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出版者:人民邮电出版社

作者:崔杜武

出品人:

页数:291

译者:

出版时间:2001-4

价格:48.00元

装帧:平装

isbn号码:9787115092083

丛书系列:

图书标签:

• Linux
• 多媒体
• 应用
• 音视频
• 开发
• 编程
• 技术
• 开源
• 实践
• 教程

好的，这是一本名为《深入理解现代操作系统内核》的图书简介，内容涵盖了操作系统核心概念、内存管理、进程与线程、文件系统、I/O子系统以及安全机制等方面，旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解现代操作系统的内部工作原理。 --- 深入理解现代操作系统内核 内容简介 本书全面深入地剖析了现代操作系统的核心机制与实现原理，旨在为系统程序员、内核开发者以及对底层计算技术有浓厚兴趣的读者提供一份详尽的技术指南。我们聚焦于操作系统如何有效地管理硬件资源、调度任务、隔离进程、并提供稳定、高效的服务，这些都是构建高性能和高可靠性软件系统的基石。 全书结构清晰，从基础概念出发，逐步深入到复杂的内核结构和高级主题。我们不仅阐述“是什么”，更侧重于“为什么”和“如何做”，通过分析主流操作系统（如Linux、BSD及其变体）中的实际设计模式，使读者能够掌握从硬件抽象层到用户空间接口的完整技术栈。 第一部分：操作系统基础与架构 本部分奠定了理解内核工作的基础。首先，我们回顾了计算机体系结构与操作系统的关系，探讨了中断、异常处理以及特权级的概念，解释了操作系统如何在硬件之上建立起第一层抽象。 引导与抽象层： 详细介绍了系统调用接口（System Calls）的设计哲学，这是用户空间与内核空间交互的桥梁。我们将分析系统调用的生命周期，包括上下文切换的开销与优化。 内核结构与模块化： 探讨了单内核、微内核及混合内核的优缺点及其在不同操作系统中的应用。重点分析了现代内核中模块化设计（如Linux内核模块）如何实现功能的动态加载与卸载，提升了系统的灵活性和可维护性。 第二部分：进程管理与调度 进程与线程是操作系统的核心职能之一。本部分深入解析了进程的创建、销毁、上下文切换的细节，并详尽介绍了各种调度算法的实现与性能考量。 进程地址空间布局： 深入解析了虚拟内存的结构，包括代码段、数据段、堆栈以及共享库的映射关系。解释了用户进程如何拥有一个“私有”的、一致的内存视图。 线程模型与同步原语： 区分了用户级线程和内核级线程，并重点分析了内核如何管理和调度这些并发执行单元。详细介绍了互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）、条件变量（Condition Variables）以及屏障（Barriers）等同步机制的底层实现，着重分析了避免死锁和活锁的设计策略。 高级调度算法： 不仅仅局限于简单的轮转法（Round Robin）或优先级调度。本书详尽分析了如完全公平调度器（CFS）的工作原理，如何通过红黑树维护任务优先级，以及针对实时系统（RTOS）的调度策略，如截止时间单调性（DMS）和最早截止时间优先（EDF）。 第三部分：内存管理与虚拟化 内存管理是决定系统性能的关键因素。本部分深入到硬件MMU（内存管理单元）层面，解释了操作系统如何高效地分配、保护和共享物理内存。 分页与分段机制： 详细阐述了基于硬件的分页机制，包括页表结构、多级页表如何解决地址转换的效率与空间占用问题。分析了TLB（转换后备缓冲器）的工作原理及其对性能的影响。 内存分配器： 探讨了内核级和用户级内存分配器（如Slab分配器、Buddy系统、jemalloc/tcmalloc）的设计哲学。分析了碎片化问题及其缓解技术，例如内存紧凑化（Compaction）。 虚拟内存与交换： 深入研究了页错误（Page Fault）的处理流程，包括按需调页（Demand Paging）的实现。详细分析了换出（Swapping）和置换策略（如LRU的实际应用与缺陷），以及如何通过内存映射文件（mmap）实现高效的I/O操作。 第四部分：文件系统与持久化存储 本部分聚焦于数据如何在持久化存储介质上组织、访问和保护。 文件系统架构： 介绍了VFS（虚拟文件系统层）的作用，它如何提供统一的接口来抽象不同类型的文件系统。对Ext4、XFS等日志文件系统的内部结构进行了剖析，重点讲解了i节点（inode）、数据块的组织方式。 事务与日志： 深入解析了写时复制（Copy-on-Write, CoW）和日志（Journaling）机制，解释了它们如何确保文件系统在遭遇系统崩溃或断电时仍能保持数据一致性。 块设备驱动与I/O调度： 讨论了块设备的抽象层，以及I/O请求如何从上层文件系统传递到底层驱动。详细分析了电梯算法（Elevator Algorithms，如Deadline、NOOP、CFQ/BFQ）在优化磁盘访问寻道时间中的作用。 第五部分：并发、中断与设备交互 本部分探讨了操作系统如何处理时间敏感事件和外部硬件通信。 中断与异常处理： 剖析了中断描述符表（IDT）或类似机制的结构，以及内核如何快速、安全地从中断上下文中恢复执行。分析了硬中断与软中断的区分和处理流程。 同步与竞态条件： 在多核环境下，内核自身的并发访问是巨大的挑战。本书详细讨论了自旋锁（Spinlocks）、读写锁（RWLocks）在内核同步中的应用，并分析了内存屏障（Memory Barriers）在保证多处理器可见性方面的重要性。 设备驱动模型： 概述了现代操作系统中设备驱动的架构，包括总线抽象、设备注册、以及中断请求（IRQ）的处理流程。 第六部分：安全与隔离 随着系统复杂度的增加，安全成为核心关注点。本部分探讨了操作系统为保障系统完整性所采用的机制。 权限模型与访问控制： 深入研究了DAC（自主访问控制）和MAC（强制访问控制）的原理。分析了如SELinux或AppArmor等安全增强型模块如何通过策略文件限制进程的行为。 安全隔离技术： 探讨了内核沙箱（Sandboxing）、命名空间（Namespaces）和控制组（Control Groups, cgroups）等关键技术在容器化技术（如Docker）中的应用，解释了这些机制如何提供资源隔离和安全边界。 --- 目标读者： 本书适合具有C语言基础和一定汇编知识的系统级软件工程师、操作系统课程的高年级学生及研究生、以及所有希望从“使用”层面跃升到“理解并改造”层面的技术专家。阅读本书后，您将能够自信地分析内核崩溃日志、优化系统性能瓶颈，并参与到内核级别的开发与调试工作中。

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深入到软件层面，这本书对开源多媒体生态系统的理解之深，令人叹服。它不仅仅是介绍KDE的Dolphin或GNOME的Totem这些桌面级应用如何利用GStreamer框架，而是花了大量篇幅去解析GStreamer本身的“管道（Pipeline）”设计哲学。作者通过对不同“元素（Element）”之间数据流的剖析，清晰地展示了如何通过调整管道的顺序和参数，实现对媒体流的精细控制。我之前一直对GStreamer的复杂性望而却步，总觉得它像一个黑箱，但这本书像一把手术刀，将这个框架层层解构，直至看到核心的内存管理和线程同步机制。尤其是在处理流媒体协议（如DASH和HLS）的缓存策略部分，书中详细对比了不同缓存算法在网络波动环境下的表现差异，并提供了基于`gst-launch-1.0`进行实时调试的脚本示例。这为我后续开发定制化的流媒体客户端打下了极其坚实的基础。

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从内容深度来看，这本书的广度也同样令人印象深刻。它并没有固步自封于桌面Linux环境，而是将视野扩展到了嵌入式系统和物联网（IoT）场景下的多媒体部署。在探讨硬件加速时，它没有止步于Intel或NVIDIA的通用驱动，而是专门辟出章节，讲解了树莓派（Raspberry Pi）和某些ARM SoC上特有的VPU（Video Processing Unit）的编程接口和使用注意事项。这部分内容对于希望在低功耗设备上实现视频转码或播放的应用开发者来说，简直是雪中送炭。书中提到，在某些特定的ARM架构上，标准的VA-API调用可能无法完全发挥性能，必须使用厂商提供的特定库进行包装，并提供了具体的交叉编译和库链接的步骤。这种对不同硬件平台差异的细致考量，体现了作者扎实的实践经验，绝非纸上谈兵。这本书的价值就在于，它不仅告诉你“如何做”，更告诉你“为什么在特定情况下应该这样做”，提供的是一种系统性的、跨平台的解决方案思维框架。

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这本书的封面设计实在是太抓人眼球了！那种深邃的黑色背景上，跳跃着几个鲜明的、仿佛从代码流中凝结而成的彩色光点，立刻让人联想到Linux系统那种深沉而富有活力的内核。我原本以为一本专注于“多媒体应用”的书籍，内容会偏向于枯燥的API调用和编译参数，结果翻开扉页，作者的序言就展现出一种对自由软件精神的热忱。他没有一上来就堆砌那些佶屈聱牙的技术名词，而是娓娓道来如何在开源的生态下，打造出真正属于用户自己的影音体验。比如，书中对Wayland显示服务器的介绍，就远比我之前读过的任何官方文档都要来得直观和易懂，它不仅仅是描述了技术规格，更阐述了为何需要Wayland以及它如何从根本上优化了图形渲染的延迟。看到后面关于音频栈（ALSA、PulseAudio到PipeWire的演进）的章节时，我更是惊喜地发现，作者竟然深入挖掘了音频缓冲区的管理策略，这对于追求极致低延迟音频制作的极客来说，简直是宝藏。整体阅读下来，感觉不像是在啃一本技术手册，更像是在一位经验丰富的老船长带领下，探索广袤的Linux数字海洋，充满了发现的乐趣和对技术本质的深刻洞察。

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这本书的语言风格非常“接地气”，一点也不高高在上，读起来让人感到亲切，仿佛是身边一位技术高手在耳边和你交流经验。我尤其欣赏作者在处理复杂概念时所使用的类比。举个例子，在讲解Linux下处理字幕同步问题时，他没有直接抛出时间戳对齐的数学公式，而是将音轨、视频流和字幕流比喻成一个三人在不同速度下跑步的场景，字幕需要像一个裁判那样，根据当前跑到的位置，精确地发出“加速”或“减速”的信号。这种形象化的描述，瞬间打通了我对时间轴同步机制的理解盲区。此外，书中对各种小众但强大的工具的挖掘也令人惊喜。例如，对于音频混音部分，它深入探讨了Jack Audio Connection Kit的高级路由配置，并附带了多个真实世界中音乐制作流程的配置模板，这远远超出了一个普通“多媒体应用”书籍的范畴，更像是专业音频工程师的案头参考。阅读过程中，我时不时会停下来，去尝试书上提供的那些看起来“离经叛道”但异常有效的配置小技巧。

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我对这本书的结构安排感到非常赞赏，它完全跳脱了传统技术书籍那种“先理论后实践”的刻板模式。这本书更像是精心设计的一套“项目驱动式学习路径”。开篇并不急于介绍播放器软件，而是先用一章的篇幅，手把手教你如何从零开始配置一个高效的视频编码环境。我特别喜欢其中关于FFmpeg的“模块化编译”那一节，作者没有仅仅停留在如何使用`./configure`命令，而是详细解释了不同编解码器库（如x264、libvpx等）的编译时依赖关系，并给出了在资源受限的嵌入式设备上进行裁剪编译的实用技巧。这种“知其所以然”的讲解方式，让我感觉自己不再是简单地复制粘贴命令，而是真正掌握了底层构建的能力。更别提它在介绍视频渲染后端（如VA-API和VDPAU）时，那种对不同GPU厂商驱动差异的细致对比，几乎可以作为未来排查疑难杂症的“圣经”了。读完这部分，我信心大增，立刻着手优化了我那台老旧笔记本上的视频播放性能，效果立竿见影，卡顿感几乎消失了，这完全得益于书中对硬件加速机制的透彻剖析。

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