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出版者:清华大学出版社

作者:张尧学

出品人:

页数:283

译者:

出版时间:2006-10

价格:25.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302136286

丛书系列:

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探秘数字宇宙：从底层逻辑到前沿应用 一、基础理论与体系构建：操作系统的心脏与骨架 本书致力于构建一个全面而深入的操作系统理论框架，旨在帮助读者理解现代计算系统最核心、最基础的运行机制。我们摒弃了单纯的API调用讲解，转而深入探究操作系统的设计哲学与底层实现细节。 1.1 引导与启动：生命的最初几毫秒 本章从硬件启动序列开始，详细解析BIOS/UEFI的初始化过程，特别是Boot Loader（如GRUB）如何在内存中建立初步的运行环境。重点阐述了实模式到保护模式的切换，这一关键步骤如何为操作系统内核的加载铺平道路。我们将剖析内核映像的解压与自举过程，展示操作系统如何从静态文件转变为一个动态、可执行的实体。 1.2 内核架构的演进与选择 操作系统架构的演变是理解现代系统的关键。我们将对比宏内核（Monolithic Kernel）、微内核（Microkernel）以及混合内核（Hybrid Kernel）的优缺点。通过对L4系列微内核的深入分析，探讨如何通过分离关键服务（如进程管理、内存管理）到用户空间，实现更高的可靠性和模块化。同时，我们将分析主流商业操作系统（如Linux、Windows NT）在架构选择上的权衡与折衷。 1.3 中断、异常与系统调用：用户态与内核态的桥梁 操作系统安全性的基石在于特权级的划分。本部分详细讲解CPU的中断向量表（IDT）机制，解析硬件中断（如时钟中断、I/O完成中断）是如何被捕获和处理的。异常处理（如页错误、非法指令）的恢复流程将作为重点，展示内核如何优雅地处理程序错误而不导致系统崩溃。系统调用（System Call）的实现机制，包括用户栈到内核栈的上下文切换，将被用汇编和C语言代码片段进行细致的展示，揭示系统调用“陷阱”的运作原理。 二、资源管理的艺术：效率与公平的平衡 操作系统的核心职能是对稀缺资源的有效调度与分配。本部分将集中讨论进程、内存和文件系统的三大核心管理模块。 2.1 进程与线程管理：并发的基石 我们将超越“进程是运行中的程序”的简单定义，深入探讨进程控制块（PCB）的内部结构，以及上下文切换（Context Switching）的开销分析。线程的引入如何优化资源共享和并行性，是本章的另一重点。我们将详述各种进程调度算法的数学模型与实际性能表现，包括： 先来先服务（FCFS）与最短作业优先（SJF）的理论最优性分析。 时间片轮转（Round Robin）中时间片大小对系统吞吐量的影响。 多级反馈队列（MLFQ）在实现交互性和批处理任务平衡中的精妙设计。 同时，实时系统（RTOS）中的截止期限调度（EDF）和速率单调（RMS）算法将被单独拎出讨论。 2.2 内存管理：虚拟化与保护 虚拟内存是现代操作系统的核心成就。本章将从分页（Paging）和分段（Segmentation）的组合使用讲起，深入研究页表（Page Table）的多级结构和快表（TLB）的缓存策略，以及如何通过TLB Miss来优化地址翻译效率。缺页中断（Page Fault）的处理流程将被详尽剖析，包括页面置换算法（如LRU、FIFO、Optimal）的硬件实现难度与软件模拟方法。此外，内存保护机制、内核空间的映射隔离，以及内存映射文件（mmap）在文件I/O中的应用也将得到深入探讨。 2.3 I/O子系统与设备驱动程序 本章侧重于如何屏蔽硬件差异，为上层应用提供统一的接口。我们将分析中断驱动I/O、缓冲I/O和直接内存访问（DMA）这三种主要的数据传输模式，特别是DMA如何解放CPU进行其他计算。设备驱动程序的结构，包括设备树（Device Tree）的解析，以及I/O请求如何通过I/O调度器（如CFQ, Deadline, Noop）最终映射到磁盘的物理寻道操作，将被系统性地阐述。 三、持久化与抽象：文件系统与存储 文件系统是用户与数据交互的终极抽象层。 3.1 文件系统结构与元数据管理 我们将对比分析几种典型的文件系统，如FAT的简单性、NTFS的复杂权限控制，以及Ext4/XFS在日志与数据一致性上的优化。重点在于索引节点（Inode）的结构解析，以及如何通过间接块寻址实现对大文件的支持。日志（Journaling）机制的设计思想——如何保证文件系统在非正常断电后仍能快速恢复到一致状态——将进行详细的推演。 3.2 存储层面的优化：RAID与固态硬盘 理解存储介质的特性对优化系统性能至关重要。我们将分析不同级别的RAID（冗余磁盘阵列）在容错率和性能上的取舍。针对固态硬盘（SSD），我们将探讨其磨损均衡（Wear Leveling）算法，以及操作系统I/O调度器如何针对SSD的随机写入特性进行优化，以最大化其性能潜力。 四、分布式与现代挑战：走向多核与云端 现代操作系统必须面对多核并行计算和网络互联带来的新挑战。 4.1 并发控制与同步机制 在多处理器环境下，数据一致性是首要问题。本章将详尽介绍并发控制的硬件基础，包括原子操作和内存屏障（Memory Barriers）的必要性。我们将深入分析锁（Lock）的类型（如互斥锁、自旋锁、读写锁）及其死锁（Deadlock）的预防、检测与恢复策略。信号量（Semaphore）和管程（Monitor）等高级同步工具的设计与应用场景将被对比论述。 4.2 虚拟化与容器技术 操作系统不再是唯一的执行环境。本部分讲解全虚拟化（Full Virtualization）、半虚拟化（Para-virtualization）和硬件辅助虚拟化（Hardware-Assisted Virtualization）的区别。特别是Type-1 Hypervisor（如Xen/KVM）中VMM（Virtual Machine Monitor）如何拦截和处理敏感指令，并进行I/O的虚拟化处理。最后，我们将探讨容器技术（如Docker/LXC）背后的核心OS技术：命名空间（Namespaces）和控制组（Control Groups, cgroups），理解它们是如何在不完全隔离的情况下实现轻量级资源隔离的。 五、安全与可靠性：纵深防御体系 操作系统安全是贯穿始终的主题。本章将聚焦于主动防御措施。 5.1 访问控制模型 我们将从最基础的自主访问控制（DAC）转向更严格的强制访问控制（MAC）模型（如SELinux/AppArmor），探讨其基于安全上下文的策略执行方式。基于角色的访问控制（RBAC）在企业环境中的应用也将被提及。 5.2 内存保护的高级技术 除了基本的页表隔离，现代系统还采用更复杂的手段来防御内存破坏攻击。我们将详细介绍地址空间布局随机化（ASLR）的实现原理、数据执行保护（DEP/NX bit）如何阻止代码在数据段执行，以及栈保护（Stack Canaries）技术如何有效检测缓冲区溢出。 本书旨在为有志于深入理解计算科学的读者提供一份坚实的指南，从最底层的硬件交互到上层复杂的资源调度，构建一个完整、可验证的操作系统认知体系。

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说实话，当我拿到这本厚厚的书时，心里是有些抗拒的，总觉得这种“教程”类书籍难免枯燥乏味，充满了教条主义的叙述方式。然而，让我意外的是，作者在深入挖掘操作系统底层机制时，展现出了惊人的洞察力和对工程实践的深刻理解。特别是关于内存管理那一章，它没有停留在简单的分页和分段理论上，而是详细剖析了现代操作系统是如何通过TLB（快表）加速地址翻译，以及虚拟内存是如何在有限物理内存下支撑起庞大程序的运行。书中对“缺页中断”处理流程的描述，简直是一次精妙的工程艺术展示——硬件如何与软件协同工作，在毫秒级别内完成复杂的页面置换算法，确保了程序的流畅性。我甚至能想象出当时设计者在权衡性能和复杂性时所做的艰难抉择。这种对设计取舍的深入探讨，远超出了普通入门教材的范畴，更像是一本面向资深工程师的“设计哲学”读本，让我对操作系统的设计思想有了更深层次的敬畏。

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我是一个对系统性能优化非常执着的读者，以往看的很多书籍在谈论I/O调度算法时，往往只是罗列出FIFO、RR、CFS等算法的名称和简单的优缺点对比，显得非常肤浅。但这本教材在处理这个问题时，简直是教科书级别的细致。它不仅详细对比了传统的磁盘调度算法（如LOOK和C-SCAN）在不同负载下的性能差异，更重要的是，它将笔触延伸到了现代Linux内核中如何使用完全公平调度器（CFS）来管理CPU时间片，以及如何利用异步I/O（AIO）来最大化设备利用率。书中通过模拟不同类型工作负载（如数据库事务和视频流处理）对这些调度策略的影响，展示了理论如何在真实世界中被“打磨”和“优化”。这种注重“为什么”和“如何做”的深入分析，极大地满足了我对底层原理刨根问底的渴望，让我明白了为什么不同的应用场景需要定制化的调度策略，而不是一套万能的答案。

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对我而言，一本好的技术书，其价值不仅在于知识的传授，更在于它能否激发批判性思维。这本书在讲述经典的操作系统设计范式时，始终保持着一种审视的态度。例如，在讨论微内核与宏内核的架构之争时，作者并未简单地偏向任何一方，而是客观地分析了它们各自在安全隔离性、通信开销和开发难度上的权衡。更妙的是，书中还引入了诸如“混合内核”等现代解决方案的探讨，这表明作者的知识体系是与时俱进的，能够引导读者跳出“非黑即白”的思维定式。阅读过程中，我常常会停下来思考，如果让我来设计一个针对物联网（IoT）设备的小型操作系统，我应该借鉴哪些原则？这种引导我们进行主动设计和反思的教学方法，远比死记硬背知识点要高效得多，它培养的是一种工程师解决未知问题的能力，而非仅仅是复述已知答案的技巧。

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这本书在处理并发控制和死锁预防这块内容时，采用了极其严谨的数学化表达，这对于我这种偏爱逻辑清晰的读者来说，简直是福音。它没有回避使用信号量、管程这些看似复杂的同步原语，而是通过清晰的数学模型和严格的逻辑推导，来证明这些机制是如何保证互斥性和无死锁的。特别是关于银行家算法的介绍，作者详细地展示了如何通过资源分配图和安全状态检测来避免潜在的死锁危机，每一步推导都逻辑严密，无懈可击。这种对正确性（Correctness）的极致追求，让我深刻体会到操作系统作为系统基石的严肃性。读完这一部分，我不仅学会了如何“使用”这些工具，更理解了它们背后的“为什么有效”，这为我未来在编写多线程程序时，规避那些难以追踪的竞态条件和死锁问题，打下了坚实可靠的理论基础，让我对接下来的课程学习充满了信心。

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这本书简直是为我们这些刚刚踏入计算机科学大门的愣头青量身定做的！我记得我刚开始接触编程那会儿，对着那些黑乎乎的命令行界面和那些晦涩难懂的术语，简直是一头雾水。感觉自己像是漂浮在信息的海洋里，找不到一个可以依靠的浮木。直到我翻开了这本教材，它就像一位经验丰富的老船长，耐心地为我指引方向。作者没有一上来就抛出那些复杂的理论模型，而是从最基础的进程概念讲起，用非常生动的比喻，把“什么是进程”、“进程之间如何协作”这些原本抽象的概念变得清晰可见。比如，书中对于并发和并行这两个老是让人混淆的概念，用厨房里厨师们如何分工协作的场景来解释，一下子就让我茅塞顿开。而且，这本书的排版和插图设计也深得我心，那些流程图和内存结构的示意图，清晰明了，让人一眼就能抓住重点，而不是被密密麻麻的文字淹没。对于我这种动手能力强于理论分析的初学者来说，这种实践导向的讲解方式简直是太友好了，让我对操作系统这门曾经的“拦路虎”，燃起了浓厚的学习兴趣。

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这本书足够严谨，理论性太强。

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比较烂的一本书，查查名词的中文翻译可以用。

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