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出版者:Prentice Hall

作者:Afzal, Amir

出品人:

页数:576

译者:

出版时间:2007-4

价格:$ 164.30

装帧:Pap

isbn号码:9780131194496

丛书系列:

图书标签:

• unix
• UNIX
• 操作系统
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• 系统编程
• 技术
• 计算机科学
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《系统编程的艺术与实践：深入理解 Linux 内核与系统调用》 本书导言： 在当今技术飞速发展的时代，对底层系统运作机制的深刻理解是构建健壮、高效软件的基石。本书旨在为那些渴望超越应用层 API、直击操作系统核心的开发者和系统工程师提供一份详尽且实用的指南。我们聚焦于现代类 Unix 操作系统，特别是 Linux 内核的内部工作原理，系统调用的实现细节，以及如何利用这些底层工具来构建高性能、高可靠性的应用程序。 本书并非对某一特定操作系统的官方手册的重述，而是将数十年积累的系统编程经验，通过清晰的结构和大量的代码示例，转化为可操作的知识体系。我们摒弃了晦涩的理论堆砌，转而采用“实践驱动学习”的模式，确保读者不仅理解“是什么”，更能掌握“如何做”。 --- 第一部分：奠基石——进程、内存与并发基础 本部分将为读者打下坚实的系统编程基础，重点剖析操作系统管理资源的核心机制。 第一章：进程的生命周期与管理 本章深入探讨进程（Process）的概念，它是程序在内存中的实例。我们将详细解析进程的创建、销毁、上下文切换（Context Switching）的开销与机制。 `fork()`, `vfork()`, `clone()` 的细微差别： 不仅仅是系统调用名称的罗列，而是深入到内核中对页表复制、资源共享策略的差异性分析。我们将探讨如何利用 `clone()` 灵活创建线程（在 Linux 中，线程即轻量级进程）并精细控制其共享资源。 信号（Signals）处理机制： 剖析信号的生命周期，从信号的产生、投递到最终的信号处理函数执行。重点分析实时信号（Real-time Signals）的排队机制，以及在信号处理过程中如何安全地调用非异步信号安全函数（Async-signal-safe functions）。 进程间通信（IPC）的现代视角： 摒弃对过时 IPC 机制的过度关注，集中讲解基于文件描述符的现代 IPC 方式，如管道（Pipe）、命名管道（FIFO），并详细阐述 System V IPC（如共享内存）在现代并发编程中的局限性与适用场景。 第二章：内存管理——虚拟地址空间的艺术 理解虚拟内存是掌握系统性能优化的第一步。本章将从用户空间视角审视内存布局，并逐步深入到内核对物理内存的管理。 用户空间内存布局详解： 详细绘制并解释栈（Stack）、堆（Heap）、BSS 段、数据段和代码段（Text Segment）的确切边界和增长方向。分析栈溢出攻击的原理，以及如何通过栈保护机制（如 Canary）进行防御。 堆内存分配器（malloc/free）的内部结构： 我们将以 `glibc` 的 `ptmalloc2` 为例，解剖其如何管理小块、大块内存，以及垃圾回收（Coalescing）的算法。理解内存碎片化的成因，并学习如何通过特定配置（如 `MALLOC_ARENA_MAX`）来优化高并发场景下的性能。 内存映射（mmap）与文件 I/O： 深入讲解 `mmap()` 系统调用的威力，它如何将文件内容直接映射到进程的地址空间。对比惰性加载（Lazy Loading）与预加载策略对启动时间和运行效率的影响。分析匿名映射与文件映射的区别。 第三章：并发编程与同步原语 并发是现代计算的必然趋势。本章专注于在多核系统上构建正确、高效的并发代码。 线程的创建与管理： 区分 POSIX 线程（pthreads）与内核线程。深入探讨线程同步的底层机制：互斥锁（Mutex）、读写锁（RWLock）的实现原理，以及自旋锁（Spinlock）在内核中的应用场景。 内存屏障（Memory Barriers）与顺序一致性模型： 这是理解现代 CPU 缓存一致性问题的关键。我们将详细解释 Load/Store 操作的重排序（Reordering）现象，并指导读者如何使用 GCC/Clang 内置函数（如 `__atomic_thread_fence`）来强制执行正确的指令顺序，以保证数据可见性。 原子操作（Atomic Operations）： 介绍如何利用 CPU 提供的原子指令（如 Compare-and-Swap, CAS）来实现无锁（Lock-Free）数据结构。本书将提供一个完整的 CAS 实现的双向链表示例，展示其在避免死锁和提高吞吐量方面的优势。 --- 第二部分：I/O 范式与文件系统的交互 本部分将聚焦于系统编程中最核心的领域之一：输入/输出（I/O）操作，以及如何高效地与文件系统进行交互。 第四章：系统调用与 I/O 模型的演进 系统调用是用户空间与内核交互的唯一门户。本章将剖析这一机制的底层细节。 系统调用的底层机制： 详细分析 x86-64 架构下，如何通过 `syscall` 指令完成用户态到内核态的转换，包括寄存器保存、中断向量表查找和返回路径。 阻塞 I/O 与非阻塞 I/O： 对比 `read()` 在阻塞和非阻塞模式下的行为差异。重点分析应用层程序如何通过轮询（Polling）来模拟非阻塞行为，以及这种方法的性能瓶颈。 I/O 多路复用技术（Multiplexing）： 深度解析 `select()`, `poll()`, 及其现代替代品 `epoll`。我们将详细讲解 `epoll` 的事件驱动模型（Edge-Triggered vs. Level-Triggered），并提供一个高性能网络服务器的骨架，展示 `epoll` 模型的实际应用。 第五章：文件系统与数据持久化 理解文件系统是进行可靠数据存储的关键。本章关注文件操作的系统级接口。 文件描述符（File Descriptors）的内部表示： 揭示每个进程的打开文件表（Open File Table）和系统范围的文件表是如何工作的。讲解 `dup()`, `dup2()`, `fcntl()` 等系统调用在文件描述符操作中的精妙用途，如实现文件锁定。 文件锁机制： 区分劝告式锁（Advisory Locks，如 `flock()`）和强制式锁（Mandatory Locks）。深入分析记录锁（Record Locking）与文件锁的粒度差异，以及在分布式系统环境中实现一致性锁的挑战。 异步 I/O (AIO) 的现状与挑战： 探讨 Linux 的 `io_uring` 接口。我们将详细介绍 `io_uring` 如何通过共享环形缓冲区（Ring Buffer）极大地减少上下文切换和系统调用开销，并展示如何构建一个基于 `io_uring` 的零拷贝（Zero-Copy）文件传输服务。 --- 第三部分：网络编程与系统级监控 本部分将把知识应用于网络通信，并介绍如何使用系统工具来诊断和优化程序的性能。 第六章：套接字（Sockets）编程的精髓 网络编程是系统编程最常见的应用场景。本书将关注 TCP/IP 协议栈在用户态和内核态的交互点。 TCP/IP 协议栈的剖析： 概述从用户调用 `send()` 到数据包发送到网卡的全过程。重点分析 `send()` 和 `recv()` 调用的行为，特别是缓冲区管理（Buffer Management）对拥塞控制和延迟的影响。 高级套接字选项： 讲解 `setsockopt()` 的实用性，如 TCP_NODELAY (Nagle 算法的禁用)、SO_RCVBUF/SO_SNDBUF 的动态调整，以及如何使用 IP_TOS 设置服务质量（QoS）。 Unix Domain Sockets： 深入探讨在同一主机上实现进程间通信时，Unix Domain Sockets 相较于 TCP/IP 环回接口的性能优势，并分析其权限控制机制。 第七章：系统性能分析与调试工具 掌握了原理之后，如何测量和改进性能至关重要。本章是实践指导。 使用 `strace` 进行系统调用追踪： 学习如何精确地过滤和解析系统调用日志，识别程序中的 I/O 等待瓶颈。 性能事件追踪（perf）： 详细介绍 Linux `perf` 工具链，如何利用硬件性能计数器（HPC）来测量 L1/L2 缓存未命中率、分支预测失误等底层指标。我们将演示如何使用 `perf record` 和 `perf report` 来定位热点函数。 动态调试与探针技术： 介绍如何使用 GDB 进行高级调试，包括设置条件断点和观察内存变化。同时，简要介绍基于 BPF/eBPF 的动态追踪技术，用于在不重启服务的情况下，安全地探测内核和用户空间的运行时行为。 --- 本书的独特价值： 《系统编程的艺术与实践》并非仅仅罗列 API，它提供的是一个系统思维框架。我们致力于揭示操作系统设计者做出特定选择背后的权衡（Trade-offs），例如：为什么内核会选择延迟分配内存？为什么某些同步操作比其他操作更昂贵？通过对这些“为什么”的深入探讨，读者将能够开发出不仅能工作，而且在性能、安全和资源利用率上都达到最优水平的下一代系统级软件。本书的每一章节都配有经过严格测试和优化的 C 语言示例代码，确保理论与实践的无缝衔接。

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作为一名长期使用UNIX系统的开发者，我深知其强大之处，但也常常觉得，在某些特定的应用场景下，似乎总有难以突破的瓶颈。我一直相信UNIX拥有远超我目前认知的“无限”潜力，只是我还没有找到解锁它的钥匙。《UNIX Unbounded》这本书的标题，恰好点燃了我内心深处的好奇。我希望它能够带领我跳出固有的思维模式，去发现UNIX系统中那些隐藏的、未被充分利用的可能性。我尤其关注书中是否会探讨如何将UNIX的“小即是美”和“管道哲学”应用到更复杂的软件工程实践中，如何通过巧妙的组合和抽象，构建出更具弹性、更易于维护的系统。我期待书中能够提供一些关于UNIX系统在现代IT架构中的应用案例，例如在容器化、微服务、 Serverless 等领域，UNIX依然扮演着怎样的核心角色，以及如何利用UNIX的特性来优化这些新兴技术栈的性能和稳定性。我希望这本书不仅仅是关于命令行的罗列，更是一种思维的引导，一种让我能够真正理解和驾驭UNIX“无限”力量的深刻解读。

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当我第一次看到《UNIX Unbounded》这个书名的时候，我就被它所蕴含的巨大能量所吸引。在我接触UNIX的这段时间里，我总感觉自己像是被某种无形的力量所限制，虽然我能够熟练地使用各种命令和工具，但我总觉得还有更广阔的天地等待我去探索。我希望这本书能够帮助我突破这些“边界”，去真正理解UNIX“无限”的可能性。我尤其对书中是否会讲解如何将UNIX的强大功能与其他技术领域相结合，例如如何利用UNIX的哲学思想去指导大数据分析、人工智能开发，甚至是在物联网领域实现更高级的控制和管理。我期待书中能够提供一些实际的案例和深入的分析，让我能够看到UNIX在各个领域的“无限”应用场景，并从中获得启发，能够将这些知识运用到我自己的工作中，解决更复杂的问题，实现更宏大的目标。这本书是否能成为我理解UNIX“无限”潜力的钥匙，这是我非常期待的。

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我一直对UNIX的命令行界面情有独钟，那种通过简洁的指令就能完成复杂任务的体验，对我来说充满了魅力。但是，随着我接触的项目越来越广泛，我也逐渐意识到，传统的UNIX使用方式，可能还存在着一些我尚未发掘的“边界”。《UNIX Unbounded》这个书名，就像是一扇门，扉页上写着“无限可能”。我迫不及待地想知道，它是否能够带领我突破现有的认知，去探索UNIX更广阔的天地。我希望书中能够详细阐述UNIX的设计哲学，以及这种哲学如何在现代软件开发和系统管理中得到体现和应用。例如，书中是否会介绍如何利用UNIX的进程管理、文件系统和网络协议，构建出高度可扩展、高可用、高并发的复杂系统？是否会提供一些关于如何将UNIX的力量延伸到云原生、DevOps等前沿领域的具体实践？我期待它能不仅仅是技术知识的传授，更是一种思维方式的启迪，一种让我能够真正地“释放”UNIX的潜能，让它在我的工作中发挥出超出预期的价值。

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一直以来，我对UNIX的理解都停留在“强大的命令行工具”和“稳定的服务器操作系统”这两个层面。但《UNIX Unbounded》这个书名，给我了一种全新的视角，似乎它在暗示着UNIX的潜力远不止于此，存在着一种“无限”的延展性。我迫切地想知道，这本书是否能够帮助我打破我对UNIX的固有认知，去发掘它更深层次的强大之处。我希望书中能够探讨一些关于UNIX的“哲学”和“思想”，以及如何将这些抽象的概念转化为具体的实践。例如，书中是否会介绍如何通过UNIX的进程间通信机制，构建复杂的分布式系统？或者如何利用UNIX的管道和重定向，实现高效的数据处理和自动化工作流？我还对UNIX在现代IT架构中的地位和作用非常感兴趣，比如在云计算、容器化、微服务等领域，UNIX是如何发挥其“无限”的优势的。我期待这本书能够带我进入一个全新的UNIX世界，让我能够更深入地理解和运用它，从而在我的技术道路上取得更大的突破。

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在我看来，UNIX不仅仅是一个操作系统，更是一种精妙的设计艺术和一种强大的思维工具。尽管我花费了大量时间去学习和实践，但我总感觉自己对UNIX的理解还停留在浅层，好像有一层“边界”限制了我对其“无限”潜力的深入探索。《UNIX Unbounded》这个书名，恰恰是我一直以来所渴望的。我希望这本书能够带领我跨越这些障碍，去发现UNIX背后更深邃的智慧和更广阔的应用前景。我尤其好奇书中是否会深入探讨UNIX的核心设计理念，例如“一切皆文件”的哲学，以及它如何通过进程、管道、信号等机制，实现系统的高度灵活性和可扩展性。我期待书中能提供一些关于如何将UNIX的强大能力应用于解决现代软件开发中的复杂问题，比如如何通过Shell脚本的艺术，实现高效的自动化运维；如何利用UNIX的网络协议栈，构建高性能、低延迟的分布式服务。我希望这本书不仅仅是技术手册，更是一次对UNIX“无限”可能性的深度挖掘，一次思维的洗礼。

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我是一名在IT行业摸爬滚打了多年的工程师，接触UNIX系统的时间也算不短了。从最初的Shell脚本编写，到后来的系统调优和故障排查，我一直都在努力地加深自己对UNIX的理解。然而，随着项目复杂度的不断提升，我逐渐意识到，仅仅掌握基础命令和常用工具已经不足以应对新的挑战。我常常会思考，UNIX这个古老而又充满生命力的系统，在当今技术飞速发展的时代，它的“无限”究竟体现在哪里？我一直对那些能够将UNIX的强大能力发挥到极致的案例很感兴趣，比如如何利用UNIX的进程管理和网络功能构建高可用、高并发的分布式系统，或者如何将UNIX的哲学应用到更广泛的领域，如DevOps、微服务架构等。这本书的标题《UNIX Unbounded》立刻引起了我的注意，我希望它能够提供一些关于突破UNIX传统使用模式的思路和方法，不仅仅是技术上的，更是一种思想上的解放。我希望书中能探讨一些关于UNIX的可扩展性、灵活性和适应性，以及如何通过巧妙的设计和组合，让UNIX发挥出超乎想象的潜力。我期待它能帮助我拓宽视野，看到UNIX在现代IT架构中的更多可能性，并从中获得一些启发，能够将所学应用到实际工作中，解决更具挑战性的问题，真正地实现“无限”的可能。

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我在学习UNIX的过程中，总会遇到一些让我觉得“卡壳”的地方，好像有一道无形的墙，让我无法进一步深入。可能是对某些复杂配置的理解不够透彻，也可能是对某些高级命令的使用不够熟练。我一直对UNIX的“无限”可能性抱有很大的期待，我认为它不仅仅是一个操作系统，更是一种强大的工具和一种解决问题的哲学。《UNIX Unbounded》这个书名，恰恰触及了我内心深处对这种“无限”的渴望。我希望这本书能够帮助我打破那些限制我思维的“边界”，让我能够更深入地理解UNIX系统的内在逻辑和设计哲学。我期待书中能够提供一些关于如何利用UNIX的灵活性和可扩展性，去应对各种复杂的应用场景的实例和方法。比如，如何通过 Shell 脚本的组合和管道操作，实现自动化和高效的工作流；如何利用 UNIX 的进程间通信机制，构建分布式系统；或者如何将 UNIX 的日志管理和监控能力，应用到大规模集群的管理中。我希望这本书不仅仅是枯燥的技术讲解，更能带我领略 UNIX 的优雅和强大，让我能够真正地“释放”它的潜力，让它成为我在技术道路上更强大的伙伴。

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长期以来，我一直在探寻UNIX系统更深层的秘密，希望能找到那些能够让我真正“解绑”束缚、实现“无限”操作的方法。这本书的标题《UNIX Unbounded》立刻引起了我的强烈共鸣，它似乎承诺着一种超越传统限制的可能性。我希望书中能够深入挖掘UNIX系统的精髓，不仅仅是罗列命令和工具，更重要的是揭示其背后隐藏的设计思想和哲学。我尤其关注书中是否会探讨如何利用UNIX的进程模型、文件系统和网络能力，去构建极其复杂和高效的分布式系统。例如，如何通过巧妙的Shell脚本组合，实现对海量数据的实时分析？如何利用UNIX的IPC机制，优化微服务之间的通信效率？我还对UNIX在现代技术栈中的应用非常感兴趣，比如在DevOps、云原生、容器化等领域，UNIX是否依然是那个不可或缺的基石，以及作者是如何理解和阐述“UNIX Unbounded”在这个新时代的意义。我期待这本书能够为我提供一条通往UNIX“无限”领域的路径。

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最近我一直在探索各种操作系统和开发工具，希望能找到最适合我项目需求的解决方案。UNIX系统一直是我关注的重点，它的稳定性和强大的命令行工具给我留下了深刻的印象。但是，我总感觉我对UNIX的理解还停留在表面，对于它更深层次的强大之处，以及它如何在不断变化的技术环境中保持活力，我还有很多疑问。当我看到《UNIX Unbounded》这本书时，我就被它的名字吸引了。我想，它可能是在试图揭示UNIX系统背后那些不为人知的“边界”或者说“可能性”。我特别好奇书中是否会探讨一些关于UNIX的哲学思想，以及如何将这些思想应用于现代的软件开发和系统管理中。我希望它能帮助我理解，为什么UNIX系统能够经久不衰，并且在云计算、大数据、人工智能等领域依然占据重要地位。这本书是否能够教会我如何超越常规的使用方法，去发掘UNIX更深层的潜力，让它在我的项目开发中发挥更大的作用？我希望它不仅仅是技术手册，更是一本能够启发我思考，让我看到UNIX“无限”潜能的指南，从而能够更自信、更灵活地运用这个强大的系统。

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这本《UNIX Unbounded》的书名，一开始就抓住了我的眼球，充满了无限的可能性和探索的意味。拿到书的那一刻，我就迫不及待地翻阅起来，试图从中找到那些让我一直以来在UNIX世界里感到困惑的“边界”或者说是“限制”究竟在何处。我一直认为UNIX是一个强大到近乎无所不能的操作系统，但同时，它又似乎存在着某种固有的框架，让我觉得即便我掌握了基础命令和一些进阶技巧，也总有种“隔靴搔痒”的感觉，无法真正地突破现有认知。我想，这本书最吸引我的地方，恰恰就在于它承诺的“Unbounded”——它是否能够带领我走出那些固有的思维定势，去发现UNIX更深层、更广阔的潜力？我尤其期待书中能够讲解一些超越传统命令行操作的范畴，比如如何利用UNIX的哲学思想去解决更复杂的问题，或者如何将UNIX的强大能力延伸到跨平台、跨设备的场景中，甚至是如何在云计算、大数据等新兴领域中，UNIX依然扮演着不可或缺的角色。我想了解，那些在看似封闭的系统内部，隐藏着怎样的“自由”和“扩展性”，以及作者是如何定义和解读“UNIX Unbounded”这个概念的。这本书是否能够帮助我摆脱对UNIX的刻板印象，看到它在新时代下的生命力，这对我来说至关重要。我希望它不仅仅是关于技术细节的堆砌，更能是一种思维方式的启迪，一种关于如何“解绑”和“自由运用”UNIX的深刻洞见，从而真正地实现“无限”的可能。

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