LINUX编程24学时教程(含CD)/自学通系列

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isbn号码:9787111080114
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具体描述

深入探索现代计算的基石:操作系统与系统级编程精要 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角,理解现代计算环境的核心——操作系统的工作原理,并掌握在这一基础上进行高效、底层系统级编程的技术。我们聚焦于操作系统设计哲学、内核机制、内存管理、进程间通信以及文件系统的核心概念,同时辅以丰富的实践案例,确保读者不仅理解理论,更能将其应用于实际开发中。 第一部分:操作系统基础与架构解析 本部分将带您领略操作系统的宏大蓝图。我们将从操作系统的定义、演变历程入手,探讨其作为资源管理器和用户接口的双重角色。 1.1 操作系统核心概念与层次结构: 深入剖析操作系统的基本功能,如中断处理、系统调用接口。我们将详细解析操作系统的经典分层结构,理解用户态与内核态的切换机制及其安全意义。重点探讨微内核、宏内核以及混合内核的设计优劣对比,并分析当前主流操作系统(如类Unix、Windows NT)在架构上的取舍。 1.2 硬件与操作系统的交互: 系统级编程的基础是对硬件的深刻理解。我们将介绍CPU的工作模式(实模式、保护模式、长模式)、内存地址转换过程(物理地址、逻辑地址、虚拟地址),以及I/O子系统的基本架构。理解中断向量表、异常处理机制,是构建可靠系统的第一步。 1.3 引导过程与启动: 追溯计算机从按下电源键到操作系统完全加载的整个流程。从BIOS/UEFI的初始化、Bootloader(如GRUB)的加载与执行,到内核的解压、初始化数据结构的建立,这一过程是理解操作系统“自举”能力的关键所在。 第二部分:进程管理与并发控制的艺术 进程与线程是实现并发执行的基本单元。本部分致力于阐明操作系统如何调度和管理这些并发实体。 2.1 进程的生命周期与上下文切换: 详细描述进程的创建(`fork`/`exec`家族函数族)与终止过程,以及进程控制块(PCB)的数据结构。重点分析上下文切换(Context Switch)的开销与实现细节,这是衡量系统性能的关键指标之一。 2.2 现代调度算法的原理与实践: 深入探讨经典调度算法,如先来先服务(FCFS)、最短作业优先(SJF)、时间片轮转(RR)。更重要的是,本书将解析现代操作系统中广泛采用的抢占式、多级反馈队列调度(如CFS的演进思路),并讨论实时系统(RTOS)的特殊调度需求。 2.3 线程模型与并行编程: 区分用户级线程与内核级线程的差异,分析M:N线程模型。我们将引入轻量级进程(LWP)的概念,并介绍POSIX线程(pthreads)库的核心API及其正确使用方法,包括线程的创建、同步、分离与清理。 2.4 并发控制与同步机制: 这是避免数据竞争和死锁的核心技术。我们将系统性地介绍互斥锁(Mutex)、信号量(Semaphore)、条件变量(Condition Variable)的原理和应用场景。深入分析经典的同步问题,如生产者-消费者问题、读者-写者问题,并探讨无锁数据结构(Lock-Free Data Structures)的设计思路。 第三部分:内存管理的精妙设计 内存是系统中最宝贵的资源之一。本部分将揭示操作系统如何高效、安全地管理物理内存和虚拟内存空间。 3.1 虚拟内存与分页机制: 阐述虚拟内存的必要性,深入讲解分页(Paging)机制,包括页表结构(单级、多级页表)和地址转换的硬件支持(TLB)。分析TLB的命中率对系统性能的影响。 3.2 内存分配与回收策略: 探讨内核态和用户态的内存分配器。细致分析用户空间中的动态内存管理(如`malloc`/`free`的内部实现,堆的碎片化问题),以及内核空间中伙伴系统(Buddy System)和slab分配器的设计哲学。 3.3 页面置换算法: 面对物理内存的限制,操作系统必须决定何时将哪些页面换出。我们将详细对比先进先出(FIFO)、最近最少使用(LRU)及其近似算法的性能表现,并探讨工作集模型在预测内存需求中的作用。 3.4 内存映射与共享: 讲解`mmap`系统调用的强大功能,如何实现文件映射到内存以及进程间高效的内存共享。 第四部分:系统级I/O与文件系统 本部分关注数据如何在持久化存储设备上组织和高效访问,以及操作系统如何提供统一的I/O接口。 4.1 I/O子系统与设备驱动基础: 介绍I/O操作的抽象层次,包括缓冲(Buffering)、缓存(Caching)和假脱机(Spooling)。简要概述设备驱动程序在操作系统内核中的角色。 4.2 块设备与请求调度: 分析块设备的特性(如寻道时间、延迟),并探讨磁盘调度算法(如先来先服务、最短寻道时间优先、SCAN/C-SCAN)如何优化磁盘I/O性能。 4.3 文件系统结构与实现: 深入剖析文件系统的核心组件:目录结构、i节点(Inode)的概念、数据块的组织方式。对比日志文件系统(如ext4, XFS)与早期文件系统的优势,理解Journaling机制在保证数据一致性中的关键作用。 4.4 文件系统的调用接口与实现: 详细解析标准文件操作API(`open`, `read`, `write`, `close`, `lseek`)在内核中的执行路径。探讨`sync`和`fsync`的区别与应用场景。 第五部分:进程间通信(IPC)与网络基础 为了构建复杂的分布式或多任务应用,进程间有效地交换信息至关重要。 5.1 经典IPC机制: 系统性介绍管道(Pipe)、命名管道(FIFO)、消息队列、共享内存(Shared Memory)的原理、API使用和性能特点。强调共享内存作为最高效的IPC手段。 5.2 信号(Signals)与事件通知: 讲解信号的生成、传递与处理机制,区分同步信号与异步信号,以及它们在程序错误处理和进程控制中的应用。 5.3 套接字(Sockets)基础: 作为现代网络通信的基石,我们将介绍套接字API(Socket API),区分流式套接字(TCP)与数据报套接字(UDP)的特性,并提供在系统编程层面进行简单客户端/服务器通信的实现范例。 本书旨在为读者提供扎实的系统级知识体系,为未来深入学习内核开发、嵌入式系统或高性能计算打下坚实的基础。通过理论与实践的紧密结合,读者将能够自信地驾驭底层资源,编写出高效、健壮的系统级软件。

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我之前在网上找过不少免费的Linux学习资料,但很多都停留在非常初级的阶段,或者内容非常零散,东拼西凑的片段感很重,学完后总觉得心里没底。这本教材的优势在于它的完整性,它几乎涵盖了一个系统管理员在日常工作中所需的基础技能。我印象最深的是它对Shell脚本编程的讲解部分,作者没有采用复杂的面向对象编程思维,而是回归到Shell脚本最朴素、最强大的自动化思想上。他通过一些日常的备份任务、日志分析脚本实例,展示了如何用最少的代码完成强大的自动化工作流。对于我们这些需要经常处理重复性任务的IT从业者来说,这简直是解放双手的秘籍。而且,这些脚本示例都经过了充分的测试和优化,可以直接应用到生产环境中去,而不是那种写出来好看但实际跑起来一堆Bug的半成品。

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这本书的真正价值,我认为体现在它对“系统思维”的培养上。很多教程只教你怎么输入命令得到结果,但从不深究为什么。然而,这本教程在讲解进程管理或者文件系统结构时,会穿插介绍Linux内核的一些基本工作原理,不是高深的理论,而是能帮助你理解“为什么是这样”的关键点。比如,当我在配置一个网络服务遇到连接超时时,我不再是盲目地去网上搜索通用解决方案,而是能根据书中学到的知识,去检查防火墙规则、查看系统日志中的网络栈状态,这是一种从“操作者”向“排障者”转变的质变。它教会我的不仅仅是几行命令的记忆,而是一套完整的排查和解决问题的思路框架。这种自上而下的系统性学习,让我在面对全新的Linux发行版或者陌生的服务器环境时,也能够迅速适应并上手,因为底层的原理是相通的。

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说实话,我是一个对技术书籍的排版和阅读体验要求比较高的人,很多技术书不是内容太深奥就是版式设计得像十年前的产物,读起来非常费劲。但这本书在视觉呈现上做得相当不错,它的代码块清晰分明,关键命令和输出结果用不同的颜色或字体做了区分,这在对照书本操作时简直是福音,极大地减少了眼睛的疲劳和输入错误的概率。而且,它的章节组织逻辑性极强,从最基础的安装、文件操作,到网络配置、服务管理,再到进阶的性能分析,每一步都衔接得非常自然,就像一条流畅的河流,推着你往前走,完全不会产生“知识断层”的感觉。我特别欣赏作者在介绍特定功能时,往往会附带一些“陷阱提示”或者“性能优化建议”,这些看似细枝末节的内容,恰恰体现了作者深厚的实战经验,避免了我走很多不必要的弯路。对于一个追求效率的学习者来说,这种精心打磨的内容和排版,绝对是物超所值。

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坦白说,我购买这本书时是带着一丝怀疑的,毕竟市面上的“XX小时速成”总有夸大的成分。但这本书的实在让我感到惊喜。它没有过度承诺你在24小时内成为内核高手,而是诚实地将学习内容划分为若干个可达成的目标,每部分的学习时间安排得非常合理,节奏感把握得恰到好处,让你在不知不觉中就完成了既定目标。它最棒的一点是,它注重知识的“可迁移性”。例如,书中关于服务管理(如Systemd单元文件配置)的讲解非常透彻,当我后来接触到嵌入式Linux环境或者其他类Unix系统时,我发现虽然具体实现略有不同,但核心的思想和配置逻辑是共通的。这本书真正培养的是一种举一反三的能力,而不是死记硬背特定的系统版本命令。它不仅仅是一本教程,更像是一个资深导师在你身边,耐心引导你走过最初那段最艰难的入门阶段,让人学得踏实,用得自信。

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这本书简直是为我这种Linux新手量身定做的宝典!我之前对命令行操作一窍不通,每次打开终端都感觉像在看天书,各种命令记不住,文件系统更是乱成一团麻。然而,从我接触到这本书开始,一切都变得清晰起来了。它不是那种堆砌晦涩难懂理论的书,而是非常注重实战和循序渐进。作者似乎完全理解我们初学者的困境,用非常生活化的语言去解释那些复杂的概念,比如权限管理,它会用“家里的门锁”来类比,一下子就明白了。更让我惊喜的是,它对常用工具的讲解细致入微,即便是像`grep`、`awk`这样初看之下很枯燥的文本处理工具,在书中也能找到大量实用的例子,让人忍不住想立刻动手试试看。那种“豁然开朗”的感觉,是其他教程带不给我的。我按照书里的步骤一步步操作下来,不仅熟悉了基本的系统操作,还开始对Shell脚本产生了浓厚的兴趣,感觉自己真正掌控了这台机器,而不仅仅是那个图形界面的用户。它真正做到了“自学通”,对我后续深入学习系统管理打下了无比坚实的基础。

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