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出版者:第1版 (2004年1月1日)

作者:贺敏伟

出品人:

页数:340

译者:

出版时间:2004-11

价格:35.00元

装帧:平装

isbn号码:9787302093763

丛书系列:

图书标签:

• linux
• 操作系统
• UNIX
• 原理
• 计算机科学
• 技术
• 教学
• 内核
• 系统编程
• Linux
• 实践

深入理解现代计算的基石：操作系统原理的广阔天地 本书并非关于UNIX系统的专门论述，而是旨在全面、系统地阐述操作系统设计与实现的基本原理和核心概念，为读者构建一个坚实、普适的操作系统理论框架。 在信息技术的浩瀚星空中，操作系统是连接硬件与应用软件的桥梁，是现代计算系统的灵魂。本书将带领读者穿越复杂的底层机制，直抵操作系统设计哲学的核心，探究那些决定系统性能、可靠性和安全性的基本构件。我们关注的重点是“原理”本身，这些原理穿越了特定平台的界限，构成了所有主流操作系统（无论是嵌入式系统、桌面系统还是大型服务器系统）赖以生存的共同基石。 第一部分：操作系统的宏观视角与历史演进 本部分首先为读者勾勒出操作系统的全景图。我们将探讨操作系统的基本定义、目标和功能，理解它在多用户、多任务环境中所扮演的关键角色。 1.1 操作系统概览与结构 我们将剖析操作系统的层次化结构，从硬件抽象层到用户接口层。重点讨论不同设计范式——例如宏内核（Monolithic）、微内核（Microkernel）和混合内核的优劣权衡。读者将理解为何不同的设计选择会直接影响系统的可维护性、稳定性和性能表现。 1.2 历史脉络与设计哲学 操作系统并非凭空产生，而是人类对计算资源管理需求的不断演进的产物。我们将回顾早期的批处理系统、分时系统，直到现代的实时系统和分布式系统。这种历史观能帮助我们理解当前设计决策背后的深层原因和妥协。 1.3 系统调用与接口设计 操作系统如何与应用程序交互？我们将详细分析系统调用（System Call）的机制，这是用户空间与内核空间交互的唯一合法途径。理解陷阱（Trap）机制、上下文切换的流程，是掌握操作系统安全隔离的第一步。 第二部分：进程与线程管理——并行世界的组织者 并行性是现代计算的核心特征。本部分聚焦于操作系统如何高效、公平地管理多个并发执行流。 2.1 进程的抽象与生命周期 进程是程序的一次执行实例，是资源分配的基本单位。我们将深入研究进程控制块（PCB）的结构，以及进程状态的迁移图。重点讨论进程创建、销毁的开销与优化策略。 2.2 线程：轻量级的执行单元 线程作为进程内的执行流，极大地提高了系统的并发能力。本书将详细区分用户级线程与内核级线程的实现方式及其各自的适用场景。我们将分析多线程编程中的同步陷阱和设计模式。 2.3 处理器调度算法的艺术 CPU时间是最宝贵的资源。本章将详尽解析各种调度策略的原理、优缺点和适用场景：从最基础的先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF），到抢占式的轮转法（Round Robin），以及面向性能和公平性的多级反馈队列（MLFQ）和实时调度算法（如Rate Monotonic Scheduling）。我们将运用数学工具分析调度的公平性（Fairness）和响应时间。 第三部分：并发控制与同步机制——消除竞态的挑战 当多个执行流共享数据时，确保数据一致性是至关重要的任务。本部分聚焦于并发控制的理论与实践。 3.1 互斥与临界区保护 我们将系统地介绍实现互斥（Mutual Exclusion）的各种底层硬件和软件技术，包括测试并设置（Test-and-Set）指令、互斥锁（Mutexes）的设计原理。 3.2 经典同步工具箱 深入探讨操作系统提供的核心同步原语： 信号量（Semaphores）： 区分计数信号量和二元信号量（Mutex），并解析经典的生产者-消费者问题、哲学家就餐问题的解决方案。 管程（Monitors）： 作为一种更高级、更安全的并发编程抽象，解析其结构与条件变量的使用。 3.3 死锁的识别、预防与避免 死锁是并发系统中最难处理的问题之一。我们将学习死锁的四个必要条件，并详细研究银行家算法（Banker's Algorithm）作为死锁避免策略的精确实现，以及检测与恢复的方法。 第四部分：内存管理——地址空间的映射与保护 内存管理是操作系统最复杂、最核心的职能之一，它关乎资源的隔离和效率。 4.1 逻辑地址与物理地址的转换 我们将探讨程序如何看到一个连续的逻辑地址空间，而底层物理内存可能被分散使用。重点分析分页（Paging）和分段（Segmentation）机制的实现细节，包括页表结构、多级页表和TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用。 4.2 虚拟内存的魔力 虚拟内存（Virtual Memory）极大地扩展了程序的可用地址空间。我们将详细阐述按需调页（Demand Paging）的机制，以及缺页中断（Page Fault）的处理流程。 4.3 页面置换算法的性能分析 当物理内存不足时，操作系统必须选择牺牲哪些页面。本书将对比分析先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最佳页面置换算法（OPT）以及时钟算法（Clock Algorithm）的性能特性和实现复杂性。 4.4 内存碎片与连续内存分配 分析外部碎片和内部碎片问题，探讨动态存储分配算法（如首次适应、最佳适应、首次适应）的效率与内存管理器的实现。 第五部分：文件系统与I/O管理——持久化与数据流 操作系统必须提供可靠的方法来管理持久性数据，并高效地处理输入/输出请求。 5.1 文件系统的组织结构 我们将研究文件系统的概念模型，包括文件、目录、文件属性和访问权限。重点分析不同文件系统（如日志文件系统、基于inode的文件系统）的内部结构和数据组织方式。 5.2 存储的分配与回收 讨论磁盘空间如何被有效地分配给文件，例如位图法、链表法和索引节点（Inode）的使用。分析文件删除后的空间回收机制。 5.3 磁盘调度与I/O硬件 磁盘作为最慢的I/O设备，其访问时间对系统性能影响巨大。我们将深入研究磁盘的物理特性，并分析先来先服务、最短寻道时间优先（SSTF）、扫描算法（SCAN/C-SCAN）等磁盘调度算法的效率比较。 5.4 缓冲、缓存与假脱机技术 I/O操作的低速特性需要操作系统的巧妙调控。分析操作系统如何利用内存进行数据缓冲、缓存，以及假脱机（Spooling）技术如何提高I/O设备的利用率。 本书致力于提供一个独立于具体操作系统实现的、面向计算科学和软件工程的扎实基础。读者在掌握这些基本原理后，将能更深刻地理解任何现代操作系统的内部运作，并有能力分析和设计更高效、更健壮的软件系统。

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这本书的结构编排堪称一绝，它没有采取常见的章节线性推进方式，而是在关键的交叉点设置了“专题研究”模块，将进程管理、I/O子系统和网络协议栈的知识点巧妙地串联起来。我花了大量时间去研究其中关于网络I/O模型（如select、poll和epoll的演进）的章节。作者没有简单地罗列这些API的差异，而是从内核数据结构层面，解释了为什么epoll在处理高并发场景时能实现O(1)的复杂度。书中对等待队列（Wait Queues）和唤醒机制的描述，配上的流程图清晰到令人发指，几乎让我可以闭着眼睛想象出CPU在执行调度时的数据流向。这种将网络与核心进程调度紧密结合的分析方法，彻底打破了我过去对这些模块各自独立的认知壁垒。读完之后，感觉对理解现代高性能服务器的底层运作机制有了一个坚实的理论基石。它不仅仅是讲UNIX，它是在教你如何思考系统级的性能优化。

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说实话，初拿到这本《操作系统原理UNIX篇》时，我有些犹豫，担心内容会过于晦涩难懂，毕竟涉及到系统底层的东西，往往伴随着枯燥的定义和复杂的图表。但接下来的阅读体验却出乎我的意料。这本书的叙述风格非常注重实践的关联性，它似乎总能找到一个恰当的例子，把理论的冰冷和实际运行的脉络连接起来。比如，在解释系统调用栈的建立和上下文切换时，作者穿插了大量的汇编层面的注释，虽然这部分需要耐心去啃，但一旦理解了，那种“掌控一切”的感觉是无与伦比的。更让我觉得贴心的是，每当讲到一个复杂的新概念，比如LKM（Loadable Kernel Modules），它都会立刻配上一个简短但功能完整的示例代码块，让读者可以立即在自己的机器上尝试编译运行，验证理论的正确性。这使得学习过程充满了互动性，而不是单向的灌输。它更像是一位经验丰富的导师，在你迷茫时为你点亮前方的灯塔，而不是简单地扔给你一堆参考手册。对于那些渴望知道“我的程序到底在内核里发生了什么”的开发者来说，这本书的价值无可替代。

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我必须坦诚，这本书对读者的基础知识要求不低。如果你对C语言的指针操作和基本的数据结构不熟悉，直接上手可能会感到吃力。但这反过来也说明了它的定位——它瞄准的是那些有志于深入系统编程和内核开发的高阶学习者。我尤其欣赏作者在处理中断处理机制时的那种细致入微。书中不仅描述了硬件中断如何触发软件响应，更详细对比了不同UNIX变种在处理优先级反转问题上的策略差异，这种比较分析的视角极大地拓宽了我的视野。很多市面上的教材都选择性地回避这些容易引起争议或过于细节化的内容，但《操作系统原理UNIX篇》却勇敢地深入其中，并给出了清晰的权衡。通过对这些“灰色地带”的探讨，我深刻体会到操作系统设计中充满了妥协与取舍，它不是一套完美的数学公式，而是一门关于资源管理的艺术。这种对复杂性的坦诚，让这本书显得格外厚重和可信。

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坦白说，这本书的阅读体验是“慢热型”的。初读时可能会觉得进度缓慢，因为它要求你停下来，思考每一个术语背后的真正含义，而不是囫囵吞枣地翻过去。但我坚持下来后发现，这种慢工出细活的积累是极其有价值的。我特别喜欢书中对权限管理和安全模型的探讨。它不仅仅是解释了rwx权限位的作用，而是深入剖析了ACL（Access Control Lists）在现代UNIX安全模型中如何与传统的UGO权限体系共存，以及它们在性能和灵活性之间的博弈。书中对SELinux或AppArmor等强制访问控制（MAC）机制的引入虽然简略，但其点到为止的介绍，足以激发读者进一步探索的兴趣。整本书像一部精密的机械构造图，每一个齿轮的咬合，每一次信号的传递，都被清晰地标注出来，没有一丝冗余，也没有一处含糊。对于追求极致底层理解的硬核读者来说，这绝对是一本值得反复研读的经典之作。

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这本《操作系统原理UNIX篇》的书，从装帧到排版都透着一股老派的严谨劲儿。封面那种深沉的蓝绿色，让人立刻联想到早期的终端界面，沉稳得让人想立刻翻开一探究竟。我最欣赏的是它对文件系统和进程管理的深入剖析，那种庖丁解牛般的分解，把原本抽象的概念通过具体的系统调用和内核结构展现得淋漓尽致。比如讲到inode结构时，作者并没有满足于理论描述，而是直接嵌入了源码片段和详细的位图解释，这对于那些想要真正理解文件是如何在磁盘上组织起来的读者来说，简直是福音。尤其是在讲解管道（Pipes）和信号量（Semaphores）时，那种层层递进的逻辑构建，让我这个自认为对UNIX有一定了解的人，都感觉自己的知识体系被重新梳理了一遍。它不是那种只停留在表面的“如何使用”的指南，而是直指“为什么是这样”的内核。读完关于内存分页和虚拟内存管理的那几章，我甚至开始重新审视自己过去写的一些并发程序中可能存在的性能瓶颈，那种知识的冲击力是实实在在的。这本书的深度，绝对对得起它“原理”二字，非常适合想从“使用者”跃升为“构建者”的技术人员。

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这本书啊，直接扔垃圾桶我都不会捡回来。 啊不对，还得还给图书馆呢……

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