具体描述
《大学计算机基础》是按照教育部高等教育司组织制定的《高等学校文科类专业大学计算机教学基本要求（2008年版）》，针对“非零”起点的教学要求编写的，是作者多年从事计算机基础教学经验的总结，主要内容包括计算机基础知识、微机操作系统及其应用、办公软件应用、多媒体知识和应用基础、图形图像的制作与处理、计算机网络基础和Internet基本应用，每章都附有小结与习题。
与《大学计算机基础》配套的电子教案可在清华大学出版社网站与北京外国语大学计算中心网站下载。
好的，这是一本名为《深入理解现代操作系统原理》的图书简介，旨在提供对当代计算机系统核心机制的全面而深入的剖析，完全不涉及《大学计算机基础》中所涵盖的入门级概念。 --- 深入理解现代操作系统原理 内容简介 在信息技术飞速迭代的今天，软件与硬件的边界日益模糊，对底层系统机制的透彻理解已成为构建高性能、高可靠性应用的关键。本书《深入理解现代操作系统原理》，并非一本面向初学者的导论性教材，而是为系统程序员、高级开发工程师以及计算机科学研究人员量身定制的深度技术指南。它聚焦于现代多核、分布式及虚拟化环境下的操作系统内核架构、调度机制、内存管理、并发控制和I/O子系统等核心领域，旨在揭示现代操作系统在应对复杂计算挑战时所采用的精妙设计与权衡取舍。 本书将从硬件抽象层（HAL）之上开始，深入到操作系统的内核空间，剖析其内部的运行逻辑和数据结构，重点探讨主流操作系统（如Linux内核、BSD变体及类Unix系统）在实践中采用的先进技术。 第一部分：内核架构与启动过程的精细解构 本部分将快速跳过操作系统的定义和历史回顾，直接进入对现代操作系统内核结构的深度剖析。 1. 复杂性管理与微内核/宏内核的演进： 我们将详细比较宏内核（如Linux）和微内核（如Mach、L4家族）的设计哲学，分析其在性能、安全性和可扩展性上的核心差异。重点探讨混合型内核（Hybrid Kernels）如何平衡这些需求，以及系统调用接口（System Call Interface）在用户态和内核态切换中的性能开销优化。 2. 启动序列与初始化流程的底层追踪： 完整追踪从BIOS/UEFI启动到内核完全接管系统的全过程。内容包括Bootloader（如GRUB/Limine）的工作机制、内存映射的建立（通过ACPI和EFI表）、中断描述符表（IDT）的初始化、特权级的提升（Ring 0的建立），以及第一个用户态进程（如`init`/`systemd`）的加载与环境构建。 3. 进程与线程的并发模型： 深入探讨现代操作系统如何管理并发。区分进程与线程模型在资源隔离和上下文切换上的开销差异。研究基于LWP（Lightweight Process）的实现方式，并详细分析上下文切换（Context Switching）的原子操作、寄存器保存与恢复机制，以及在现代CPU流水线和缓存体系结构下，如何最小化切换带来的性能损失。 第二部分：高级内存管理与虚拟化技术的融合 本部分是本书的核心，旨在阐明操作系统如何高效地管理稀缺的物理内存，并为应用程序提供统一且安全的地址空间。 4. 虚拟内存系统的深度剖析： 我们将详尽解析页表（Page Table）的结构，包括多级页表、TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理、缓存效应与缺页中断（Page Fault）的处理流程。重点分析操作系统如何利用硬件支持（如EPT/NPT在虚拟化中的应用）来加速地址翻译。 5. 内存分配器的精细调优： 区别于简单的堆管理，本书将聚焦于内核级别的内存分配策略。深入研究如Slab分配器、SLUB/SLOB等内核对象缓存机制，解析它们如何解决内存碎片化问题、提高小对象的分配效率，以及如何应对并发访问下的锁竞争。同时，探讨用户空间的高性能分配器（如jemalloc, tcmalloc）的设计思想及其与内核边界的交互。 6. 内存保护与内存映射的底层实现： 讲解`mmap`、`munmap`等系统调用的内核实现细节，包括如何建立VMA（Virtual Memory Area）结构体，以及在写入时复制（Copy-on-Write, COW）策略下，如何实现高效的进程复制和内存共享。 第三部分：现代调度理论与实时性保证 本部分专注于操作系统如何公平、高效地将CPU时间分配给成百上千的并发任务，这是系统响应速度和吞吐量的决定性因素。 7. 多核环境下的调度算法： 跳过简单的FIFO和轮转算法，本书聚焦于现代调度器的复杂性。详细分析完全公平调度器（CFS）的红黑树数据结构、虚拟运行时（vruntime）的概念，以及它如何近似实现比例份额调度。探讨NUMA（非统一内存访问）架构对CPU亲和性（Affinity）和任务迁移决策的影响。 8. 实时性与低延迟优化： 介绍硬实时（Hard Real-Time）和软实时（Soft Real-Time）系统的区别。深入分析抢占（Preemption）机制、中断延迟的测量与控制，以及现代内核如何通过Tickless/No-HZ模式来减少定时器中断的频率，以节省功耗并提高低延迟应用的性能。 9. 锁的层次结构与并发原语： 详细研究内核内部使用的并发控制机制，包括自旋锁（Spinlocks）、互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）的底层实现。重点解析RCU（Read-Copy-Update）机制，揭示其如何实现无锁的读取操作，并优化数据结构的并发访问性能。 第四部分：高级I/O子系统与存储技术 本部分关注操作系统如何与外部世界进行高效数据交换，特别是面对高速网络和新型持久化存储。 10. 异步I/O与事件驱动模型： 深入解析Epoll/Kqueue等现代异步I/O框架的工作原理，它们如何通过内核空间的数据结构实现高效的事件通知，从而避免传统`select/poll`的性能瓶颈。分析这些机制与用户态事件循环库（如libuv）的协同工作。 11. 块设备层与存储堆栈： 剖析I/O请求的生命周期，从用户空间到驱动层的路径。详细研究I/O调度器（如Deadline, CFQ, BFQ, MQ）的演进，理解它们如何根据不同的I/O模式（顺序读写、随机访问）对请求进行合并、排序和下发，以最大限度地提高SSD和传统磁盘的利用率。 12. 虚拟化I/O（VirtIO/vDPA）： 探讨在虚拟化环境中，操作系统如何通过半虚拟化（Paravirtualization）技术绕过传统硬件模拟的性能损耗，直接与宿主机的虚拟设备进行高效通信。 第五部分：系统安全、可观测性与前沿趋势 最后，本书将探讨构建健壮系统所必需的安全机制和现代调试工具。 13. 内核安全机制的实现： 讲解地址空间布局随机化（ASLR）的实现细节、数据执行保护（DEP/NX）的硬件支持，以及内核模块签名和强制访问控制（MAC，如SELinux/AppArmor）在内核中的集成点。 14. 系统追踪与性能分析： 深入使用eBPF (extended Berkeley Packet Filter) 技术，展示如何安全地在内核中注入自定义探针，实现对调度、内存分配和系统调用的细粒度、低开销的运行时分析。分析`perf`工具链的内核数据采集机制。 15. 分布式操作系统的局部性思考： 简要讨论云计算和容器化带来的挑战，以及操作系统内核设计如何适应微服务和资源隔离的需求（如cgroups v2的层次化管理）。 --- 本书的读者对象是： 期望超越API层面，深入理解操作系统“黑箱”内部工作原理的专业人士。阅读本书需要扎实的C/汇编语言基础，并对计算机体系结构有深刻的认识。本书不提供入门级的操作系统的历史背景或基本概念的定义，而是直接切入现代系统设计的复杂性和优化细节。
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