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出版者:Pearson

作者:Lubomir F. Bic

出品人:

页数:543

译者:

出版时间:2002-12-1

价格:USD 198.60

装帧:Paperback

isbn号码:9780130266118

丛书系列:

图书标签:

• HAOK
• 操作系统
• 原理
• 计算机科学
• 操作系统设计
• 系统编程
• 内核
• 并发
• 进程管理
• 内存管理
• 文件系统

《数字时代的基石：深入理解计算机系统的运作之道》 在这信息爆炸、数据洪流的时代，计算机已不再是遥不可及的神秘机器，而是渗透进我们生活方方面面的核心工具。从个人掌中的智能手机，到支撑全球运转的超级服务器，其背后都离不开一套精妙绝伦的运行机制。然而，我们常常沉浸于应用程序带来的便捷，却鲜少深入探究其赖以生存的根基——计算机系统。本书正是为了填补这一认知鸿沟而生，它将带领读者踏上一段激动人心的探索之旅，揭示那些驱动着数字世界运转的底层原理与核心概念。 想象一下，当你打开电脑，屏幕亮起，鼠标指针灵动地移动，应用程序瞬间加载并流畅运行，这一切是如何实现的？你同时打开多个程序，它们似乎能和平共处，互不干扰，这背后又隐藏着怎样的智慧？当网络连接稳定，数据跨越千山万水，信息准确无误地传递，其流程又是如何保障的？这些问题的答案，都蕴藏在计算机系统的运作机制之中。本书的目标，便是以一种既严谨又易于理解的方式，深入浅出地剖析计算机系统的“心脏”与“大脑”，让你不仅能“用”好计算机，更能“懂”它。 本书的编写，绝非仅仅罗列枯燥的技术术语，而是力求通过清晰的逻辑、丰富的案例和生动的比喻，构建起一座通往计算机系统深层理解的桥梁。我们将从最基础的“指令”与“数据”如何被计算机识别和处理开始，逐步深入到更为复杂的“进程管理”、“内存分配”、“文件系统”以及“设备交互”等核心领域。每一章节都旨在独立成篇，又彼此呼应，共同构成一幅完整的计算机系统运作全景图。 第一部分：指令的舞蹈与数据的洪流——硬件与软件的交响 一切的起点，是构成计算机最基本元素的硬件。本书将首先为你描绘一台计算机的“骨架”与“血肉”，介绍中央处理器（CPU）、内存（RAM）、存储设备（硬盘、SSD）以及输入输出设备（键盘、显示器）等关键组件的功能及其相互协作的方式。你将理解CPU是如何一步步执行指令的，指令集架构（ISA）的意义何在，以及数据在不同组件间如何流动。 随后，我们将目光转向软件。在硬件之上，是构成复杂指令集合的软件层。本书将重点阐述“程序”的概念，以及它与“进程”之间的微妙关系。一个静态的程序，如何被加载到内存中，并转化为一个动态运行的进程？我们将深入探讨进程的生命周期，理解进程的创建、终止、阻塞与唤醒等状态转换的原理。这其中，进程间的通信（IPC）机制尤为关键，它如同不同部门间的信息传递，保证了复杂系统能够协同工作。你将了解到管道、消息队列、共享内存等多种IPC方法的原理与适用场景。 第二部分：时间与空间的策略——并发与内存管理的艺术 在多任务处理日益成为常态的今天，如何高效地在有限的时间和空间资源下，运行多个进程，是计算机系统面临的巨大挑战。本书的第二部分，将聚焦于“并发”与“内存管理”这两个核心议题。 在并发领域，我们将深入解析“线程”的概念，理解线程作为进程内更细粒度的执行单元，如何在多核CPU上实现并行，以及如何通过多线程技术提高程序的响应速度和资源利用率。然而，当多个线程或进程同时访问共享资源时，数据的一致性问题便会显现。本书将详细介绍同步机制，如互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）等，以及它们如何防止竞态条件（Race Condition）和死锁（Deadlock），确保程序的正确运行。你将学会如何像一位精明的“交通指挥官”，协调并发的“车辆”（进程/线程），避免“拥堵”与“事故”。 内存是计算机运行的宝贵资源，如何高效地分配、使用和回收内存，是操作系统设计中的重中之重。本书将详细介绍内存管理的各种策略。从早期的连续内存分配，到后来的分页（Paging）和分段（Segmentation）技术，再到现代操作系统普遍采用的虚拟内存（Virtual Memory）概念。你将理解虚拟地址与物理地址的映射关系，页表（Page Table）的作用，以及缺页中断（Page Fault）的发生机制。通过对这些技术的剖析，你将明白计算机是如何克服物理内存限制，运行比实际内存更大的程序，并实现进程间的内存隔离。 第三部分：数据的持久化与设备的连接——文件系统与I/O的奥秘 程序运行需要数据，而数据的存储与访问，则离不开文件系统。本书的第三部分，将为你揭示数据如何在磁盘等持久化存储设备上被组织、管理和检索。我们将从文件和目录的基本概念讲起，深入探究各种文件系统的实现原理，如FAT、NTFS、ext4等。你将了解文件系统的结构，如文件分配表、inode、超级块等，以及它们如何将逻辑上的文件映射到物理存储块。同时，我们还将探讨文件系统的性能优化，如缓存机制、日志技术等，以及如何保障数据的安全性和可靠性。 除了数据的存储，计算机还需要与外部世界进行信息交换，这就涉及到了输入输出（I/O）管理。本书将详细阐述I/O设备的类型，以及操作系统如何通过驱动程序（Device Driver）与硬件进行交互。你将了解中断（Interrupt）的工作原理，以及如何利用中断来高效地处理I/O事件。此外，我们还将探讨缓冲（Buffering）和缓存（Caching）技术在I/O中的应用，以及如何通过DMA（Direct Memory Access）等技术，减轻CPU在I/O操作中的负担，提升整体系统吞吐量。 第四部分：系统调度的智慧与网络通信的桥梁 计算机系统是一个复杂的生态系统，其中“调度”扮演着至关重要的角色。本书的第四部分，将聚焦于CPU调度和磁盘调度。我们将深入剖析各种CPU调度算法，如先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转（Round Robin）、优先级调度等，理解它们各自的优缺点，以及如何根据不同的系统负载和应用场景进行选择。你将明白，CPU调度并非简单的“谁先来谁先处理”，而是蕴含着复杂的权衡与优化。 随着互联网的飞速发展，网络通信已成为现代计算机系统不可或缺的一部分。本书最后一部分，将为你构建起通往网络世界的桥梁。我们将从网络协议栈（TCP/IP模型）的基本概念讲起，逐步深入到传输层（TCP、UDP）和网络层（IP）的关键技术。你将理解数据包的封装与解封装过程，以及TCP如何通过三次握手、四次挥手建立可靠的连接，并实现流量控制和拥塞控制。虽然本书的侧重点在于操作系统内部的机制，但我们将触及网络通信与操作系统内核的紧密联系，理解网络 socket 如何与文件描述符结合，以及操作系统在网络数据传输中所扮演的角色。 本书的价值与读者获益 《数字时代的基石：深入理解计算机系统的运作之道》适合以下人群阅读： 计算机科学与技术专业的学生： 为你提供扎实的理论基础，帮助你理解后续更高级课程，如分布式系统、云计算、嵌入式系统等。 软件开发工程师： 帮助你写出更高效、更健壮的代码，理解程序性能瓶颈的根源，掌握调试复杂系统问题的技巧。 系统管理员与运维工程师： 帮助你更深入地理解系统行为，优化系统配置，快速定位和解决性能问题与故障。 对计算机工作原理充满好奇的科技爱好者： 满足你对数字世界运作机制的探索欲，让你从“使用者”转变为“理解者”。 通过阅读本书，你将获得： 清晰的理论框架： 掌握计算机系统运作的核心概念与原理。 深刻的洞察力： 理解不同技术选择背后的权衡与优劣。 实用的知识： 能够将所学应用于实际开发与系统管理中。 严谨的思维方式： 培养分析和解决复杂技术问题的能力。 本书并非一本简单的“操作手册”，而是邀请你参与一场智力探险，共同揭开计算机系统神秘的面纱。让我们一起，从最基础的“0”和“1”出发，一步步构建起对这个数字时代基石的全面认知。

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