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出版者:人民邮电出版社

作者:董晓梅

出品人:

页数:332

译者:

出版时间:2002-8-1

价格:28.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787115104755

丛书系列:

图书标签:

• Java
• 应用
• 设计
• 软件架构
• 编程
• 开发
• 企业级应用
• 模式
• 最佳实践
• 实战
• 代码

《深入理解操作系统：从内核到用户空间的全面剖析》 本书特色与内容导览 在当今的计算领域，操作系统（Operating System, OS）无疑是连接硬件资源与上层应用程序的基石。无论是服务器集群、桌面工作站，还是嵌入式设备，对操作系统的深刻理解都是构建高效、稳定、安全系统的先决条件。本书《深入理解操作系统：从内核到用户空间的全面剖析》，旨在为有志于成为系统级工程师、内核开发者、高性能计算架构师以及资深软件工程师的读者，提供一套系统化、深入且紧密结合实际的操作系统原理与实践指南。 本书的核心目标是超越教科书上对概念的简单罗列，深入剖析现代主流操作系统（侧重于类Unix及Linux内核架构）在设计哲学、底层实现机制以及性能优化策略上的精妙之处。我们不追求广度上覆盖所有操作系统，而是力求在深度上将核心组件的运作原理剖析透彻。 --- 第一部分：操作系统的基石与硬件交互 本部分奠定理解操作系统的基础，重点阐述操作系统如何管理最底层的硬件资源，并建立起高效的抽象层。 第一章：系统启动与硬件抽象 引导过程的魔力： 详细解析从BIOS/UEFI固件到操作系统内核加载的完整流程。探讨Bootloader（如GRUB）在用户态与内核态之间的过渡作用，以及内存映像的建立过程。 特权级与保护环： 深入讲解CPU的运行模式（Ring 0, Ring 3等）如何定义了内核与用户空间的权限边界。分析中断描述符表（IDT）和全局描述符表（GDT）在硬件异常与系统调用的处理中的角色。 内存分段与分页机制： 彻底剖析虚拟内存的引入，重点解析页表结构（一级、二级甚至三级页表）的遍历过程，以及硬件MMU（Memory Management Unit）如何实现地址的快速转换。 第二章：中断、异常与系统调用接口 中断处理的生命周期： 区分硬件中断（如定时器、I/O完成）与软件中断/异常（如除零、缺页异常）。阐述中断向量表的设计和上下文切换在处理中断时的必要性。 系统调用的实现： 详细分析用户程序请求内核服务的机制，包括`syscall`/`int 0x80`的汇编指令层面的触发过程，内核如何验证参数，以及返回用户态的恢复流程。 --- 第二部分：核心资源管理——进程与内存 本部分聚焦于操作系统最核心的两大管理任务：如何定义和调度“正在运行”的工作单元，以及如何高效地分配和保护内存空间。 第三章：进程与线程管理：并发的基石 进程的结构与上下文： 深入剖析进程控制块（PCB）的完整结构，以及进程上下文（寄存器、栈指针、程序计数器）的保存与恢复机制。 线程模型与内核态线程： 对比用户级线程与内核级线程的优劣。详细解释`fork()`、`vfork()`、`clone()`等关键系统调用的底层差异及其在资源共享上的影响。 进程调度算法的精妙： 不仅讲解FIFO、RR等基础算法，更重点剖析现代内核的复杂调度器（如CFS——完全公平调度器）的设计思路，包括虚拟运行时间（vruntime）的计算和红黑树在调度实体管理中的应用。 第四章：虚拟内存与物理内存的精细调控 物理内存的组织： 介绍伙伴系统（Buddy System）如何高效地管理和分配物理页框（Page Frame），以及内存区（Zone）的概念。 内核内存分配器（Slab/SLUB）： 深度解析内核如何管理小对象分配，对比Slab分配器解决内存碎片化和提高初始化速度的策略。 内存映射（mmap）与文件I/O的统一： 探讨`mmap`如何将文件内容直接映射到进程的虚拟地址空间，以及惰性加载（Demand Paging）和缺页异常的处理流程。 --- 第三部分：并发控制与同步机制 理解并发编程的难度，关键在于理解数据竞争的根源以及操作系统提供的同步原语的效率。 第五章：同步原语与竞态条件 互斥锁与信号量的底层实现： 分析自旋锁（Spinlock）与休眠锁（Mutex）在不同场景下的适用性，以及它们如何通过原子操作（如Test-and-Set）来保证临界区的原子性。 进程间通信（IPC）机制： 全面解析管道（Pipe）、消息队列（Message Queue）、共享内存（Shared Memory）以及System V IPC和POSIX IPC的实现细节和性能权衡。 第六章：信号量、条件变量与屏障 条件变量的精确控制： 阐述条件变量如何与互斥锁结合使用，以解决“等待特定状态”的问题，并分析其在用户空间库（如pthreads）与内核实现之间的接口转换。 死锁的预防、检测与恢复： 结合资源分配图理论，分析内核如何通过资源排序或银行家算法的思想来管理潜在的死锁风险。 --- 第四部分：I/O子系统与文件系统 本部分将目光投向操作系统与外部世界的交互核心——输入/输出系统。 第七章：现代I/O模型与设备驱动 阻塞与非阻塞I/O： 深入比较标准阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O多路复用（`select`/`poll`/`epoll`）的设计原理，尤其侧重`epoll`的事件驱动机制及其在高性能网络服务器中的优势。 异步I/O（AIO）： 探讨AIO的内核实现，以及它如何允许应用程序在等待I/O完成时执行其他计算任务。 设备驱动接口（Char/Block Devices）： 简要介绍设备驱动程序的基本结构，以及它们如何通过中断和DMA（直接内存访问）与硬件高效通信，减少CPU干预。 第八章：文件系统的组织与操作 磁盘结构与数据布局： 解析磁盘的物理结构、扇区与块的概念，以及文件系统如何通过超级块、Inode表、数据块位图等结构来组织文件元数据。 日志与数据完整性（Journaling）： 重点分析日志文件系统（如ext4, XFS）如何通过日志机制在系统崩溃后快速恢复数据一致性。 缓存与页缓存（Page Cache）： 深入研究文件I/O操作（如`read`/`write`）如何利用页缓存来加速访问，以及内核如何进行缓存回收与回写策略。 --- 第五部分：网络栈与安全机制 本书最后一部分关注操作系统如何支撑现代分布式应用的基础——网络通信，以及保障系统安全的关键技术。 第九章：TCP/IP协议栈的内核实现 Socket接口与内核映射： 讲解用户空间的Socket调用如何转化为内核中的网络数据结构（如`sk_buff`）。 TCP的流量控制与拥塞避免： 详细剖析TCP的慢启动、拥塞窗口、快速重传/恢复等算法在操作系统网络层代码中的具体实现，以及其对网络性能的影响。 数据包的生命旅程： 跟踪一个网络数据包从硬件接收中断，经过网络协议栈各层处理，最终到达用户进程的完整路径。 第十章：操作系统安全与沙箱机制 地址空间布局随机化（ASLR）： 解释ASLR如何通过随机化栈、堆、库的加载地址，增加代码重用攻击（ROP）的难度。 权限控制与安全增强（SELinux/AppArmor）： 介绍强制访问控制（MAC）模型，以及这些机制如何超越传统的DAC（自主访问控制）来限制进程的能力。 容器化技术背后的OS特性： 聚焦于cgroups（控制组）对资源限制的实现原理，以及namespace（命名空间）隔离进程视图（PID、网络、挂载点）的技术基础，揭示容器与传统进程的本质区别。 --- 总结 《深入理解操作系统：从内核到用户空间的全面剖析》不仅是一本理论参考书，更是一份系统架构师的“武器库”。通过对Linux内核等主流系统的深入剖析，本书旨在帮助读者建立起一个扎实、全面的操作系统知识体系，从而能够诊断复杂性能问题、设计健壮的并发程序，并最终掌控驱动现代计算的底层逻辑。阅读本书后，你将不再把操作系统视为一个“黑箱”，而是能够理解其内部每一个组件如何协同工作，以实现对计算资源的完美抽象与管理。

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