Guide to Parallel Operating Systems with Windows XP and Linux pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Course Technology Ptr

作者:Carswell, Ron/ Webb, Heidi/ Freese, Terrill

出品人:

页数:640

译者:

出版时间:2006-5

价格:$ 131.95

装帧:Pap

isbn号码:9781418837259

丛书系列:

图书标签:

• 并行操作系统
• Windows XP
• Linux
• 操作系统
• 并行计算
• 多处理器
• 系统设计
• 性能优化
• 计算机科学
• 技术指南

现代操作系统内核设计与实现：基于多核架构的深度探索 本书深入剖析了当代操作系统内核的核心机制，重点聚焦于如何高效地管理和调度多核处理器资源，以应对日益增长的并行计算需求。 本书旨在为系统程序员、操作系统研究人员以及对底层计算架构有浓厚兴趣的工程师提供一份详尽的技术指南。我们不局限于对某一特定商业操作系统的功能复述，而是致力于揭示通用操作系统内核在处理并发性、一致性、内存管理和进程间通信（IPC）等核心挑战时的设计哲学与底层算法。 第一部分：并行计算的基石——硬件与抽象层 本部分首先为读者构建理解现代操作系统所必需的硬件基础和软件抽象模型。 第1章：多核架构的演进与挑战 本章追溯了从单处理器到多核、多路处理器系统的发展历程，并详细探讨了并行硬件带来的新问题：缓存一致性（Cache Coherence）、内存墙（Memory Wall）以及乱序执行对软件设计的深刻影响。我们将分析不同类型的多核架构，例如Symmetric Multiprocessing (SMP)、NUMA（Non-Uniform Memory Access）结构，并阐述操作系统如何识别和利用这些异构资源。 第2章：核心抽象：进程、线程与任务模型 操作系统如何将底层的硬件并行能力映射到用户可见的并发模型是至关重要的。本章深入剖析了进程（Process）和线程（Thread）在内核中的精确定义和实现细节。我们将对比用户级线程（User-Level Threads）和内核级线程（Kernel-Level Threads）的优劣，并详细阐述M:N 线程映射模型的设计考量。重点将放在上下文切换（Context Switching）的成本分析和优化技术，例如硬件辅助的寄存器组保存与恢复机制。 第3章：原子操作与内存模型 并发编程的基石在于保证操作的原子性和可见性。本章详细解析了硬件原语，如Load-Linked/Store-Conditional (LL/SC) 或Compare-and-Swap (CAS)。随后，我们将构建并分析程序顺序一致性模型（Sequential Consistency）与C++11/Java等语言的内存模型之间的对应关系。我们将通过具体案例展示内存屏障（Memory Fences/Barriers）在防止编译器和CPU重排序（Reordering）中的关键作用。 第二部分：调度——核心的资源仲裁者 高效的调度是操作系统性能的命脉。本部分专注于内核如何智能地分配有限的CPU时间片。 第4章：抢占式调度算法的深入剖析 本章超越了传统的Round-Robin模型，重点探讨现代系统为了保证实时性、公平性和吞吐量所采用的复杂调度策略。我们将详尽分析多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue, MLFQ）的设计参数、完全公平调度器（Completely Fair Scheduler, CFS）的核心概念——虚拟运行时（vruntime）和“红黑树”数据结构的应用。同时，也会涵盖对实时调度（Real-Time Scheduling），如Rate Monotonic (RM) 和 Earliest Deadline First (EDF) 算法的实现细节和优先级反转（Priority Inversion）的规避方法。 第5章：多处理器调度与负载均衡 在多核环境下，单个CPU上的调度策略已经不足够。本章讨论如何将任务分布到不同的CPU上。我们将深入研究亲和性（Affinity）的概念，区分分离调度（Separate Scheduling）和集中式调度（Centralized Scheduling）的优缺点。重点在于负载均衡（Load Balancing）机制的设计，包括工作窃取（Work Stealing）和工作推送（Work Pushing）的算法实现、触发条件以及对缓存污染的考量。 第6章：同步原语的内核实现 操作系统内核必须提供可靠的同步工具。本章详细拆解互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）和条件变量（Condition Variables）的底层实现。我们将对比基于禁用中断（Disabling Interrupts）、忙等待（Busy Waiting）和内核睡眠/唤醒机制（Futex/Wakeable Handoff）的不同实现方式。特别关注优先级继承（Priority Inheritance）和优先级天花板（Priority Ceiling）协议在死锁预防中的应用。 第三部分：内存的并发管理 在多核系统中，虚拟内存的并发访问对性能和隔离性构成了巨大的挑战。 第7章：虚拟内存与页表管理 本章概述了虚拟地址到物理地址的转换过程，重点讨论多级页表（Multi-level Paging）的结构和TLB（Translation Lookaside Buffer）的缓存管理。在并行环境下，页表的并发访问和修改（例如，当进程fork时）必须被精确同步。我们将分析地址空间标识符（ASID）如何帮助TLB的快速切换，以及内核如何管理页错误（Page Faults）处理的同步性。 第8章：内核内存分配器的并发设计 内核需要快速、无锁地分配和回收小块内存。本章详细考察Slab/SLUB分配器的设计原理，以及它们如何通过Per-CPU数据结构来最小化跨CPU的同步开销。我们将分析如何在不依赖全局锁的情况下，实现高效的内存池管理和碎片整理。 第9章：数据共享与内存映射 进程间高效数据共享是并行应用的关键。本章探讨内存映射文件（mmap）的机制，并重点分析写时复制（Copy-on-Write, COW）的并发实现，特别是在`fork()`系统调用期间，如何保证父子进程的内存视图一致性。此外，还将探讨大页（Huge Pages）在减少TLB压力方面的作用。 第四部分：I/O与中断的并行处理 现代系统的性能瓶颈往往在于I/O。本部分研究内核如何并行化地处理来自外部设备的请求。 第10章：中断处理与推迟执行 中断是硬件与内核通信的根本方式。本章区分上半部（Top Half，快速、原子执行）和下半部（Bottom Half）（如软中断、Tasklets、Workqueues）的处理机制。重点分析在多核系统中，如何使用中断亲和性将中断均匀分散到不同的CPU上，以避免单一CPU成为I/O处理的瓶颈。 第11章：异步I/O与现代接口 本书将分析传统的阻塞式I/O模型在并行环境中的局限性。我们将深入研究异步I/O（AIO）的内核实现，包括I/O完成端口（IOCP）或io_uring等现代高效接口的设计思想，它们如何通过最小化的上下文切换来实现高并发的数据传输。 第五部分：并发编程范例与内核安全 最后，本书将讨论在内核层面和应用层面构建健壮并发系统的设计模式和安全考虑。 第12章：无锁数据结构的设计与分析 在性能敏感的子系统中，锁的开销是不可接受的。本章将介绍构建无锁（Lock-Free）和无等待（Wait-Free）数据结构的方法，如基于CAS的队列和栈实现。我们将使用Lamport的时间戳和Bakery算法等经典并发理论作为理论基础，并分析这些结构的实际性能与正确性验证。 第13章：系统调用的并发控制 系统调用是用户空间与内核的唯一接口。本章探讨内核如何同步处理来自多个进程的并发系统调用请求。我们将分析不同系统调用对共享内核资源的依赖性，以及内核为保证系统调用执行的原子性和隔离性所采用的内部锁粒度策略。 --- 总结： 本书不提供任何预编译的二进制文件或特定厂商的配置指南。它专注于操作系统内核设计中通用且核心的并发挑战与解决方案，为读者提供构建下一代高性能、高可靠性系统的底层知识体系。阅读本书后，读者将能够深入理解任何现代复杂操作系统——无论其用户界面如何——其内部驱动并行计算和资源管理的核心逻辑。

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这本书的结构布局给我留下了一种“拼凑感”。前半部分对操作系统的基础结构进行了较为详尽的描绘，仿佛是两本独立教材的章节被强行合并到了一起。例如，关于Windows注册表和Linux系统服务启动脚本的对比分析，占据了相当大的篇幅，这在操作系统基础知识中属于常规内容，但对于一个聚焦于“并行”的读者来说，这些系统管理层面的知识显得优先级过低。我更希望看到的是在处理大规模科学计算任务时，如何通过调整内核参数（如调整I/O优先级或内存锁定）来确保并行任务的实时性和稳定性。书中对虚拟内存管理机制的描述是准确的，但它止步于解释分页和分段如何工作，未能深入探讨当多个并行进程都在争夺物理内存和TLB（转换后援缓冲器）时，系统性能下降的具体瓶颈所在。这种“面面俱到”的广度，牺牲了对核心并行议题的“专精”，使得这本书在定位上显得有些模糊不清，难以被归类为某一特定领域的权威参考书。

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这本书的封面设计着实吸引人，那种深邃的蓝色背景配上简洁的白色字体，散发出一种专业而沉稳的气息。我最初被它吸引，是因为我对操作系统内核级别的并行处理机制一直抱有浓厚的兴趣，尤其是想了解在当时主流的桌面操作系统——Windows XP和Linux环境下，如何高效地调度和管理并发任务。我期待它能深入浅出地剖析线程同步、进程间通信（IPC）以及死锁避免的算法实现。然而，当我翻开目录时，我发现它似乎更侧重于介绍操作系统的基础架构和用户层面的应用接口，而非我真正渴求的底层并行算法的数学模型或汇编层面的优化技巧。比如，它花了大篇幅讲解了Windows的API调用流程和Linux的系统调用表结构，这固然是基础，但对于一个追求“Guide to Parallel”的读者来说，略显冗余。我希望能看到更多关于SMP（对称多处理）架构下缓存一致性协议（如MESI）如何影响程序性能的实战案例，或者至少是对现代多核处理器设计原理的深入探讨。整体来看，这本书像是一本扎实的“操作系统原理入门读物”，而非专门针对“并行系统”的深度指南，对于寻求高级优化的专业人士来说，可能需要配合其他更专业的书籍来填补知识的空白。它的语言风格偏向教科书式的严谨，对于初学者或许友好，但对于我这种有一定基础的读者来说，阅读体验上缺少了一些“顿悟”的惊喜。

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这本书的装帧质量相当不错，纸张的厚度适中，印刷清晰，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳，这在众多技术书籍中是一个值得称赞的优点。我当初购买它的主要动机是想系统性地学习如何在当时流行的两种异构平台上实现高性能计算（HPC）的应用。我希望能看到关于OpenMP或MPI在Windows和Linux环境下编译、链接和性能调优的详细步骤和陷阱分析。遗憾的是，这本书的内容似乎更倾向于对这两个操作系统各自特有的文件系统特性进行概述，比如NTFS的Journaling机制和Ext3的文件块分配策略，以及它们在处理大量小文件读写时的性能差异对比。这种对比虽然有价值，但与书名中强调的“并行”主题关联度不高。我记得其中有一章尝试讨论了进程池的管理，但其深度仅停留在资源分配的层面，缺乏对现代任务调度器（如CFS或Windows的Thread Scheduler）如何利用多核特性进行负载均衡的详细描述。这种讲解的层次感让我感觉有些失落，仿佛这本书的视野被分割成了两半——一半是Windows的特性，一半是Linux的特性，而将两者在并行计算层面深度融合的“粘合剂”部分处理得比较草率。

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初读时，我特别欣赏作者在引言中对“并行计算的必然性”所做的宏大论述，那段文字充满了对未来计算趋势的洞察力，让我对接下来要学习的内容充满了期待。我原以为这会是一本紧密结合实践的实战手册，特别是针对跨平台并行编程的挑战。然而，深入阅读后发现，它对各种并行模型（如数据并行与任务并行）的理论介绍显得有些抽象和脱离实际。例如，在讨论锁机制时，作者详细解释了互斥锁和信号量的概念，但对于如何选择合适的同步原语来最小化上下文切换开销，以及如何在特定硬件上避免总线争用的具体指导却寥寥无几。书中的代码示例，虽然在语法上是正确的，但大多是孤立的、功能验证性的片段，缺乏一个贯穿全书、逐步迭代、用于解决复杂工程问题的综合性案例。这使得我很难将学到的知识点串联起来，形成解决实际并行编程问题的能力框架。与其说它是一本“指南”，不如说它更像是一套“概念词典”，为读者提供了术语和基础知识的储备，但要真正“上手”编写高效的并行代码，读者还需要另寻他法，去寻找那些专注于性能调优和基准测试的专业文献。

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从阅读体验上来说，这本书的语言风格在不同章节之间存在显著的不一致性。有些章节的论述流畅且富有逻辑性，如同经验丰富的工程师在分享心得；而另一些章节则显得晦涩难懂，充斥着生硬的术语堆砌，似乎是直接从技术文档中复制粘贴而来，缺乏必要的解释和上下文引导。特别是在涉及网络并发编程的部分，作者似乎默认读者已经完全熟悉套接字编程模型，对异步I/O（如Windows的IOCP或Linux的AIO）的介绍过于简略，导致在理解其如何高效地管理大量并发连接时，我不得不频繁地查阅其他资料来补充背景知识。一个真正优秀的指南应该能够预见读者在学习过程中的难点，并提前设置好铺垫和衔接。这本书的不足在于，它似乎更侧重于描述“是什么”，而非解释“为什么”以及“如何才能做得更好”。对于我们这些希望掌握构建现代高性能并行系统的关键技术的人来说，它提供的更多是构建蓝图的原材料，而不是一套完整的、可操作的施工指南。

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