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出版者:湖南国防科技大学

作者:杨学军，王磊，蒋

出品人:

页数:163

译者:

出版时间:2005-6

价格:12.00元

装帧:

isbn号码:9787810991858

丛书系列:

图书标签:

• 并行
• 并行计算
• 分布式文件系统
• 内存文件系统
• 高性能计算
• 数据存储
• I/O优化
• 文件系统
• 计算机科学
• 数据管理
• 存储系统

深入理解现代计算核心：一个关于操作系统与系统编程的全面解析 图书名称： 深入理解现代计算核心：一个关于操作系统与系统编程的全面解析 图书简介： 本书旨在为读者提供一个全面、深入且富有洞察力的视角，剖析现代计算系统的基石——操作系统（OS）的内部工作原理，以及构建高效、可靠软件所必需的系统级编程技术。我们摒弃了对操作系统的肤浅介绍，转而深入探究其复杂机制的内在逻辑、设计哲学以及工程实现细节。 全书结构清晰，逻辑严密，从最底层的硬件抽象开始，逐步构建起读者对整个软件栈的宏观认识。我们假定读者具备扎实的编程基础，并对计算机科学的基本概念有所了解，本书将引导读者从“使用者”的角色，转变为能够理解并驾驭系统底层逻辑的“构建者”。 第一部分：计算的基石——硬件抽象与进程模型 本部分首先奠定了理解操作系统的基础。我们将详细阐述计算机体系结构如何影响操作系统的设计。这包括对中央处理器（CPU）的执行模型、特权级（Ring 0 与 Ring 3）的概念，以及内存管理单元（MMU）在实现隔离和高效内存访问中的关键作用的深入剖析。我们不会停留在概念层面，而是会分析不同架构（如 x86-64）下，硬件状态如何映射到操作系统内核的视角。 随后，本书的核心概念之一——进程的生命周期被彻底解构。我们不仅仅讨论进程的创建与销毁，更重要的是，深入研究进程的上下文切换机制。读者将学习到内核如何在极短的时间窗口内保存和恢复用户空间的状态，以及调度器在其中扮演的角色。上下文切换的开销、缓存污染（Cache Pollution）的影响，以及如何通过优化调度算法来最小化这些开销，都是本部分重点探讨的工程实践问题。 进程间的通信（IPC）是多任务系统的核心需求。本书详细对比和分析了多种经典的 IPC 机制：从传统的信号（Signals）和管道（Pipes），到更复杂的共享内存（Shared Memory）和消息队列。对于每一种机制，我们都将分析其设计权衡：同步机制的开销、数据传输的效率、以及在分布式或多核环境下的适用性。 第二部分：内存的艺术——虚拟化与管理 内存是现代操作系统的第二大支柱。本部分聚焦于虚拟内存系统的设计与实现，这是实现隔离、安全和高效资源利用的关键技术。 我们将从分页机制入手，解释页表（Page Tables）的结构、多级页表的优势，以及硬件（MMU）如何加速地址转换。读者将理解 TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理，以及操作系统如何管理 TLB 缺失（Misses）带来的性能影响。 虚拟内存的核心挑战在于如何管理物理内存。本书全面阐述了内存分配器的艺术。我们会详细分析内核空间（如 slab 分配器）和用户空间（如 `malloc`/`free` 的实现，例如 jemalloc 或 tcmalloc）中各种分配策略的优缺点。这部分内容对系统程序员至关重要，因为它直接决定了程序对内存的利用效率和碎片化程度。 更进一步，我们探讨了内存的映射与保护。这包括文件系统如何通过内存映射（mmap）机制实现高效 I/O，以及缺页中断（Page Fault）的处理流程。理解缺页中断的精确处理流程，是诊断性能瓶颈和理解程序内存访问行为的关键。 第三部分：并发的挑战——线程、同步与调度 随着多核处理器的普及，并发编程已成为常态。本部分深入探讨了操作系统如何管理和协调并发执行流，以及程序员应如何安全地利用这些机制。 我们首先区分了线程（Threads）与进程的概念，并详细剖析了用户级线程与内核级线程的实现模型（如 M:N 调度）。随后，我们将目光转向同步原语的设计。互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variables）不仅被定义，它们的底层实现机制——如何利用原子操作（Atomic Operations）和内存屏障（Memory Barriers）来保证一致性——也被细致剖析。 本部分着重介绍现代调度算法。从经典的 FCFS、SJF 到为满足交互式系统需求而设计的优先级抢占式调度。我们深入探讨了实时调度策略（如 EDF 和 RMS）的原理，并分析了现代 Linux 内核中 CFS（Completely Fair Scheduler）的设计思想，包括其如何使用虚拟运行时（vruntime）来保证公平性，以及如何处理 I/O 密集型任务与 CPU 密集型任务之间的平衡。理解调度器的内部运作，是编写高性能、低延迟并发应用的前提。 第四部分：I/O 的枢纽——设备管理与文件系统 现代系统严重依赖高效的数据持久化和设备交互。本部分关注 I/O 系统的架构。 我们从中断处理机制开始，解释设备控制器如何与 CPU 通信，以及内核如何安全地处理来自不同设备的异步事件。随后，我们详细分析了中断上下文与进程上下文的区别，以及在中断处理程序中必须遵守的严格规则。 设备驱动模型是 I/O 系统的核心。本书会剖析字符设备、块设备和网络设备在内核中的通用接口，并讨论现代 I/O 框架（如 Linux 中的异步 I/O 框架）如何试图突破传统阻塞 I/O 的性能瓶颈。 最后，本书对文件系统的抽象层进行了深入研究。我们将探讨 VFS（Virtual File System）的作用，它如何提供一个统一的接口来管理各种具体的实现（如 Ext4、XFS）。对于日志文件系统，我们将剖析其事务处理机制，确保数据在系统崩溃时的一致性。同时，我们将深入分析缓存策略（如页缓存和缓冲区缓存）在优化磁盘访问性能中的核心作用，以及数据一致性是如何在磁盘和内存之间动态维护的。 通过对这些核心领域的系统性探索，本书不仅教会读者“是什么”，更重要的是阐明了“为什么”这些设计会被选中，以及它们在实际工程环境中带来的深刻影响。它为读者构建一个坚实的操作系统知识体系，为进阶到编译器、网络协议栈、或嵌入式系统开发打下无可替代的基础。

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这本书，从拿到手的那一刻起，就散发出一种沉甸甸的专业气息，封面设计简约而不失力量，黑白为主调，辅以银色的线条勾勒出数据流动的抽象意象，让人一看便知其内容非同小可。翻开第一页，映入眼帘的是一行行严谨的学术术语，配合着图表和公式，仿佛瞬间把我拉入了一个高度抽象的计算机科学世界。我本来对“并行”和“文件系统”这两个概念有着模糊的认识，知道它们在高性能计算和大规模数据处理中扮演着重要角色，但具体是如何运作，又面临着哪些挑战，我一直没有一个清晰的认知。这本书，就像一位经验丰富的向导，带领我一步步解开这些谜团。它并没有一开始就抛出过于复杂的概念，而是从基础讲起，从最核心的痛点出发，解释了为什么需要并行内存文件系统，以及它相比传统文件系统有哪些根本性的优势。作者深入浅出地剖析了多核处理器、分布式存储、内存带宽瓶颈等现代计算架构的特点，并巧妙地将这些特点与文件系统的设计理念相结合。尤其是关于数据访问模式的分析，让我对不同应用场景下的性能需求有了更深刻的理解，也为后续深入探讨并行文件系统的设计原则打下了坚实的基础。

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坦白说，在阅读《并行内存文件系统》之前，我对“内存文件系统”这个概念本身就感到有些模糊。我更多接触的是传统的磁盘式文件系统，它们的工作方式似乎是约定俗成的。然而，这本书彻底颠覆了我之前的认知。作者以一种循序渐进的方式，首先清晰地定义了什么是内存文件系统，以及它与传统文件系统的核心区别——即数据存储在主内存中，而非持久性存储设备上。这种根本性的区别带来了巨大的性能提升潜力，但也引入了一系列新的挑战，例如数据持久性、一致性、以及如何有效管理巨大的内存空间。书中对这些挑战的探讨，是我觉得最引人入胜的部分。作者并没有回避问题的复杂性，而是坦诚地分析了各种技术难题，并提出了相应的解决方案。例如，关于如何保证内存数据在系统崩溃后不丢失，书中就详细阐述了基于快照、日志记录以及分布式冗余等多种策略。这些内容让我看到了现代计算机系统在追求极致性能的同时，所付出的巨大努力和巧妙的工程设计。

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这本书的出现，恰好填补了我长期以来在系统底层性能优化方面的一个知识空白。我一直关注着高性能计算领域的发展，尤其是内存技术和并行计算的进步，但我总是觉得，在这些前沿技术之间，文件系统这个环节似乎是一个常被忽视但又至关重要的组成部分。《并行内存文件系统》这本书，就像一把钥匙，为我打开了通往这个领域的大门。书中对不同类型并行内存文件系统的分类和对比，让我对这一技术的发展脉络有了清晰的认识。我特别欣赏作者对“数据分块与条带化”策略的详细阐述，以及如何通过优化这些策略来提高数据访问的并行度和吞吐量。书中还讨论了如何利用现代硬件特性，如NVMe SSD和高带宽内存（HBM），来进一步提升文件系统的性能，这让我看到了未来高性能文件系统的发展方向。

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自从我接触到大规模数据处理和高性能计算领域以来，我就一直在寻找一本能够全面、深入讲解文件系统技术，尤其是能够突破传统瓶颈的著作。《并行内存文件系统》这本书，无疑是我的一个重要发现。它不仅仅是关于“并行”和“内存”两个词的简单组合，而是对如何设计和实现能够充分利用现代硬件优势的文件系统进行了系统性的阐述。书中对“数据局部性”、“访问模式分析”等方面的深入探讨，让我对如何优化文件系统的性能有了新的认识。我尤其喜欢作者在书中提出的关于“非对称存储架构”的设想，它预示着未来文件系统可能会更加灵活地适应不同类型的存储介质，从而在性能和成本之间取得更好的平衡。

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我一直认为，计算机科学的魅力在于其不断演进和突破。《并行内存文件系统》这本书，正是这种不断演进精神的体现。它不仅回顾了文件系统技术的发展历程，更着眼于未来的挑战和机遇。书中对“闪存文件系统”、“内存数据库”等新兴技术与并行内存文件系统的结合进行了探讨，这让我看到了文件系统技术广阔的发展前景。我尤其欣赏书中关于“弹性与可伸缩性”的讨论，它强调了现代文件系统不仅要快，还要能够适应不断变化的工作负载和不断增长的数据量。这种对未来发展的洞察，让这本书具有了超越当前技术的价值。它不仅仅是一本技术手册，更是一本能够激发读者对计算机系统未来发展进行思考的书籍。

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我是一名软件开发者，长期以来都对如何优化应用程序的性能感到头疼，尤其是在处理大量数据读写的时候。我常常发现，即使我的算法再精妙，也可能被底层的文件系统I/O拖慢。《并行内存文件系统》这本书，可以说是我近期阅读的最有价值的技术书籍之一。它深入浅出地解释了为什么传统的磁盘I/O会成为性能的瓶颈，以及如何通过将数据存储在内存中，并采用并行访问的方式来解决这个问题。书中对不同并行文件系统实现（如GPFS、Lustre等）的原理剖析，让我对这些高性能文件系统的内部工作机制有了清晰的认识。我特别关注了书中关于“元数据管理”的部分，它详细阐述了在分布式环境中如何高效地管理文件系统的元数据，以避免成为新的性能瓶颈。这些知识对我日后进行性能调优和选择合适的文件系统提供了宝贵的指导。

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我一直以来都对底层系统设计充满好奇，尤其是那些能够突破性能极限的技术。《并行内存文件系统》这本书，恰如其分地满足了我对这类知识的渴求。它没有止步于理论的阐述，而是将目光投向了实际的应用和挑战。书中对各种并行内存文件系统架构的介绍，让我得以窥见不同设计思路的优劣。比如，作者详细对比了基于分布式共享内存（DSM）和基于消息传递（MPI）的文件系统，以及混合式的设计。在讨论到缓存一致性问题时，作者的讲解尤为精彩，他不仅列举了各种潜在的冲突场景，还提出了多种解决方案，从硬件层面的同步机制到软件层面的协议设计，都进行了深入的剖析。我特别欣赏书中关于“延迟隐藏”策略的论述，作者通过对I/O路径的精细化分析，解释了如何通过预取、写回合并等技术，最大限度地减少用户应用程序感知到的延迟。这种注重实际性能优化和工程实现的风格，让我觉得这本书不仅仅是理论性的学术著作，更是一本实用的技术手册，对于希望深入了解高性能文件系统原理并将其应用于实际项目的人来说，具有极高的参考价值。

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我是一名计算机专业的学生，正在攻读与系统结构相关的方向。在课堂上，我们接触过文件系统的基本概念，但对于如何实现高性能、大规模的文件系统，我们了解的并不深入。《并行内存文件系统》这本书，就像是我在理论学习之外的一份宝贵补充。它详细地介绍了并行内存文件系统的设计原理、架构模式以及实现技术。书中对分布式文件系统一致性模型、容错机制以及数据并行访问策略的讲解，都非常到位。我尤其欣赏书中关于“如何平衡性能与可靠性”的讨论，它让我认识到，在设计高性能系统时，不能仅仅追求速度，还需要考虑数据的安全和系统的稳定性。书中引用了大量的研究成果和实际案例，这让我能够将书本上的知识与现实世界的应用联系起来，对这个领域有了更全面的认识。

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我一直认为，真正优秀的技术书籍，不仅要传授知识，更要激发读者的思考。《并行内存文件系统》正是这样一本能够引发深度思考的书籍。作者在开篇就提出了一个核心问题：在多核、大数据时代，传统的I/O瓶颈如何解决？这个问题看似简单，实则触及了计算机系统性能的根本。这本书并没有直接给出“标准答案”，而是通过对现有技术和未来发展趋势的梳理，引领读者去探索各种可能性。在探讨并行文件系统的架构时，书中不仅介绍了各种主流的设计模型，还对它们的适用场景和局限性进行了深入的分析，这让我意识到，并没有“银弹”式的解决方案，一切都取决于具体的应用需求和硬件环境。我尤其喜欢书中关于“用户空间与内核空间协同”的部分，它揭示了如何通过更精细的权限管理和数据传输机制，来减少不必要的开销，进一步提升性能。这种对系统设计细节的关注，让我对整个计算机系统有了更宏观、更深入的理解。

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在我看来，一本好的技术书籍，不仅要解释“是什么”，更要深入探讨“为什么”和“怎么做”。《并行内存文件系统》这本书，在这方面做得非常出色。它并没有仅仅列举各种技术，而是从根本上分析了传统文件系统在现代计算环境下的局限性，并在此基础上引出了并行内存文件系统的必要性和优势。书中对“I/O虚拟化”、“用户空间驱动”等概念的讲解，让我对如何突破操作系统内核的限制，实现更高效的数据传输有了更深的理解。我尤其对书中关于“一致性协议”的讨论印象深刻，它详细分析了各种协议在不同场景下的性能和复杂度，并提供了如何根据实际需求进行选择的建议。这种理论与实践相结合的分析，让这本书不仅仅是理论的堆砌，更具有实际的指导意义。

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