Linux内核分析及常见问题解答 (平装)

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出版者:人民邮电出版社 (2000年7月1日)
作者:纪纯杰
出品人:
页数:313 页
译者:
出版时间:2000年07月
价格:31.0
装帧:平装
isbn号码:9787115086327
丛书系列:
图书标签:
  • Linux内核
  • 内核分析
  • 系统编程
  • 操作系统
  • 技术
  • 计算机科学
  • 开发
  • 调试
  • 问题解答
  • 平装本
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具体描述

现代软件开发中的高效调试与性能优化实战指南 本书旨在为软件工程师、系统架构师以及对底层系统有深入探究兴趣的读者,提供一套全面、深入且极具实操性的调试、性能分析与优化技术栈。本书内容聚焦于现代应用软件(涵盖桌面应用、服务器端应用及嵌入式系统)在实际部署环境中遇到的复杂问题,提供从现象分析到根本原因定位的一站式解决方案。 --- 第一部分:系统级诊断与故障排查的艺术 本部分将基础调试理论提升至系统级故障诊断的层面,帮助读者建立起“黑盒”到“白盒”的思维转换模型。 第1章:复杂系统故障的生命周期管理 探讨在大型、分布式或资源受限环境中,系统故障从初步感知、信息收集、隔离诊断到最终修复的完整流程。重点剖析“雪崩效应”的早期识别机制,并引入基于状态机模型的故障预测框架。我们将深入讨论如何构建有效的监控告警体系,使其在海量数据中精准捕获异常信号,而非徒增“噪音”。 第2章:进程与线程的深度剖检 超越基础的`ps`或`top`命令,本章聚焦于操作系统如何调度和管理并发实体。我们将详细解析上下文切换的开销、死锁与活锁的识别模式,以及如何使用底层工具(如Linux下的`perf`的特定跟踪点、Windows的Process Explorer的高级视图)来可视化线程的执行路径和等待队列。特别关注用户态与内核态之间同步原语(如信号量、互斥锁)的竞争瓶颈分析。 第3章:内存寻址与数据结构错误的定位 内存问题是软件中最隐蔽也最致命的错误源之一。本章不局限于讲解栈溢出或堆损坏,而是深入探讨虚拟内存管理对程序行为的影响。我们将介绍现代调试器(如GDB/LLDB)中用于追踪内存访问违规的高级功能,如硬件观察点(Watchpoints)的设置技巧,以及如何使用内存校验工具(如Valgrind Memcheck的替代方案,针对特定架构的动态二进制插桩技术)来捕捉未初始化的读操作和跨越边界的写入操作。同时,讲解内存分配器(如jemalloc, tcmalloc)的内部工作原理,以便在内存碎片化导致性能下降时进行有效干预。 第4章:I/O子系统瓶颈的定位与优化 数据传输的效率往往是整个应用性能的短板。本章将系统地拆解磁盘I/O、网络I/O和设备I/O的性能差异。针对存储系统,我们会分析I/O调度器的选择对延迟敏感型应用的影响;针对网络栈,我们将详细剖析TCP/IP协议栈在内核中的处理路径,介绍如何利用eBPF技术进行内核网络事件的零拷贝捕获,从而精确量化序列化/反序列化以及上下文复制带来的延迟。 --- 第二部分:性能分析的量化与工程化实践 本部分侧重于如何将性能分析从经验科学转变为可量化的工程学科,强调工具链的集成与自动化。 第5章:确定性性能分析:采样与追踪的融合 本章深入探讨性能分析的两种核心范式:基于采样的分析(Sampling)和基于事件的追踪(Tracing)。我们将重点讲解如何结合两者来构建一个完整的性能画像。具体内容包括:火焰图(Flame Graphs)的生成与解读的进阶技巧,如何通过动态插桩技术(如DynamoRIO或自建PLT Hooking)插入自定义探针,以捕获那些采样分析容易遗漏的、持续时间短但频率极高的操作(如锁竞争点)。 第6章:CPU时间消耗的精准归因 当程序运行缓慢时,CPU时间消耗的归因至关重要。本章将详细解析CPU性能计数器(PMC)的工作原理,解释缓存未命中(Cache Misses)、分支预测错误(Branch Mispredictions)等硬件事件对程序性能的实际影响。读者将学会使用硬件性能分析工具来区分“忙等”和“有效计算”,并据此指导代码的重新组织和数据布局的优化。 第7章:并发与并行模型下的性能陷阱 本章针对多核、多处理器环境下的常见性能问题进行深入探讨。内容包括:伪共享(False Sharing)的识别与规避,如何通过缓存行对齐技术优化数据结构;细粒度锁的过度使用导致的并发瓶颈;以及异步编程模型(如Reactor/Proactor模式)下的事件循环阻塞分析。我们将对比不同编程语言(C++, Rust, Go)中并发原语的底层实现差异及其对性能的影响。 第8章:应用程序接口(API)与库的性能黑箱探秘 很多性能问题源于对第三方库或系统调用的不理解。本章将引导读者如何“穿透”标准库调用,观察其在内核中的实际开销。例如,分析文件系统操作(`read`/`write`)的系统调用开销,识别标准加密库中昂贵的密钥调度过程,以及如何通过编译优化标志(Compiler Flags)来影响库函数的内联和优化级别,以适应特定的执行环境。 --- 第三部分:前沿技术与防御性编程实践 本部分着眼于新兴的软件架构挑战以及如何在设计阶段就内建抗脆弱性(Antifragility)的机制。 第9章:系统调用的性能特征与优化 系统调用是用户空间与内核空间交互的唯一途径。本章将系统地分析不同类型系统调用的成本模型,包括参数传递的开销、上下文切换的延迟。特别关注针对高频调用的优化策略,如系统调用批处理(Syscall Batching)的原理与应用,以及如何利用现代操作系统提供的用户态内核旁路技术来降低延迟。 第10章:应对资源受限环境的调试策略 在嵌入式系统、物联网设备或容器化微服务中,调试资源(如CPU时间、内存、日志空间)往往非常有限。本章将介绍“最小化损害”的调试方法,例如使用静态断言和编译期检查来替代运行时崩溃诊断;利用环形缓冲区(Ring Buffers)进行高效的内核日志记录;以及如何通过JTAG/SWD接口进行低级硬件断点调试的技巧。 第11章:代码质量与调试友好性设计 强大的调试能力始于良好的代码设计。本章探讨如何通过设计模式和编程规范来提高代码的可调试性。内容包括:如何设计清晰的错误码系统和异常传播链;如何有效地利用断言(Assertions)和契约式编程(Design by Contract)来捕获逻辑错误;以及构建健壮的日志系统,确保在不同日志级别下都能收集到足够诊断信息的最佳实践。 --- 本书的特点: 本书不侧重于特定操作系统的特定版本语法,而是深入探讨底层原理,使读者掌握解决问题的普适性思维模型。所有的分析方法和工具的使用都配备了详尽的案例演示和代码片段,确保知识的即时转化能力。读者在读完本书后,将能独立面对现代软件复杂性带来的所有性能和稳定性挑战。

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初次翻阅这本手册时,我最深刻的印象是它在知识结构组织上的逻辑严密性。作者并没有采取那种瀑布式的、从浅入深的标准教科书写法,而是更倾向于围绕“问题”和“模块”来构建知识体系。比如,它似乎在开篇就直击了许多初学者在编译、启动环节遇到的棘手难题,随后才回溯到对应的底层机制进行讲解。这种“先解决痛点,再深入原理”的叙事手法,极大地提高了阅读的代入感和即时满足感。对于一个经验尚浅的工程师而言,这就像手里有了一把能快速解开眼前死结的钥匙,而不是一堆冗长的理论。各个章节之间的衔接处理得非常平滑,即便是跨越了不同的子系统,也能通过清晰的引用和比对,让读者始终把握住内核的整体脉络,避免了陷入细节的泥潭而迷失方向。这种以实践驱动的结构设计,无疑是为实战派读者量身定做的。

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我注意到这本书在对特定工具和调试方法的介绍上,也展现了极高的实用价值。它并非仅仅停留在理论分析层面,而是将理论知识与实际操作无缝对接。例如,在讲解某个性能瓶颈的定位时,书中不仅描述了理论上可能的原因,还详细列举了使用诸如`perf`或`ftrace`等工具进行追踪和验证的具体命令和输出解读。这种“理论+实践脚本”的组合拳,极大地缩短了从“知道”到“做到”的距离。对于那些需要经常在真实环境中排查问题的系统工程师来说,这些可立即投入使用的操作指南,比空泛的理论探讨要实用得多。这本书真正做到了武装读者的头脑,同时也为他们提供了手中的“武器”。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮,平装的质感拿在手里恰到好处,既轻便又耐磨,封面设计简洁大气,黑色的底色配上白色的字体,透露出一种专业和深邃的气息。内页的纸张选择了偏哑光的材质,对于长时间阅读来说非常友好,有效减少了反光对手眼的刺激。排版方面,看得出编辑团队在细节上做了很多考量,字号适中,行间距留得恰到好处,保证了阅读的舒适度。尤其是关键代码块的呈现,采用了清晰的等宽字体,并且通过不同的颜色或背景区分,使得复杂的内核结构一目了然。这不仅仅是一本书,更像是一件精心制作的工具,让人在翻阅的过程中,就能感受到制作者对读者的尊重和对内容呈现质量的极致追求。整体来看,这本书的物理形态完全符合一本高质量技术参考书应有的水准,无论是用于案头研读还是日常携带,都是一个极佳的选择。

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这本书的叙述风格,说实话,带着一股子老派技术专家的沉稳和严谨,但又不失现代技术文档应有的活力。它很少使用那种花哨的修辞或过度的口语化表达,而是用精准、去芜存菁的语言直指核心。当我阅读到关于内存管理或进程调度的部分时,那种娓娓道来、层层剥笋的分析过程,让人感觉作者不仅是知识的掌握者,更是这些机制的深度设计者。它没有避讳那些晦涩难懂的概念,而是选择用最直接、最不含糊的方式进行阐述,同时辅以大量的图示和流程图来辅助理解。图表的质量非常高,标注清晰,有效弥补了纯文字描述可能带来的理解障碍。这种不回避复杂性,而是努力将复杂性清晰呈现出来的态度,是衡量一本优秀技术著作的重要标准,这本书在这方面做得相当出色,让人油然而生信赖感。

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与其他动辄堆砌最新特性的技术书籍不同,这本书在处理内核历史演进和功能迭代上的手法显得尤为老道和高明。它似乎非常注重“为什么会这样设计”而非仅仅是“现在是如何实现”的探究。在讨论某个特定系统调用或数据结构时,书中会巧妙地穿插一段关于该特性引入的历史背景,以及它解决了早期版本中的哪些关键瓶颈。这种历史观的引入,使得读者在学习当前实现的同时,也能对内核设计的权衡取舍(Trade-offs)有一个更深刻的认识。了解了早期的限制和后来的优化思路,面对新的内核版本变化时,就不会感到手足无措,而是能够基于历史经验去预测未来的发展方向。这对于希望成为内核开发维护者的进阶读者来说,是无价的洞察力财富。

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