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出版者:电子工业出版社

作者:(美)John Goerzen

出品人:

页数:748

译者:

出版时间:2000-10

价格:79.00元

装帧:

isbn号码:9787505362109

丛书系列:

图书标签:

• 编程
• Linux
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• 网络编程
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• 实用指南

《现代操作系统原理与实践：从内核到应用》 导读： 深入理解操作系统的核心机制，掌握从硬件交互到用户空间调度的全景视图。本书旨在为资深开发者和系统架构师提供一本全面、深入且富有实践指导意义的参考手册，重点剖析当前主流操作系统（如类Unix系统）的设计哲学、关键数据结构和高性能实现技巧。 --- 第一部分：操作系统基础架构与硬件抽象层 第一章：操作系统概述与历史演进 本章将系统回顾操作系统的核心职能，并追踪其从批处理系统、分时系统到现代多核、分布式操作系统的发展脉络。重点探讨操作系统作为资源管理器和扩展机器的双重角色。我们将分析不同设计范式的优缺点，例如宏内核与微内核架构的选择对系统稳定性和模块化的影响。 1.1 资源管理的基石： 探讨处理器、内存、I/O设备作为有限资源的抽象与调度机制。 1.2 核心架构对比： 深入剖析 monolithic kernel（宏内核）与 microkernel（微内核）在设计哲学、性能开销和维护性上的权衡，并引出现代混合内核的设计考量。 1.3 系统调用接口： 详细分析用户空间与内核空间的安全边界，理解系统调用的生命周期、上下文切换的成本以及系统调用表的实现细节。 第二章：处理器管理与进程并发 进程是现代操作系统的核心抽象。本章专注于如何管理和调度这些并发执行的实体。我们将解构进程与线程的内部结构，并深入探究调度算法的优化策略。 2.1 进程与线程的结构： 详述进程控制块（PCB）和线程控制块（TCB）的关键组成部分，包括寄存器上下文、栈指针、内存映像指针等。对比用户级线程与内核级线程的实现差异。 2.2 上下文切换的艺术： 深入分析上下文切换（Context Switch）的完整流程，包括 TLB 失效处理、缓存污染的评估以及如何通过硬件支持（如寄存器组切换）来最小化切换延迟。 2.3 高级调度策略： 不仅介绍经典的先来先服务（FCFS）、轮转（RR）算法，更侧重于现代操作系统中使用的复杂、面向优先级的调度器，如完全公平调度器（CFS）的红黑树实现机制，以及实时系统的截止时间单调（DMS）调度考量。 第三章：内存管理与虚拟化 内存是系统中最关键且最受限制的资源。本章详细阐述操作系统如何通过分层抽象（虚拟内存）来解决物理内存不足、提高并发性以及提供内存隔离的问题。 3.1 虚拟地址空间布局： 详细解析用户进程的内存布局（代码段、数据段、堆、栈）及其动态增长机制。 3.2 分页机制与地址翻译： 深入探讨二级或多级页表的实现，Page Table Entry (PTE) 的结构，以及硬件辅助的内存管理单元 (MMU) 如何实现快速地址翻译。 3.3 缺页中断处理： 剖析缺页（Page Fault）发生时的完整内核处理流程，包括确定故障类型、查找物理页、页面置换算法（如 LRU 的近似实现）以及恢复执行的步骤。 3.4 内存分配器设计： 对比内核内部 Slab/SLUB 分配器和用户空间 `malloc` 实现（如 Jemalloc, TCMalloc）的设计哲学，重点讨论内存碎片化、初始化开销和锁的粒度控制。 --- 第二部分：设备管理与I/O系统 第四章：I/O子系统与中断处理 I/O操作是性能瓶颈的常见来源。本章关注操作系统如何有效地管理异构设备，并建立高效的数据传输通道。 4.1 中断驱动 I/O： 详细描述硬件中断的产生、内核对中断向量表的注册、中断处理程序的执行流程以及中断屏蔽机制。 4.2 设备驱动程序架构： 探讨字符设备、块设备和网络设备驱动的不同接口模型，并分析驱动程序在内核中的安全边界和数据结构。 4.3 直接内存访问 (DMA)： 深入解析 DMA 机制，包括 DMA 控制器的工作原理，以及操作系统如何管理 I/O 缓冲区以避免 CPU 干预，实现零拷贝（Zero-Copy）传输。 第五章：文件系统原理与持久化存储 文件系统是数据持久化的核心。本章侧重于现代日志文件系统（如 ext4, XFS）的内部结构和数据完整性保证机制。 5.1 文件系统的层次结构： 从逻辑结构（inode, 目录项）到物理存储（数据块组、超级块）的映射关系。 5.2 日志与事务性： 详细解释写入日志（Journaling）如何保证文件系统在非正常断电后仍能快速恢复一致性状态，并分析 Write-Ahead Logging (WAL) 的性能权衡。 5.3 缓存与 I/O 调度： 探讨操作系统如何使用内存缓存（如页缓存 Page Cache）来加速文件访问，并对比不同的块设备 I/O 调度器（如 Deadline, CFQ, Kyber）对不同工作负载的性能影响。 --- 第三部分：并发控制与系统安全 第六章：进程间通信与同步机制 并发执行的实体必须能够安全地共享数据或进行信息交换。本章系统梳理同步原语的实现细节及其潜在的并发陷阱。 6.1 经典同步问题与解决方案： 深入分析互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）和条件变量（Condition Variable）的内核实现，并讨论如何避免死锁、活锁和饥饿问题。 6.2 原子操作与内存屏障： 探讨如何在无锁（Lock-Free）编程中利用硬件提供的原子指令（如 CAS）实现高效同步，并讲解内存屏障（Memory Barrier）在乱序执行处理器上保证指令顺序的重要性。 6.3 高级 IPC 机制： 全面分析共享内存、消息队列、管道（Pipe）以及 Socket 通信在内核中的数据拷贝和数据结构维护过程。 第七章：系统安全与权限模型 操作系统必须有效地隔离和保护资源。本章聚焦于权限控制、沙箱化技术和安全审计机制。 7.1 用户/组与权限管理： 深入解析 POSIX 权限模型（UGO），以及如何通过 DAC（自主访问控制）实现文件和资源的访问限制。 7.2 强制访问控制 (MAC) 基础： 介绍 SELinux 或 AppArmor 等 MAC 框架的基本概念，即策略驱动的访问决策，及其在隔离高风险进程中的作用。 7.3 容器化与命名空间隔离： 剖析容器技术（如 Docker/Kubernetes 的底层）如何利用 Linux 命名空间（Namespace）和控制组（cgroups）在不依赖完整硬件虚拟化的前提下，实现资源限制和进程隔离。 --- 第四部分：网络栈与分布式内核交互 第八章：网络协议栈的内核实现 网络通信是现代应用不可或缺的部分。本章将详细展示数据包如何在内核网络栈中穿越和处理。 8.1 TCP/IP 协议栈分层： 从网络接口层到传输层的完整数据流向分析，重点关注 IP 层的路由查找和 ARP 缓存管理。 8.2 Socket 抽象： 深入解析 Socket API 在内核中的对应数据结构（如 `sock` 结构体），以及数据在用户空间缓冲区与内核空间缓冲区之间的拷贝与零拷贝优化。 8.3 拥塞控制与流量整形： 探讨 BBR、CUBIC 等现代 TCP 拥塞控制算法的工作原理，以及操作系统如何通过 QoS 机制对网络流量进行优先级排序和整形。 --- 结语：面向未来的系统设计 本书不仅是对现有操作系统工作原理的记录，更是对未来系统设计趋势的探讨。我们将展望非易失性内存（NVM）、硬件辅助虚拟化（如 IOMMU）对未来内核架构带来的深刻变革。通过对这些底层机制的透彻理解，读者将能构建出更健壮、更高性能的软件系统。

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