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出版者:高等教育

作者:刘功申//张月国//孟魁

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2010-7

价格:36.00元

装帧:

isbn号码:9787040290554

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
• 网络
• 恶意代码
• 病毒
• 木马
• 网络安全
• 信息安全
• 漏洞
• 防御
• 安全编程
• 逆向工程
• 威胁情报

深入浅出：现代操作系统原理与实践 内容简介 本书旨在全面、深入地探讨现代操作系统的核心概念、内部结构以及实际应用，为读者构建一个坚实而全面的理论与实践基础。我们不仅关注操作系统的经典理论模型，更着重于当前主流多核、分布式和虚拟化环境下的最新发展与挑战。 全书结构紧凑，逻辑严谨，力求在保持学术深度的同时，兼顾工程实践的可操作性。我们从最底层的硬件抽象层开始，逐步剖析操作系统的构建模块，层层递进，确保读者能够清晰理解各个组件之间的相互依赖和协作关系。 第一部分：基础架构与启动 本部分奠定理解操作系统的基石。 第一章：操作系统的概念与演进 本章首先界定操作系统的核心职能——资源管理和抽象层提供者。我们将追溯操作系统的发展历程，从批处理系统、实时系统到分时系统和现代通用操作系统（如类Unix和Windows NT内核架构）的演变路径。重点解析操作系统的不同“视角”：用户视角下的简化和隔离，以及系统视角下的复杂调度与安全保障。同时，深入探讨操作系统的宏内核、微内核和混合内核设计哲学的优劣对比，并以实际案例分析当前主流内核（如Linux内核）的设计取向。 第二章：引导与启动过程 详细解析系统从按下电源键到用户登录的完整启动流程。这包括对BIOS/UEFI固件的初始化过程的剖析，Boot Loader（如GRUB）的角色和工作机制。随后，重点阐述内核的自解压、内存映射、初始化数据结构（如页表、进程控制块的准备）的建立过程。本章将辅以汇编语言和C语言的关键代码片段，展示硬件初始化与软件环境搭建的衔接点，帮助读者理解操作系统如何“接管”控制权。 第三章：处理器管理与中断机制 本章是理解并发性的核心。我们首先剖析中央处理器（CPU）的结构，包括寄存器组、特权级别和缓存一致性模型。随后，深入讲解中断（Interrupts）和异常（Exceptions）的处理机制，这是操作系统实现对硬件控制和响应外部事件的基础。我们将详细分析中断描述符表（IDT）的结构，中断处理程序（ISR）的执行流程，以及中断的上下文保存与恢复，确保系统在处理事件时保持状态一致性。 第二部分：进程与线程管理 本部分是操作系统实现并发和多任务处理的精髓所在。 第四章：进程的概念与实现 本章对进程（Process）进行精确的定义和区分，明确进程与程序的区别。重点讨论进程的生命周期模型、进程控制块（PCB）的结构及其承载的关键信息（如寄存器状态、内存空间描述符）。深入探讨进程创建、撤销的系统调用过程，以及上下文切换（Context Switching）的底层实现细节，包括TLB的刷新策略和性能考量。 第五章：线程模型与并发编程 线程（Thread）被视为CPU调度的基本单位。本章对比用户级线程与内核级线程的实现方式及其适用场景。详细阐述多线程编程中的核心挑战：同步（Synchronization）和互斥（Mutual Exclusion）。我们将系统性地分析实现并发控制的各种工具：互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、管程（Monitor），并探讨死锁的预防、检测和恢复算法（如银行家算法的实际应用与局限性）。 第六章：高级调度算法 本章聚焦于如何高效、公平地分配CPU时间。我们将系统地研究经典调度算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）及其在抢占式环境下的挑战。随后，深入分析现代操作系统采用的复杂算法，包括时间片轮转（Round Robin）、优先级调度、多级反馈队列（MLFQ）的设计原理。本章会结合Linux的CFS（Completely Fair Scheduler）和Windows的混合优先级调度策略，探讨在不同负载模型下调度器的性能优化目标。 第三部分：内存管理 本部分探讨操作系统如何高效、安全地管理有限的主存资源。 第七章：内存抽象与分段/分页 解析内存管理单元（MMU）的功能，它是硬件支持内存虚拟化的关键。详细阐述分页机制，包括单级、多级页表、倒排页表的结构和查找效率。深入分析地址翻译过程，包括虚拟地址到物理地址的映射步骤，以及快表（TLB）的作用与性能影响。同时，讨论分段机制的历史地位及其与分页机制的结合方式。 第八章：虚拟内存与页面置换 虚拟内存是现代操作系统的标志性特性。本章讲解如何通过按需调页（Demand Paging）技术实现内存资源的超额分配。核心内容在于页面置换算法：最佳、最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）及它们的实际近似实现（如工作集模型、时钟算法）。我们将探讨抖动（Thrashing）现象的成因、检测与缓解策略，以及内核如何维护物理页框池和管理内核内存（如Slab分配器）。 第九章：内存分配与共享 本章关注用户空间内的内存管理。详细解析堆（Heap）的分配机制，包括`malloc`/`free`（或C++的`new`/`delete`）背后的数据结构（如空闲链表、位图、隔离森林）。此外，重点讨论进程间内存共享（Shared Memory）的实现技术，如内存映射文件（mmap）的工作原理及其在I/O操作中的优化作用。 第四部分：文件系统与I/O管理 本部分关注数据持久化和设备交互。 第十章：文件系统概念与结构 本章定义文件、目录的抽象概念，并分析不同文件系统的设计哲学（如FAT、NTFS、Ext4、ZFS）。重点剖析文件系统的核心数据结构，包括超级块（Superblock）、i节点（Inode）或等效结构、数据块的组织方式。深入讲解文件读写操作中，如何通过路径名解析定位到实际数据块，以及目录查找的效率优化。 第十一章：数据持久性与事务 聚焦于如何保证数据在断电情况下的一致性。详细介绍日志（Journaling）文件系统的原理，包括预写日志（Write-Ahead Logging, WAL）如何确保元数据操作的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID）。讨论数据冗余、校验和（Checksumming）机制在现代存储系统中的应用，如RAID的原理和不同级别下的性能与容错能力。 第十二章：设备驱动与I/O子系统 本章探讨操作系统与外部硬件设备交互的接口。解释设备驱动程序在内核中的架构地位，以及I/O请求的生命周期。详细分析中断驱动I/O、轮询（Polling）和直接内存访问（DMA）的工作模式，并对比块设备和字符设备的区别。最后，阐述缓存策略（如缓冲区缓存、页缓存）在I/O性能优化中的关键作用。 第五部分：安全、虚拟化与分布式 本部分面向现代计算环境的扩展。 第十三章：系统安全基础 操作系统如何隔离用户和保护系统资源。深入讲解访问控制列表（ACL）和权限模型的实现，如Unix的UID/GID和基于角色的访问控制（RBAC）。讨论操作系统层面的安全增强措施，如地址空间布局随机化（ASLR）、数据执行保护（DEP/NX位）的原理及其对攻击手段的抑制效果。 第十四章：虚拟化技术的核心 解析系统虚拟化的基础——隔离与资源映射。重点区分全虚拟化（Full Virtualization）、硬件辅助虚拟化（Intel VT-x/AMD-V）和半虚拟化（Paravirtualization）。详细介绍管理程序（Hypervisor，Type 1和Type 2）的工作方式，以及I/O虚拟化（如VirtIO）面临的性能挑战和解决方案。 第十五章：分布式系统中的OS角色 简要探讨分布式操作系统的需求，侧重于网络文件系统（NFS/SMB）的架构。分析分布式锁服务（如ZooKeeper、etcd）在维护全局一致性中的作用，以及操作系统内核如何通过网络栈高效地处理大量并发网络请求，为构建高可用、可扩展的应用提供基础支撑。 本书适合计算机科学专业学生、系统程序员以及希望深入理解底层系统机制的软件工程师阅读。通过学习本书内容，读者将不仅能熟练使用现代操作系统提供的接口，更能理解其内部运作的复杂逻辑与工程权衡。

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