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出版者:清华大学出版社

作者:Peter Norton J.P.Mueller

出品人:

页数:480

译者:

出版时间:1998-10

价格:50.00元

装帧:

isbn号码:9787302032076

丛书系列:

图书标签:

• Windows 98
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• 故障排除

揭秘代码的艺术：操作系统内核深度解析 书名：操作系统内核：从理论到实践的深度探索 作者：[此处可填入虚构的资深技术专家姓名] 出版社：[此处可填入信誉良好的技术类出版社名称] --- 内容提要 本书并非一本面向普通用户的操作指南，也绝非针对特定商业软件版本的快速入门手册。它是一部献给系统架构师、资深程序员以及计算机科学研究者的硬核技术专著，旨在以前所未有的深度和广度，解构现代操作系统最核心、最神秘的部分——内核（Kernel）。 我们聚焦于操作系统如何管理物理资源、调度复杂任务、保障系统安全和实现高效数据流动的底层机制。本书从汇编语言的视角出发，逐步攀升至高级数据结构和算法的应用，全面覆盖了从硬件初始化到用户态程序执行的每一个关键环节。 第一部分：奠基石——从硬件到启动流程 本部分将彻底剥离操作系统启动过程中硬件与软件交互的迷雾。我们将详细剖析引导加载器（Boot Loader）的工作原理，探讨 BIOS/UEFI 如何将控制权安全地移交给内核。内容涵盖： 处理器架构基础： x86-64 架构下的寄存器集、内存模型（分段与分页）的演进，以及特权级别（Rings）的安全性设计。 内存初始化与映射： 讲解内核如何自举（Self-bootstrap），建立初始的页表结构，并完成对物理内存的精确管理。我们将深入研究恒等映射（Identity Mapping）的建立过程及其在调试中的重要性。 中断与异常处理机制： 详尽解析中断描述符表（IDT）的构造，区分硬中断（IRQ）与软件中断（系统调用）。重点阐述中断处理程序（ISR）如何在保证系统状态完整性的前提下，高效地响应外部事件。 第二部分：核心引擎——进程与线程管理 操作系统的核心价值在于其多任务处理能力。本部分将系统地梳理进程和线程的生命周期管理，揭示多任务调度背后的复杂权衡。 进程上下文切换的奥秘： 深入探讨上下文（Context）的保存与恢复，包括寄存器组、程序计数器（PC）、栈指针（SP）以及控制块（PCB/TCB）的结构。我们将分析不同架构下上下文切换的汇编代码级实现，体会其性能开销的来源。 调度算法的精妙设计： 我们不会停留在理论介绍，而是深入分析主流内核采用的实际调度策略，如完全公平调度器（CFS）的红黑树实现、实时调度（RT）的优先级继承与抢占机制。讨论如何通过权重、时间片和调度延迟来平衡系统的吞吐量与响应性。 进程间通信（IPC）的高效实现： 跨越传统的文件或套接字限制，本书重点研究内核原生的、高效的 IPC 机制，包括共享内存（Shared Memory）、消息队列、信号量（Semaphores）及其在并发控制中的应用，特别关注死锁的预防与检测算法。 第三部分：资源的守护者——内存管理单元（MMU）的精细控制 内存是操作系统最宝贵且最易被滥用的资源。本章致力于阐述内核如何通过虚拟内存系统，为每个进程提供一个干净、隔离的执行环境。 虚拟地址到物理地址的翻译： 详细剖析多级页表（Four-Level Paging）的遍历过程，讨论 TLB（Translation Lookaside Buffer）的缓存机制及其对性能的关键影响。研究缺页异常（Page Fault）的完整处理流程，从定位错误到加载数据到物理内存。 内核堆管理： 探究内核自身内存分配器的实现，如 slab 分配器或 buddy system。分析它们如何解决内存碎片化问题，并提供不同粒度的内存块。 内存保护与地址空间布局随机化（ASLR）： 解释内核如何利用分页机制实现内存隔离，防止一个进程直接访问或破坏另一个进程的内存空间。深入分析 ASLR 的工作原理及其在对抗缓冲区溢出攻击中的作用。 第四部分：I/O 的桥梁——文件系统与设备驱动 本部分将连接内核与外部世界，考察数据持久化和外部设备交互的机制。 虚拟文件系统（VFS）层： 阐述 VFS 如何提供一个统一的接口层，使得上层应用无需关心底层是 ext4、XFS 还是 NTFS。深入分析 VFS 的数据结构，如 inode、superblock 和 dentry 缓存的维护。 块设备的调度与缓存： 探讨 I/O 请求的合并、排序和调度策略（如 elevator 算法的演变），以及磁盘缓存（Buffer Cache）在提高随机 I/O 性能中的关键作用。 设备驱动模型： 概述现代内核中字符设备、块设备和网络设备的抽象模型。分析设备驱动程序如何安全地与内核核心交互，处理 DMA（直接内存访问）操作，并避免竞争条件。 第五部分：并发与同步的挑战 现代系统设计无不建立在并发执行的基础上。本章将聚焦于如何构建无锁或低锁的并发数据结构，确保系统的正确性和高吞吐量。 同步原语的底层实现： 不仅仅是讲解互斥锁（Mutex）和自旋锁（Spinlock）的概念，而是深入分析它们如何依赖于特定的硬件原子操作（如 `CMPXCHG` 或 `LL/SC` 指令）来实现无竞争的加锁和解锁。 内存屏障（Memory Barrier）与顺序性保证： 解释在多核处理器架构下，内存访问的乱序执行如何破坏程序逻辑。详细讲解各种内存屏障指令（如 acquire/release 语义）的作用，以及编译器如何与其协同工作。 无锁数据结构的探索： 介绍基于原子操作的高级技术，如 RCU (Read-Copy-Update) 机制在内核中的广泛应用，及其在读多写少的场景下提供的极致性能。 本书特色 本书完全基于对实际开源内核（如 Linux 内核的特定稳定版本或成熟的类 Unix 内核实现）源代码的深度剖析和反向工程研究。每项技术点都辅以大量的伪代码、关键的系统调用跟踪流程图以及底层的汇编指令片段进行佐证。它要求读者具备扎实的 C 语言功底和对计算机体系结构的基本理解。它不是教你如何使用操作系统，而是教你如何构建一个操作系统。 目标读者 系统软件工程师、驱动开发者 编译器和运行时环境设计者 致力于深入理解计算机科学基础的研究人员和高校师生 希望突破应用层框架限制，触及系统底层极限的资深程序员 本书是您通往“系统编程大师”之路的必备阶梯。

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