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出版者:第1版 (2002年1月1日)

作者:王文明编

出品人:

页数:169 页

译者:

出版时间:2002年1月1日

价格:14.6

装帧:平装

isbn号码:9787040107128

丛书系列:

图书标签:

• 操作系统
• 复习
• 考试
• 计算机
• 教材
• 高等教育
• 信息技术
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• 计算机基础

《现代计算机系统基础：从硬件到软件的深度解析》 图书简介 本书旨在为读者构建一个全面、深入且与时俱进的现代计算机系统知识体系。它超越了传统操作系统课程的范畴，将视角拓展至整个计算栈的底层运作机制，从物理硬件的极限到应用软件的抽象边界，力求揭示当代复杂信息系统的核心原理与设计哲学。 第一部分：计算的物理基石——超越冯·诺依曼架构 本部分专注于现代计算机系统的物理实现层面，为理解软件行为提供坚实的基础。我们首先回顾经典的冯·诺依曼体系结构，并立即深入探讨其在现代多核、异构环境下面临的挑战，特别是“内存墙”和“功耗墙”问题。 半导体器件与逻辑门阵列： 详细剖析CMOS晶体管的工作原理、工艺演进（如FinFET到Gate-All-Around的趋势），以及它们如何构建出复杂的多级逻辑门电路。介绍随机逻辑与组合逻辑的设计流程，以及如何利用硬件描述语言（如Verilog/VHDL）对数字电路进行建模与仿真。 处理器核心架构深度探索： 详尽解析现代高性能CPU（如x86-64和ARMv9）的微架构细节。内容包括：深入流水线技术（超标量、乱序执行）、分支预测单元（TAGE、Perceptron等先进算法）、指令级并行（ILP）的实现机制。重点讨论缓存层次结构——L1/L2/L3缓存的设计哲学、替换策略（LRU、LFU的变体）以及一致性协议（MESI、MOESI）在多核环境下的运作。 内存与存储系统： 超越DRAM的基本读写周期，探讨现代内存技术，如高带宽内存（HBM）、持久性内存（PMem）的硬件特性与编程模型。系统地介绍固态硬盘（SSD）的工作原理，包括NAND闪存的物理特性、磨损均衡算法（Wear Leveling）以及控制器如何管理垃圾回收（Garbage Collection）以维持性能和寿命。 I/O子系统与互联技术： 分析设备与主机之间的高速通信机制，重点介绍PCI Express（PCIe）的事务层、数据链路层协议，以及最新的CXL（Compute Express Link）如何实现在CPU与加速器（如GPU、FPGA）之间更紧密的内存语义一致性连接。 第二部分：系统软件的构建与抽象 本部分聚焦于将底层硬件能力转化为用户可见服务的关键软件层，重点在于编译、链接与底层服务的设计。 编译器技术与中间表示（IR）： 深入探讨现代编译器（如GCC/LLVM）的工作流程。重点解析抽象语法树（AST）、静态单赋值（SSA）形式的中间表示，以及如何利用这些IR进行复杂的优化，例如循环展开、死代码消除、函数内联等。讨论即时编译（JIT）与AOT编译的权衡。 链接器与加载器原理： 详细解析静态链接与动态链接的机制。剖析目标文件格式（如ELF、Mach-O）的结构，包括段（Sections）、符号表（Symbol Table）和重定位（Relocation）过程。阐述动态库的加载过程、地址空间布局随机化（ASLR）如何提升安全性，以及PLT/GOT机制在地址解析中的作用。 程序执行模型与运行时环境： 探究函数调用约定（Calling Conventions）、栈帧管理、异常处理机制（如C++的Unwinding）。介绍语言运行时库（Runtime Library）的功能，包括内存分配器（如jemalloc, tcmalloc）的设计原理、垃圾回收策略（引用计数、追踪GC）的性能影响。 第三部分：网络、并发与分布式计算模型 本部分将视角从单机扩展至网络环境，探讨现代应用赖以生存的并发控制与通信协议栈。 网络协议栈的深度实现： 详细分析TCP/IP协议族的内部工作机制，不仅限于理论模型，更侧重于操作系统内核中这些协议栈的实际数据结构与实现细节。讨论拥塞控制算法（如CUBIC、BBR）如何根据网络状态动态调整发送窗口。深入探讨高性能网络I/O技术，如零拷贝（Zero-Copy）、中断合并与用户态网络栈（如DPDK）。 并发编程模型与同步原语： 深入探讨并发的复杂性，包括数据竞争、死锁和活锁。详细分析操作系统提供的核心同步工具：互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）。重点介绍无锁（Lock-Free）和等待无关（Wait-Free）数据结构的设计，如基于CAS（Compare-and-Swap）操作的实现，以及它们在高性能服务器中的应用。 分布式一致性与容错： 引入分布式系统的基础理论，如FLP不可能原理。系统阐述共识算法，特别是Raft和Paxos协议的设计思路、日志复制过程与领导者选举机制。讨论向量时钟和Lamport时间戳在事件排序中的应用，以及在不确定性网络中维持数据一致性的挑战。 第四部分：性能分析与系统优化 理解系统并非止步于“知道它如何工作”，更重要的是“知道如何衡量和改进它”。本部分聚焦于系统性能分析的工具与方法论。 性能度量与瓶颈识别： 介绍系统级性能分析工具（如Linux上的perf、eBPF）的使用，学习如何从硬件性能计数器（PMC）中提取有意义的指标，如指令周期比（IPC）、缓存未命中率。强调区分CPU绑定型与I/O绑定型负载的分析方法。 系统调用开销分析： 剖析从用户态到内核态的转换成本（Context Switch），讨论如何通过减少系统调用次数或利用异步I/O（AIO/io_uring）来优化延迟敏感型应用。 能效与绿色计算： 探讨现代处理器提供的功耗管理技术，如频率/电压调节（DVFS）。讨论如何通过程序设计与硬件选择来优化系统的能源效率，实现性能与功耗的平衡。 本书面向对计算原理有深入探究欲望的计算机科学专业学生、系统架构师、高性能计算工程师以及希望理解软件深层运行机制的资深开发者。通过系统地梳理硬件、编译器、运行时环境和网络通信的交叉领域，读者将能构建起坚不可摧的现代系统认知框架。

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这本书的编排结构真是绝了，它完美地平衡了理论深度和复习效率。它不是按照教材的章节顺序简单地堆砌知识，而是根据考试的重点和难点重新构建了知识体系。比如，它把“并发与并行”作为一个核心模块进行整合讲解，将同步机制、死锁处理等分散的知识点串联起来，形成一个清晰的知识网络。这种重构使得知识之间的联系一目了然，极大地优化了记忆路径。对于那种需要在大脑中快速构建知识地图的考试来说，这种结构是无价之宝。我发现我以前零散的知识点在合上书本之后，已经形成了一个有机的整体，这才是高效复习的关键所在。

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我尝试过几本不同出版社的同类书籍，大多内容老旧，或者针对的考试体系已经过时。但这一本，明显融入了近几年操作系统领域出现的新趋势和新考点，体现了编著者紧跟学科前沿的学术态度。比如，它对虚拟化技术在现代操作系统中的应用有了相当详尽的论述，这在很多传统复习资料中是缺失的。它不仅关注了基础，更拓宽了视野，这对于我们这些希望未来能从事相关研发工作的学生来说，价值非凡。它不仅仅是一本应试指南，更像是一份面向未来技术栈的预习材料，读完之后，感觉自己对整个计算系统的理解都上升到了一个新的台阶。

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说实话，我买这本书的时候是抱着试试看的心态，毕竟时间紧迫，急需一本能迅速拉高分数的“速成秘籍”。结果发现，它更像是一位经验丰富、耐心至极的导师在耳边细细指导。书中对历年真题的解析简直是神来之笔，它不仅仅告诉你正确答案是什么，更重要的是，它剖析了出题者的意图，指出了哪些陷阱是新手最容易掉进去的，以及如何构建一个逻辑严密的得分结构。这种“授人以渔”的方式，远比直接给结论有效得多。每看完一个章节的练习题，我都会有一种“原来如此”的顿悟感，仿佛找到了考试的内在规律，这极大地增强了我的应试信心。

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我是一个备考的过来人，坦白说，市面上很多所谓的“复习指导”书，内容都是东拼西凑，重点把握得稀松平常，读了等于没读。但这一本，我刚翻了几页就感觉到了它的专业性和系统性。它没有简单地罗列知识点，而是深入到每一个核心概念的底层逻辑去剖析，比如进程调度算法的权衡取舍，内存管理中分段和分页的优劣对比，那种深入骨髓的讲解，让我这个原本觉得晦涩难懂的地方豁然开朗。作者的行文风格极其严谨，充满了对计算机科学的深刻理解，每一个论断都有理有据，绝非浮于表面的泛泛之谈。它不是在教你“背诵”答案，而是在培养你“思考”问题的能力，对于想真正掌握操作系统精髓的人来说，这无疑是一本醍醐灌顶的宝典。

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这本书的排版和装帧简直是艺术品，拿在手里沉甸甸的，纸张质量摸上去也很舒服，让人忍不住想一页一页地翻下去。封面设计简约而不失深度，那种深邃的蓝色调仿佛把人拉入了操作系统的复杂世界，但又不至于让人望而生畏。内页的字体选择也非常考究，大小适中，行间距合理，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。更值得称赞的是，书中对一些经典概念的图示和流程图绘制得极其精美和清晰，复杂的系统结构被分解成了易于理解的模块，使得初学者也能迅速抓住重点。很多教科书在视觉呈现上总是差强人意，这本书却在这方面做到了极致，可以说是兼具实用价值和收藏价值的典范，翻阅起来本身就是一种享受，而不是负担。

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