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出版者:McGraw-Hill Higher Education

作者:James P Cohoon

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2001-09-01

价格:0

装帧:Hardcover

isbn号码:9780072498899

丛书系列:

图书标签:

• 基础图书
• C++
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• 程序设计
• 编程
• 计算机科学
• 算法
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• 软件开发
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好的，以下是一份关于一本虚构图书的详细简介，该书名为《深入理解操作系统内核原理：从硬件到用户空间的旅程》，内容完全避开C++程序设计的主题。 --- 深入理解操作系统内核原理：从硬件到用户空间的旅程 作者： [此处可虚构作者姓名，例如：林德森] 页数： 约 1100 页 (精装，含丰富图表与源代码片段) 出版日期： [虚构日期] 图书概述 《深入理解操作系统内核原理：从硬件到用户空间的旅程》并非一本面向初学者的入门读物，而是为系统工程师、高级软件开发者以及计算机科学专业研究生精心打造的一部深度技术专著。本书旨在全面、系统地剖析现代主流操作系统（主要以类Unix内核架构为蓝本，如Linux和BSD变种）的核心工作机制，将读者的视野从抽象的应用程序层面，一步步引导至最底层的硬件交互与内存管理单元（MMU）。 本书的核心价值在于其对“为什么”和“如何实现”的深入探讨，而非仅仅停留在“做什么”的API调用层面。它不仅讲解了内核的功能，更细致地描绘了实现这些功能的复杂算法、数据结构选择的权衡，以及在多核、高并发环境下的同步与调度挑战。 核心内容模块详解 本书共分为六大部分，逻辑清晰地构建了一个完整的内核知识体系： 第一部分：基础架构与启动流程 本部分是理解后续所有复杂机制的基石。我们首先从CPU的启动序列开始，详述引导加载程序（Bootloader，如GRUB或UEFI/BIOS）如何将控制权交给内核。 内存初始化与分段/分页机制的建立： 详细解析了内核如何接管物理内存，并设置首个页表，实现从实模式到保护模式（或长模式）的过渡。 中断处理的基石： 深入讲解了中断描述符表（IDT）、可编程中断控制器（PIC/APIC）的硬件配置，以及第一个上下文切换的实现细节。 内核数据结构初始化： 覆盖进程描述符（Task Struct）、内存描述符表（MM Description）的初始分配与链接。 第二部分：进程与线程管理 这是操作系统的核心职能之一。本部分摒弃了对用户态线程库的关注，专注于内核如何看待和管理并发执行单元。 上下文切换的艺术： 详尽对比了基于硬件的上下文切换（通过栈、寄存器保存）与调度器驱动的切换过程，并分析了TLB（Translation Lookaside Buffer）在切换中的影响与刷新策略。 调度算法的深度剖析： 不仅涵盖传统的如分时、优先级调度，更重点分析了现代Linux CFS（Completely Fair Scheduler）的红黑树实现、虚拟运行时间（vruntime）的计算，以及针对NUMA（非统一内存访问）架构的调度优化策略。 进程间通信（IPC）的内核实现： 探讨了管道、System V IPC以及POSIX消息队列在内核层面的数据结构和锁机制，强调其同步开销。 第三部分：内存管理单元（MMU）的掌控 本部分是全书技术难度较高的部分，聚焦于虚拟内存到物理内存的映射、分配与回收。 页表遍历与地址翻译： 详细图解了四级页表结构（或五级），以及内核如何高效地进行地址翻译，并讨论了TLB的缓存策略与失效处理。 内核内存分配器： 深入分析了Slab/SLUB/SLOB分配器的工作原理，包括对象缓存的创建、对齐要求、内存碎片化问题及其缓解措施。 虚拟内存区域（VMA）与内存映射： 讲解了`mmap()`系统调用在内核中的实现路径，VMA结构体的组织，以及如何处理缺页异常（Page Fault），包括按需填充（Demand Paging）的流程。 交换（Swapping）机制： 阐述了脏页的写回、页交换缓存的管理，以及优先级较高的内核数据结构如何避免被置换。 第四部分：I/O系统与设备驱动模型 本部分将读者带出CPU密集型区域，进入与硬件交互的领域。 中断与延迟的权衡： 深入研究了中断处理的软/硬中断分离机制，软中断如何利用内核线程来处理耗时的任务，以减少中断延迟。 块设备I/O栈： 全面解析了现代I/O子系统，包括请求队列（Request Queue）、I/O调度器（如Deadline, MQ/BFQ）的决策过程，以及如何将逻辑块地址转换为物理磁道/扇区。 字符设备与驱动框架： 讲解了`ioctl()`系统调用的底层流程，以及字符设备驱动的注册、文件操作结构体的实现，并讨论了异步I/O（AIO）在内核中的设计。 第五部分：文件系统结构与持久化 本部分着重于数据如何被组织、缓存并持久化到存储介质上。 虚拟文件系统（VFS）层： 详述了VFS抽象层如何统一处理inode、dentry、superblock等核心数据结构，实现对不同底层文件系统的透明性。 特定文件系统解析： 选取Ext4/XFS等主流文件系统作为案例，解析其日志机制（Journaling）、数据块分配策略以及目录索引结构。 页缓存与缓冲机制： 重点分析了页缓存（Page Cache）如何作为内核主要的内存驻留区，用于加速文件读写，以及回写（Writeback）机制如何平衡性能与数据一致性。 第六部分：系统调用接口与安全机制 本部分连接了用户空间与内核空间。 系统调用（Syscall）的陷阱与返回： 详细分析了用户态如何触发系统调用（如通过软件中断或特定指令），内核态如何捕获并验证参数，以及返回过程中的状态恢复。 安全与隔离： 探讨了内核如何通过权限检查、地址空间布局随机化（ASLR）、堆栈保护（Stack Canaries）等机制来抵御攻击，并简要介绍了命名空间（Namespaces）和控制组（cgroups）在实现容器隔离中的核心技术。 读者定位与价值 本书适合具备扎实数据结构、算法基础，并对汇编语言有基本了解的专业人士。阅读本书后，读者将能够： 1. 精确诊断复杂的系统性能瓶颈，区分是调度延迟、内存颠簸还是I/O等待造成的问题。 2. 深入理解调试工具（如perf, eBPF探针）所揭示的底层事件的真正含义。 3. 为开发高性能、低延迟的系统级软件（如数据库引擎、虚拟化层）打下坚实的理论基础。 本书的每一章都配有大量的流程图、数据结构示意图，并穿插有关键内核API的伪代码实现，帮助读者在理论和实践之间架起桥梁。这是一次对现代计算核心的无畏探索之旅。

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作者在组织章节结构上展现出一种近乎随心所欲的态度，完全没有遵循任何主流的编程教材或技术手册中常见的逻辑递进关系。前一章还在讨论极其底层的内存布局和指针算术，下一章却突然跳跃到了一个完全不相关的GUI库的简陋封装示例，两者之间的过渡生硬得让人措手不及，根本没有建立起一个从基础到高级、由点到面的知识网络。更令人抓狂的是，书中对关键概念的引入顺序是颠倒的，它要求读者在理解了派生类和虚函数之后，才去回顾构造函数和析构函数的执行顺序，这种顺序安排无疑是给初学者设置了不必要的认知障碍。我不得不经常翻阅目录，试图在这些混乱的章节之间建立起一条属于我自己的学习路径，这极大地消耗了本应用于理解复杂概念的精力。一本优秀的教程应该像一位耐心的向导，一步步引导读者穿越知识的迷宫，但这本书更像是一个随手扔下的地图，上面标记着无数的景点，却没有任何合理的游览路线建议，让读者在探索的初期就迷失了方向。

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这本书的理论深度简直像是一汪浅浅的水塘，你以为会看到浩瀚的知识海洋，结果跳进去才发现只能没过脚踝。它似乎将C++语言的每一个基础概念都做了面到即止的介绍，没有深入探讨任何一个“为什么”和“如何优化”。比如，当我们谈到模板元编程时，书中只是简单地罗列了几种语法结构，却完全没有提及类型萃取、SFINAE原理在现代C++设计中的实际应用场景和复杂性剖析；再比如，对于C++11之后引入的并发编程模型，这本书的处理方式更是显得力不从心，它只是机械地介绍了`std::thread`和`std::mutex`的用法，对于内存模型、原子操作的底层语义，以及如何在高并发环境下避免数据竞争和死锁，几乎是避而不谈，仿佛这些是只有资深专家才需要关心的问题。对于一个希望通过系统学习来提升自己编程思维和解决复杂问题能力的读者来说，这种蜻蜓点水式的讲解，带来的挫败感是巨大的，它提供的知识点只是零散的碎片，缺乏将这些碎片有机结合起来构建宏大设计图景的能力，读完后，你只会感觉自己“知道”了C++的一些术语，但绝对没有能力去“设计”出健壮的系统。

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这本书的“设计”思想部分，尤其让我感到失望，它更像是对一些设计模式的机械性罗列，而非真正意义上的设计哲学探讨。书中提到了工厂模式、单例模式，以及几种创建型和结构型模式，但每种模式的介绍都停留在“是什么”和“怎么写”的层面，缺少了对“为什么”和“在什么场景下使用”的深度剖析。例如，在讨论单例模式时，它没有提及现代C++中实现线程安全单例的复杂性，也没有讨论过度使用单例可能导致的依赖耦合问题和单元测试的困难；又比如，在介绍面向对象设计原则时，作者对SOLID原则的解释过于简略和抽象，完全没有提供足够多的、贴近实际工程问题的例子来阐述这些原则如何指导我们做出更灵活、更易于维护的架构决策。这本书似乎假设读者已经对软件工程的复杂性有着深刻的理解，可以直接跳到模式的实现层面，但对于目标读者群体而言，这种跳跃无疑是拔苗助长，结果就是我们得到了模式的骨架，却失去了赋予其生命力的设计灵魂。

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代码示例的质量，可以说是整本书的“阿喀琉斯之踵”。我发现书中大量的代码片段充斥着过时的、不安全的编程习惯，这对于一本教授“程序设计”的教材来说，简直是不可原谅的失职。例如，到处可见裸露的`new`和`delete`操作，对于智能指针的引入则敷衍了事，完全没有强调RAII（资源获取即初始化）范式在C++现代编程中的核心地位；再比如，在处理字符串和容器时，频繁地使用C风格的数组操作和忘记检查返回值，这在生产环境中是典型的安全隐患。当我尝试亲自编译和运行这些示例时，经常遇到编译器发出的警告，有些甚至需要我手动介入，去“修复”作者留下的潜在Bug，才能让程序勉强跑起来。这完全违背了教科书应有的示范作用——它不仅没有教会我如何写出优雅、高效的代码，反而让我花费大量时间去辨识和修正那些本应被视为“反面教材”的冗余和错误。这感觉就像是学习烹饪，结果老师教你的都是如何使用已经生锈的刀具和变质的食材。

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这本书的排版和装帧设计简直是一场视觉的灾难，拿到手里就感觉像是回到了上世纪九十年代的印刷品时代。纸张的质感粗糙得让人怀疑是不是直接用了回收的报纸，翻动时发出的那种细微的沙沙声，简直是对阅读体验的一种折磨。更不用提那些密密麻麻的图表和代码块，它们没有采用任何现代书籍常用的清晰区块划分，而是像被硬生生地塞进页面里一样，边距窄得让人心疼，眼睛稍微一移开，就很难再精准地定位到原来的位置。尤其是那些用宋体印刷的程序注释，细小得像蚂蚁爬过，即便是戴着老花镜，也需要聚精会神地盯着才能勉强辨认，这完全不符合现代技术类书籍应该追求的易读性和专业感。如果说内容是骨架，那么这本《C++ Program Design》的呈现方式，就是一具被随意丢弃的枯槁躯壳，让人在接触知识之前，就已经在与阅读体验进行一场艰难的搏斗。我甚至怀疑，出版商是不是完全没有考虑过读者的视力健康，这种对用户体验的漠视，在如今这个时代，是完全不能被接受的。它让我想起了大学时期那些年代久远的教学资料，只是这本作为“新书”出售，实在令人费解。

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接触软件工程的启蒙书籍，同时是它让我热衷于 C++ 一直到现在。

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