述写时复制（Copy-on-Write, CoW）技术在快照、卷管理中的应用，以及日志如何确保文件系统的原子性恢复。 缓存策略： 深入分析页缓存（Page Cache）和缓冲区缓存（Buffer Cache）的区别与协作，以及它们如何影响磁盘访问延迟。 第四部分：系统调用、进程间通信与安全沙箱 本部分将读者带到用户空间与内核交互的边界，探讨安全隔离和通信的工程实践。 第九章：系统调用的实现与性能考量 系统调用是用户程序请求内核服务的唯一合法途径。本章剖析其内部流程： 软中断与陷阱机制： 跟踪一次系统调用（如`read()`或`write()`）从用户态进入内核态的完整汇编级过程。 系统调用表与参数传递： 理解内核如何通过中断向量表定位服务例程，以及参数如何在寄存器和栈上传递。 性能瓶颈分析： 讨论系统调用带来的“门开销”及其优化策略，例如使用`vDSO`技术来避免部分调用进入内核。 第十章：进程间通信（IPC）与网络栈基础 探讨不同进程如何高效地交换数据和信号。内容涵盖： 传统IPC机制： 管道（Pipe）、消息队列、共享内存（Shared Memory）的实现细节与性能对比。 Socket通信基础： 简要介绍BSD Socket API，重点分析TCP/IP协议栈在内核中的处理流程，特别是套接字缓冲区的管理。 第十一章：安全与隔离：容器化技术的核心 本章探讨现代操作系统如何实现轻量级的隔离机制，这是虚拟化和容器技术的基础。 命名空间（Namespaces）： 详细解析PID、Mount、Network、User等各种命名空间如何为进程提供独立的系统视图。 控制组（cgroups）： 深入分析cgroups如何对CPU、内存、I/O资源进行限制和度量，是现代资源管理的关键。 安全增强： 简要介绍SELinux/AppArmor等强制访问控制（MAC）模型，及其与传统自主访问控制（DAC）的区别。 总结与展望 全书最后将对操作系统的未来发展趋势进行展望，包括非易失性内存（NVDIMM）的影响、异构计算（GPU/FPGA）的内核集成挑战，以及面向云计算和边缘计算的轻量级操作系统设计理念。 本书适合有C语言基础，对底层原理有强烈好奇心，希望从“使用者”转变为“设计者”的软件工程师、系统架构师以及操作系统课程的研究生学习使用。它要求读者具备扎实的计算机体系结构知识，并愿意直接阅读和分析内核源代码片段，从而构建起一个坚实、立体的操作系统知识体系。

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从排版和装帧的角度来看，这本书的质量也是一流的。纸张厚实，印刷清晰，即使长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。书本的尺寸适中，方便携带，无论是放在桌上研读还是放在包里通勤学习都很合适。排版上，代码块和文字描述的间距处理得非常舒服，关键概念的突出显示（比如加粗或使用不同的颜色块）也非常到位，有效地引导了读者的视觉焦点。很多技术书籍为了压缩篇幅，会把代码挤得很紧凑，但这本则保持了足够的留白，使得阅读体验大大提升。这种对细节的关注，反映出出版方和作者对最终产品质量的极致追求。一本好的技术书，除了内容为王，良好的阅读体验也是成功的关键因素之一，而这本书在这方面确实做到了无可挑剔，让人愿意反复翻阅。

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我是一个非常注重学习工具和资源整合的人。这本书在这一点上做得非常出色。除了核心的文字和代码示例外，作者似乎还精心准备了一套辅助学习系统。我注意到书后附带了一个访问链接，指向一个专门的在线资源库。这个资源库里不仅包含了书中所有代码的完整工程文件，还有很多额外的练习题和版本更新的说明文档。这种线上线下一体化的学习体验，极大地提升了学习的效率和深度。很多时候，光看书本上的片段代码难以运行，但有了完整的工程文件作为参照，我就能快速定位问题所在，这对于自学者来说简直是救命稻草。另外，书中对不同数据库产品的兼容性也有提及，虽然主要集中在一个主流产品上，但作者清晰地指出了不同平台下的语法差异和需要注意的陷阱，体现了作者的严谨态度和对读者负责的态度。

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坦率地说，我以前接触过几本数据库的书籍，很多都陷入了枯燥的理论堆砌，读起来非常晦涩难懂。但这本作品完全不同。它的语言风格极其幽默风趣，作者似乎非常懂得如何与读者“交心”。比如，在讲解数据库范式的时候，作者没有直接抛出那些拗口的定义，而是用了一个非常生动的比喻，把数据冗余比作“信息的重复劳动”，一下子就抓住了我的注意力。这种叙事手法使得学习过程变得非常轻松愉快，原本感觉枯燥的知识点也变得有血有肉。此外，书中对最新技术趋势的关注也让我印象深刻，它不仅仅停留在对老旧技术的讲解上，还巧妙地融入了现代开发框架下的数据交互模式探讨，这使得这本书的生命力得以延续。对于渴望在学习中找到乐趣的读者来说，这本书无疑是上佳之选，它证明了技术书籍也可以写得引人入胜。

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这本书的封面设计得相当吸引人，采用了深蓝色调，配上简洁明了的白色字体，给人一种专业且易于理解的感觉。拿到书后，首先映入眼帘的是目录，结构清晰，脉络分明。作者在编写时显然花了不少心思，从基础概念的引入，到复杂功能的实现，层层递进，逻辑性很强。特别是对于初学者来说，书中对SQL语句的讲解非常细致，几乎涵盖了日常开发中会遇到的所有常见操作。配图和代码示例也恰到好处，让抽象的概念变得生动具体。我特别喜欢它在讲解过程中穿插的一些“小贴士”和“注意事项”，这些经验之谈在其他同类书籍中并不常见，真正体现了作者深厚的实践功底。整体来看，这本书的知识覆盖面很广，从数据库设计到性能优化都有所涉及，对于想要打下扎实基础的读者来说，无疑是一个非常好的起点。读完第一部分，我已经感觉自己对数据库操作有了更深层次的理解，不再是简单的增删改查，而是开始思考如何构建更健壮的系统。

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这本书的行文风格非常接地气，没有那种高高在上的理论说教，更像是一位经验丰富的工程师在手把手教你如何解决实际问题。作者非常注重“实战”环节，每个章节的理论讲解后，紧接着就是一系列贴近企业应用的案例分析。我记得有一次在做一个数据报表导出功能时遇到了瓶颈，正好翻到书中关于复杂查询优化的那一节，作者提出的那套组合拳——包括索引优化、子查询的改写以及事务隔离级别的调整——简直是茅塞顿春！这些知识点在其他入门书籍里往往被一带而过，但这本书却花了大量的篇幅深入剖析了它们的底层原理和适用场景。更值得称赞的是，书中对于常见错误的处理和调试技巧也做了详细的说明，这对于我们这些一线开发人员来说极其宝贵，能大大提高排错效率。我甚至觉得，这本书与其说是一本教材，不如说是一本案头必备的“速查手册”。

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