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出版者:CreateSpace

作者:Dr Jerry Cooperstein

出品人:

页数:292

译者:

出版时间:2009-11-25

价格:USD 29.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781449906023

丛书系列:

图书标签:

• Linux
• 编程
• 开发
• C语言
• 系统编程
• 内核
• 驱动
• 工具
• 实用指南
• 开源

操作系统内核与系统编程实战指南 一本深入现代操作系统底层，聚焦于高效、稳定、安全系统级软件开发的权威著作。 导言：驾驭复杂性，迈向系统级精通 在当今的计算环境中，软件的性能、可靠性和安全性越来越依赖于对底层操作系统机制的深刻理解。无论您是构建下一代云计算基础设施、开发高性能嵌入式系统，还是专注于系统安全审计，对操作系统内核的运作方式、进程间通信的实现、内存管理策略的取舍，以及并发控制机制的细节，都构成了决定最终产品质量的关键基石。《操作系统内核与系统编程实战指南》旨在填补理论与实践之间的鸿沟，为读者提供一套完整、详实且高度实用的系统编程蓝图。 本书并非停留在枯燥的理论复述，而是以一种工程导向的视角，剖析现代操作系统的核心组件，并通过大量的实例代码和真实场景分析，指导读者如何编写出高效、健壮的系统级应用程序和内核模块。我们将深入挖掘那些决定系统性能的“魔鬼细节”，确保读者不仅知其然，更能知其所以然。 --- 第一部分：操作系统核心架构剖析 本部分是理解所有上层软件行为的基础。我们首先从宏观架构入手，然后逐步深入到操作系统的“心脏”——内核。 第一章：现代操作系统的演进与结构模型 多任务与进程模型： 详细解析进程（Process）与线程（Thread）在用户态和内核态的表示，上下文切换的开销与优化。 内核的形态： 对单核、宏内核（Monolithic）、微内核（Microkernel）及混合内核（Hybrid Kernel）的优缺点进行深度对比分析，并以主流操作系统为例说明其设计取舍。 系统调用（System Calls）的机制： 深入讲解用户空间如何通过中断或陷阱机制安全地请求内核服务，包括系统调用号的查找、参数传递的完整流程及返回值的处理。 第二章：内存管理：地址转换与虚拟化的艺术 内存是系统资源中最宝贵的部分。本章专注于理解内存如何被抽象、分配和保护。 分段与分页机制： 详尽解释二级页表、多级页表结构，以及地址空间是如何从虚拟地址映射到物理地址的。着重讲解 TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理及其对性能的决定性影响。 内核空间与用户空间划分： 探讨地址空间的布局，以及内核如何通过映射机制访问物理硬件。 内存分配器（Slab/Buddy System）： 剖析操作系统内部如何管理小块和连续大块内存，并提供如何针对特定工作负载优化内存分配策略的实践建议。 第三章：进程调度：公平、实时与效率的平衡 调度器是决定系统响应速度和吞吐量的核心算法。 调度算法的深度剖析： 详述 FIFO、Round-Robin、优先级调度、多级反馈队列（MLFQ）的原理，以及 CFS（Completely Fair Scheduler）在 Linux 中的核心思想和运行机制。 上下文切换的性能优化： 探讨如何减少上下文切换的开销，包括使用轻量级进程（LWP）和线程的细微差别。 实时性保证： 介绍 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 策略，以及如何为硬实时应用设计和配置系统。 --- 第二部分：系统间通信与同步机制 高效的系统软件需要可靠的通信和无冲突的数据访问。本部分聚焦于进程间通信（IPC）的各种手段和并发控制的艺术。 第四章：进程间通信（IPC）的丰富生态 管道与消息队列： 深入解析无名管道（Pipe）和有名管道（FIFO）的内核实现，以及 System V 消息队列和 POSIX 消息队列的区别和适用场景。 共享内存（Shared Memory）： 讲解如何利用 `shmget`/`mmap` 建立高速通信通道，并讨论其在数据一致性上面临的挑战。 信号量与信号（Signals）： 区分信号（用于事件通知）和信号量（用于资源计数），并详细说明 POSIX 信号量与 System V 信号量的操作原语。 第五章：并发与同步：锁的正确使用与陷阱 并发编程是系统开发中最容易出错的领域。本章提供解决竞态条件的实用工具箱。 原子操作与内存屏障（Memory Barriers）： 解释 CPU 缓存一致性协议（如 MESI），并阐述编译器优化如何“破坏”并发代码，进而引出内存屏障的必要性。 互斥锁（Mutex）与读写锁（RWLock）： 深入讲解自旋锁（Spinlock）与睡眠锁（Sleeping Lock）的内部差异，以及在用户态和内核态应分别选用哪种锁。 条件变量与屏障对象： 教授如何使用条件变量精确地等待特定状态的改变，以及屏障（Barrier）在同步多线程工作流中的应用。 --- 第三部分：文件系统与设备驱动交互 操作系统对外部世界的接口主要通过文件系统和设备驱动程序实现。本部分带领读者进入 I/O 子系统的核心。 第六章：现代文件系统的结构与数据完整性 文件系统的层次结构： 剖析 Inode、数据块、超级块等核心数据结构，并以 Ext4/XFS 为例说明它们如何管理磁盘空间。 缓存策略： 详细解析页缓存（Page Cache）和缓冲区缓存（Buffer Cache）的作用，以及 Writeback 机制如何影响数据持久性。 文件系统中的同步与事务性： 探讨 journal（日志）机制如何确保在系统崩溃后文件系统的一致性，以及如何使用 `fsync()` 等系统调用来强制数据落地。 第七章：设备 I/O 与驱动程序接口 块设备与字符设备： 理解两者在内核中的本质区别，以及如何通过设备文件（`/dev`）进行交互。 I/O 调度器： 深入探讨 CFQ、Deadline、NOOP 等 I/O 调度器的设计哲学，以及在不同存储介质（SSD vs. HDD）上应如何选择。 中断处理与延迟： 分析硬件中断如何进入内核，以及中断上下文和软中断（Softirqs）的处理流程，这是高性能驱动程序设计的基础。 --- 第四部分：网络协议栈的内核实现 网络是现代系统不可或缺的一部分。本部分聚焦于操作系统如何高效地处理网络数据包。 第八章：TCP/IP 栈的内核路径 套接字（Socket）的抽象层： 讲解 socket 系统调用的内核数据结构表示，以及连接建立（三次握手）在内核中的状态机转换。 网络数据包的处理流程： 跟踪一个入站 IP 数据包从网卡中断，经过协议层（IP, TCP/UDP），到最终交付到用户进程的完整生命周期。 拥塞控制与流量管理： 剖析 TCP 拥塞控制算法（如 Reno, CUBIC）在内核中的实现细节，以及流量控制在保障网络公平性中的作用。 --- 结语：构建可靠的系统软件 《操作系统内核与系统编程实战指南》的最终目标是培养读者用“内核思维”解决问题的能力。通过掌握这些底层机制，读者将能够： 1. 精准调优： 识别并解决因内存布局、调度延迟或 I/O 瓶颈导致的应用性能问题。 2. 编写安全代码： 理解内核的安全边界，避免引入可被利用的漏洞。 3. 开发内核模块或扩展： 为特定硬件或定制化需求编写稳定、高效的内核级代码。 本书的每一章都配有大量的 C 语言代码示例和操作系统的内部结构图，确保您在理论学习的同时，能够立即将知识应用于实际的系统开发与调试工作中。掌握操作系统，就是掌握了现代计算的本质。

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