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出版者:电子工业出版社

作者:丁辉

出品人:

页数:219

译者:

出版时间:2001-8

价格:18.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787505366916

丛书系列:

图书标签:

• 汇编语言
• 程序设计
• 计算机科学
• 底层编程
• x86
• MASM
• 汇编
• 编程入门
• 计算机基础
• 技术

现代操作系统内核原理与实践 作者： [此处填写作者姓名] 页数： 约 850 页 开本： 16 开 出版社： [此处填写出版社名称] 出版日期： [此处填写出版年份] --- 内容简介 本书旨在深入剖析现代操作系统（如 Linux、macOS 的 Darwin 内核、Windows NT 内核的某些公开实现细节）的核心机制与底层实现。它不仅涵盖了操作系统的经典理论模型，更侧重于实际代码的分析和系统调用的工作流程，为读者提供一个从抽象概念到具体实现的全面视角。 核心主题涵盖： 第一部分：基础架构与启动流程 本部分着重于操作系统的启动阶段和基本结构。从固件（BIOS/UEFI）的初始化到内核的加载，详细解析了引导加载程序（Bootloader，如 GRUB 或 UEFI 启动管理器）如何将内核映像从存储介质安全地载入内存。 1. 内存管理初始化： 探讨早期的分页机制设置、页表的建立，以及如何从一个无序的物理内存状态过渡到受保护的、可以进行虚拟内存映射的环境。这包括对页表结构（如四级页表）的细致描述。 2. 核心数据结构： 分析进程描述符（Task Struct/EPROCESS）、线程控制块（TCB）和内存描述符的底层布局。这些结构是操作系统管理并发和资源分配的基石。 3. 中断与异常处理： 详述中断描述符表（IDT）的配置，中断向量的分配，以及在硬件中断发生时，CPU 状态如何被保存和恢复，并进入内核态处理程序。 第二部分：进程与线程管理 这是操作系统的核心功能之一。本书用大量篇幅来剖析现代内核如何高效地调度和切换执行上下文。 1. 调度算法的实现： 深入讲解主流调度器（如 Linux 的 CFS, Completely Fair Scheduler）的内部工作原理。分析时间片分配、优先级继承、实时调度策略（如 FIFO 和 RR）在代码层面的实现细节。讨论如何通过调度类（Scheduling Classes）来支持不同类型的任务。 2. 上下文切换（Context Switching）： 详细描绘 CPU 寄存器组、栈指针、程序计数器等状态信息是如何被保存到当前进程的上下文结构中，以及如何从另一个进程的结构中恢复这些值，实现高效的无缝切换。特别关注对不同架构（如 x86-64）特定的切换技巧。 3. 同步原语的底层机制： 研究内核内部使用的锁机制。这包括自旋锁（Spinlocks）、互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）以及读写锁（RW Locks）的实现。分析在多核 CPU 环境下，如何利用内存屏障（Memory Barriers）和原子操作来保证操作的正确性。 第三部分：虚拟内存管理 虚拟内存是现代操作系统提供抽象和隔离的关键。本书将虚拟地址空间的概念转化为具体的物理实现。 1. 页表遍历与 TLB 交互： 详细讲解 CPU 如何通过页表查找将虚拟地址解析为物理地址的过程。着重分析对 Translation Lookaside Buffer (TLB) 的管理，包括如何触发 TLB Miss 以及如何通过特定的指令（如 `INVLPG`）进行缓存的同步失效。 2. 内存分配策略： 探讨内核如何管理物理内存。分析伙伴系统（Buddy System）在分配和回收大块连续内存时的算法与数据结构。同时，研究 Slab/SLUB 分配器如何高效地管理小对象和内核数据结构。 3. 内存映射与共享： 深入分析 `mmap()` 系统调用的内部流程，如何将文件内容或匿名内存区映射到进程的虚拟地址空间。讨论 Copy-on-Write (COW) 机制在 `fork()` 和内存共享中的应用。 第四部分：文件系统与 I/O 子系统 本部分关注数据持久化和外部设备的交互。 1. 虚拟文件系统（VFS）： 剖析 VFS 层作为抽象接口的作用。分析超级块（Superblock）、索引节点（Inode）、目录项（Dentry）等关键结构如何统一管理不同类型的文件系统（如 ext4, XFS）。 2. 缓冲缓存与页缓存： 阐述页缓存（Page Cache）在加速文件 I/O 中的核心地位。分析数据在用户空间、内核页缓存和磁盘之间的流动路径，以及脏页的回写（Writeback）机制。 3. 块设备驱动与 I/O 调度： 介绍块设备层的工作流程。重点分析 I/O 调度器（如 Deadline, CFQ, Kyber）如何对来自多个进程的 I/O 请求进行排序和合并，以优化磁盘寻道性能。 第五部分：系统调用与安全机制 系统调用是用户空间与内核交互的唯一正式途径。 1. 系统调用接口： 详细解析系统调用陷阱（Trap）或软件中断的机制，包括参数的传递约定（Register Passing Conventions）和返回值的处理。对比不同架构下的系统调用开销。 2. 进程间通信（IPC）： 研究管道（Pipes）、消息队列、共享内存等 IPC 机制在内核中的实现细节，以及它们如何保证数据传输的原子性和安全性。 3. 权限与安全模型： 探讨内核如何执行权限检查（如文件权限、能力集 CAPABILITY）。分析沙箱（Sandboxing）技术和安全模块（如 SELinux 或 AppArmor）如何 Hook 和限制内核操作。 读者对象 本书适合于计算机科学专业的高年级本科生、研究生，以及希望深入理解操作系统底层原理的软件工程师、系统程序员和嵌入式开发者。阅读本书需要扎实的 C 语言基础，并对计算机体系结构（特别是 CPU 工作模式和内存层次结构）有一定的了解。 --- 本书特色： 理论与代码并重： 结合了经典教材中的理论框架和现代开源内核的实际代码片段进行阐述。 架构中立性与具体实现： 在讲解通用概念的同时，频繁引用 x86-64 架构下的具体实现，确保知识的可操作性。 强调并发性： 深入分析多核环境下同步机制的复杂性与解决方案。

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