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出版者:第1版 (2002年1月1日)

作者:郭玉东

出品人:

页数:485

译者:

出版时间:2002-1

价格:40.0

装帧:平装

isbn号码:9787560610955

丛书系列:

图书标签:

• linux
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• 操作系统
• 内核
• 系统编程
• 计算机科学
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• 深入理解
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现代系统编程与内核调优实战指南 内容提要： 本书是一本面向资深程序员、系统架构师和内核开发爱好者的深度技术手册，专注于剖析现代操作系统的核心机制、性能瓶颈的识别与系统级调优策略。它摒弃了对基础概念的冗余介绍，直接深入到操作系统内核的复杂交互层面，旨在为读者提供一套即插即用的高级系统工程实践框架。全书内容围绕高性能计算、分布式系统I/O优化、内存管理的高级技巧以及实时性保证等前沿议题展开。 第一部分：超越抽象：现代内核与用户空间交互的深度剖析 本部分着重于打破用户空间与内核空间之间的传统界限，详细阐述系统调用（syscall）的内部机制、上下文切换的开销分析，以及如何通过高效的API设计来最小化这些开销。 1. 系统调用路径优化与零拷贝技术： 深入探究不同架构（如x86-64与ARM64）下系统调用的入口与出口流程，对比软中断与快速系统调用（vdso/vsyscall）的性能差异。 零拷贝框架详解： 详细分析`sendfile()`, `splice()`, `tee()`等接口在实际应用中的性能曲线。重点讨论数据在页缓存、内核缓冲区与用户缓冲区之间的迁移路径，并提供针对特定硬件（如NVMe over Fabrics）的I/O路径优化实践案例。 系统调用批处理与异步 I/O (AIO/io_uring)： 对比传统阻塞I/O、POSIX AIO和新兴的`io_uring`框架。提供详尽的`io_uring`事件环设计模式，包括提交队列（CQ）和完成队列（SQ）的同步机制，以及如何利用共享内存实现极低延迟的I/O提交。 2. 进程调度器的精细化控制： CFS（Completely Fair Scheduler）深度剖演： 不仅复述其红黑树结构，更侧重于调度实体（se）的运行时行为、虚拟运行时（vruntime）的精确计算，以及调度延迟的理论模型。 实时调度策略与优先级继承： 详细介绍SCHED_FIFO和SCHED_RR的应用场景。重点分析优先级反转问题，并提供PCP（Priority Inheritance Protocol）和PIP（Priority Ceiling Protocol）在实际内核模块中的实现细节与性能权衡。 CPU亲和性与 NUMA 架构感知： 探讨如何通过`sched_setaffinity`和NUMA节点感知算法（如NUMA balancing）来优化跨节点内存访问延迟。提供基于硬件拓扑的负载均衡策略设计。 第二部分：内存管理的高级艺术：从页表到持久化内存 本部分聚焦于操作系统内存管理的复杂性，特别是针对TB级内存系统和新型非易失性内存（NVM）的应用。 3. 虚拟内存与物理内存的动态映射： TLB（Translation Lookaside Buffer）失效分析与缓解： 探讨TLB的组织结构（L1/L2缓存），地址空间标识符（ASID）的工作原理，以及如何通过页大小（Huge Pages）管理来减少TLB未命中率。提供诊断工具集来测量TLB Miss率。 内存碎片化管理与紧凑性算法： 深入分析内核的伙伴系统（Buddy System）在低阶内存分配时的局限性。详述slab/slub分配器的内部结构，以及内存紧凑化（Compaction）触发机制的调优参数。 内存去重的实现与成本： 解析内核中的KSM（Kernel Samepage Merging）机制的工作流程，评估其对系统性能的潜在影响，并讨论在特定工作负载（如虚拟化宿主机）下是否应禁用或限制该功能。 4. 持久化内存（PMEM）的编程模型与性能调优： DAX（Direct Access）与PMEM操作集： 详细介绍PMEM与DRAM在访问延迟和带宽上的本质区别。重点讲解DAX模式如何绕过页缓存，实现用户空间直接对PMEM的读写。 持久性语义与内存屏障： 剖析`clflushopt`, `clwb`, `pcommit`等指令在确保数据持久性方面的作用。指导读者如何根据应用需求，在性能和持久性之间选择合适的内存屏障策略。 PMEM文件系统： 比较并分析ext4、XFS在PMEM上的支持，重点解析PMEM-aware文件系统的设计，如PMFS或Nova，及其在事务处理上的优化。 第三部分：网络栈的深度优化与内核旁路 本部分致力于解析现代服务器网络协议栈的瓶颈，并介绍绕过传统内核协议栈的加速技术。 5. TCP/IP协议栈的性能瓶颈定位： 拥塞控制算法的演进与选择： 深入分析CUBIC、BBR等主流拥塞控制算法的数学模型和反馈机制。提供在不同网络拓扑下（高带宽-长距离 vs 低延迟）选择最优算法的决策树。 软中断与网络处理： 分析中断亲和性设置如何影响网络数据包的处理效率。探讨NAPI（New API）机制如何减少软中断的频率，并针对高PPS（Packets Per Second）场景优化NAPI轮询的触发条件。 内核协议栈的定制化： 探讨如何通过修改内核模块（如eBPF）来实现在内核空间而非用户空间实现L4到L7的加速处理，避免数据包在内核与用户空间间的冗余拷贝。 6. DPDK与XDP：高性能网络旁路技术： DPDK（Data Plane Development Kit）的Polling模式： 详细介绍DPDK如何通过用户空间驱动（Uio/vfio）接管网卡，实现无中断的数据包接收与发送。提供多核负载均衡和缓存友好的队列设计范例。 eBPF与XDP（eXpress Data Path）： 介绍XDP作为内核网络栈最前端的处理点，如何利用eBPF程序在驱动层直接处理数据包。重点讨论XDP在DDoS缓解、负载均衡分流和自定义防火墙规则上的实时应用。 用户空间网络栈的挑战： 分析构建完全用户空间网络栈（如Solarflare OpenOnload）的复杂性，特别是在处理复杂协议（如TLS卸载）时的状态管理难题。 第四部分：系统级调试、追踪与性能可观测性 本部分提供了一套成熟的工具链和方法论，用于在生产环境中进行深入的问题诊断和性能剖析。 7. eBPF/BCC工具集的高级应用： 动态追踪与事件编程： 掌握如何使用`kprobe`、`uprobe`和Tracepoints来构建定制化的性能探针。提供多个复杂场景的BCC脚本实例，如锁竞争分析、系统调用延迟溯源等。 内核事件的可视化： 利用eBPF Maps（如Hash Map, Array Map）来聚合内核运行数据，并实时将其输出到用户空间进行可视化分析，构建轻量级的性能监控仪表盘。 性能回归的自动化检测： 介绍如何将eBPF探针嵌入CI/CD流程中，用于捕获关键性能指标（KPI）的微妙变化，实现性能回归的自动告警。 8. 内存泄漏与死锁的底层诊断： 内核内存调试技术： 介绍KASAN（Kernel Address Sanitizer）的原理及其在开发阶段的应用。讨论如何利用内核调试信息（如Slab信息）来定位未释放的内核数据结构。 高精度时间戳与延迟分析： 探讨TSC（Time Stamp Counter）在不同CPU状态下的不稳定性问题，并介绍PMCs（Performance Monitoring Counters）的应用，用于精确测量缓存命中率、分支预测失误等底层硬件指标。 本书旨在成为系统工程师解决“为什么慢”和“为什么崩溃”的终极参考，其深度和广度超越了标准教程，直击现代高性能计算环境的核心挑战。

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我是一个资深系统管理员，常年在红帽和CentOS环境下摸爬滚打，对文件系统和网络堆栈的日常操作驾轻就熟。坦率地说，市面上关于Linux内核的书籍汗牛充栋，大部分都是对man页的重新组织和代码注释的简单翻译，读起来索然无味。然而，这本书的视角着实给了我一个惊喜。作者似乎拥有超凡的洞察力，他没有停留在“是什么”的层面，而是着重探讨了“为什么会是这样”。例如，在深入分析VFS（虚拟文件系统）的设计时，他花费了大量的篇幅来论证为什么需要抽象层，以及在不同硬件架构下，这种抽象是如何在兼容性与性能之间取得微妙平衡的。我尤其对其中关于调度器演进的讨论印象深刻，作者追溯了CFS（完全公平调度器）诞生的历史背景，并细致对比了它与早期调度算法在应对多核、低延迟场景下的优缺点。这种结合了历史、工程实践和理论思辨的分析，远比单纯的代码导读来得深刻，让我这个老兵也仿佛重新审视了一遍自己赖以生存的系统核心。

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作为一名正在准备转型的软件工程师，我对底层的硬件交互机制非常好奇，希望能够写出更高效、更贴近裸机性能的代码。这本书在描述中断处理和异常机制时，完全满足了我的期待。作者的叙述风格严谨而精确，没有丝毫的冗余，每一个技术名词都仿佛经过千锤百炼才被安放到位。他详尽地解释了硬件中断如何触发上下文切换，以及内核态和用户态之间那道看不见的边界是如何被精确控制的。书中对内存映射（mmap）的讲解尤其精彩，不仅展示了如何利用它进行零拷贝操作，还深入剖析了TLB（转换后援缓冲器）的缓存机制及其对性能的影响，这对于优化I/O密集型应用至关重要。阅读过程中，我发现自己需要频繁地查阅一些底层的CPU架构手册，但这并非是作者的表达不清，而是因为他触及的层次太深，要求读者必须具备相应的预备知识。这证明了这本书的深度，它不是一本给初学者的“速成指南”，而更像是一部需要反复研读的专业工具书。

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这本书的学术价值和工程实用性达到了一个完美的平衡点，这在技术著作中是相当难得的成就。我最欣赏它的一点是，它没有将Linux视为一个静态的、已完成的系统来介绍，而是将其视为一个持续进化的有机体。作者在描述当前内核特性时，总是会穿插引用相关的历史背景和未来可能的发展方向，这使得阅读体验非常具有前瞻性。例如，在讲解最新的cgroups V2架构时，他不仅阐述了其资源隔离的强大能力，还暗示了未来在容器化和云原生场景下，这种资源调度的重要性。此外，书中对系统调优的讨论也极为务实，它没有提供一刀切的“最佳参数”，而是教导读者如何根据自己的工作负载特性去理解和调整`/proc`和`/sys`接口下的各种参数，真正做到了“授人以渔”。这本书更像是一位经验丰富的老工程师在与你进行一对一的深入交流，它挑战你的思维，拓宽你的视野，让你在面对复杂问题时，不再仅仅依赖经验，而是能从系统的结构层面找到问题的根源。

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这本书的封面设计极具吸引力，那种深邃的蓝色调和抽象的二进制代码图案，立刻让人联想到Linux内核的复杂与精密。我原以为这会是一本枯燥的技术手册，但翻开扉页，作者的引言就将我牢牢抓住了。他用一种近乎诗意的笔触描绘了Linux从诞生之初的极客文化到如今成为企业级基础设施核心的演变历程，这让我对即将展开的阅读充满了期待。我特别欣赏作者在介绍系统初始化过程时所采用的类比手法，将复杂的启动序列比作一场精心编排的交响乐，每个组件都有其特定的角色和登场时机。虽然我并非科班出身，但通过这种富有感染力的叙述方式，我对操作系统的底层逻辑有了一个更为直观的认识，远超我此前阅读的任何同类书籍。特别是关于进程间通信（IPC）机制的章节，作者没有简单地罗列API函数，而是深入探讨了不同IPC方式背后的设计哲学和性能权衡，这一点对于希望深入理解系统调优的实践者来说，无疑是宝贵的财富。这本书的排版也值得称赞，逻辑清晰，图表绘制精良，即使是面对一些晦涩的内存管理概念，也能通过清晰的示意图迎刃而解。

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我最近参与了一个嵌入式Linux项目的选型工作，对实时性要求极高，因此我希望找到一本能深入讲解内核对时间管理和锁机制处理的书籍。这本书的这部分内容可谓是教科书级别的典范。作者对内核同步原语（如信号量、自旋锁、互斥锁）的描述清晰到令人发指，他不仅仅是解释了它们的功能，更是通过细致的流程图展示了在SMP（对称多处理）环境下，这些机制如何协同工作以避免竞态条件，同时又如何避免过度加锁导致的性能瓶颈。关于实时性，书中对PREEMPT_RT补丁集的设计思路也有涉猎，这让我看到了Linux在向硬实时领域迈进时所面临的内在挑战和工程妥协。特别是对时钟源和定时器精度的探讨，结合了RCU（读-拷贝-更新）机制的讲解，让我明白在现代高并发系统中，如何优雅地处理数据共享问题。这种对性能瓶颈的深入挖掘，以及对不同设计模式的优劣对比，是我在其他书籍中很少见到的，它让我对如何构建一个高可靠、低延迟的系统有了全新的认识。

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