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| 編輯推薦： |
本书特色：
贯穿优化理念，重构课程逻辑。本书以系统性能优化为核心主线重组操作系统课程内容。将进程、线程、虚拟内存、IO 等核心概念与 cache、指令流水等底层细节有机串联，让读者在学习过程中始终聚焦 “提升性能、提高效率” 的核心目标，实现从“理解原理”到“优化系统” 的能力跃迁。
案例驱动教学，实践层层递进。本书以工程实践为导向，设计了“文件整理” 等常见问题与 “矩阵乘法” 等高算力性能挖掘问题的双实践主线。随问题难度的升级，自然引入抽象知识，通过编程实践、观察测量等方式将抽象概念具象化，力图解决课程教学中理论与实践脱节的难题。
融合工程工具，适配多元需求。本书嵌入了对调试工具、版本管理、数据分析等系统开发工程技术的介绍，弥补了传统教学中工程环节零散的短板。内容设置上兼顾多层次人才培养需求，无论是操作系统的初学者，还是寻求突破的从业者，都能找到适配的学习路径，实现能力提升。
本书配备完整教学视频和实践案例解决方案，可供读者学习时参考。
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| 內容簡介： |
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本书以提升读者的系统能力为目标，构建以工程案例为主线的层层递进的学习路径，通过“文件整理”“矩阵乘法”等实际问题，逐步引入进程、线程、虚拟内存、I/O等操作系统概念，以及cache、指令流水等底层细节，并通过编程实践、观察测量等方法将抽象的知识具象展示出来，再融入调试工具、版本管理、数据分析等系统开发常用的工程技术手段的介绍，使读者深入理解操作系统，并充分利用操作系统的特点，优化系统性能。本书适合作为高校计算机类相关专业操作系统课程的教材或实践教材，也适合对操作系统感兴趣的读者和技术人员阅读。
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| 關於作者： |
宫晓利
南开大学计算机学院、网络空间安全学院教授，博士生导师，物联网工程系主任，系统与网络研究所副所长，研究方向为操作系统、物联网、异构计算系统等。曾获天津市教学成果特等奖，天津市科技进步二等奖，天津市课程思政教学名师。主讲课程获评国家级一流本科课程。发表高水平论文20余篇。
张金
南开大学网络空间安全学院教授，博士生导师。曾获天津市教学成果特等奖，天津市科技进步一、二等奖，宝钢优秀教师奖，华为优秀教师奖，专业学位案例库项目首席专家，天津市课程思政教学名师，天津市工程专业学位优秀指导教师，天津市科普大使。主讲课程获评国家级一流本科课程，天津市高校课程思政示范课程，天津市创新创业示范课程，天津市工程专业学位优秀课程。
高小鹏
北京航空航天大学计算机学院教授，北京市教学名师，国家级一流本科课程“计算机组成”负责人，计算机类专业系统能力课程群虚拟教研室负责人。获国家级教学成果二等奖2项。现任高等学校计算机类专业教学指导委员会委员、副秘书长，计算类专业系统能力培养研究专家组主任，全国大学生计算机系统能力大赛组委会主任，信息技术新工科产学研联盟秘书长。
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| 目錄：
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目 录
丛书序
前言
第一部分 基础知识
第1章 绪论 2
1.1 对操作系统的感性认知 2
1.2 常见的操作系统 2
1.2.1 Windows 3
1.2.2 macOS 5
1.2.3 Linux及其衍生系统 10
1.2.4 HarmonyOS 16
1.3 操作系统的发展历史 16
1.3.1 批处理系统 16
1.3.2 多道程序、分时复用和进程 17
1.3.3 现代个人计算机 17
1.4 操作系统为用户提供的交互方式 17
1.4.1 图形用户界面 18
1.4.2 命令行终端 22
1.4.3 系统API 24
1.5 操作系统支持的典型开发模式 25
1.5.1 shell编程 25
1.5.2 Python编程 26
1.5.3 C语言编程 27
1.5.4 程序性能优化 28
1.6 操作系统的代价 30
第二部分 基础实验
第2章 批量文件重命名 34
2.1 shell是什么 34
2.2 进入shell的方式 35
2.3 shell的原理 35
2.4 shell命令的功能 36
2.5 利用shell进行编程 37
2.5.1 shell的输入/输出 37
2.5.2 变量 38
2.5.3 在shell中进行文件重命名 39
2.5.4 循环与通配符 40
2.6 shell脚本 41
2.6.1 执行shell脚本 42
2.6.2 调试shell脚本 44
2.7 操作系统的运行权限管理 45
2.8 任务实现 46
2.9 shell编程扩展 46
第3章 正则表达式与文本内容过滤 47
3.1 shell编程中的字符串 48
3.1.1 字符串的声明 48
3.1.2 计算字符串的长度 49
3.1.3 字符串的拼接 50
3.1.4 字符串的截取 50
3.2 正则表达式 51
3.2.1 普通字符 52
3.2.2 特殊字符 52
3.2.3 限定符 52
3.2.4 运算符优先级 53
3.3 shell中的文件操作 54
3.4 文本处理任务的实现 57
3.5 Linux中的定时任务 58
3.5.1 何谓定时任务 58
3.5.2 实现定时任务的工具 58
3.5.3 Cron的原理 59
3.5.4 Cron的使用 59
3.6 Linux中的服务管理 62
3.7 延伸阅读 62
3.7.1 独立服务的管理 63
3.7.2 基于xinetd服务的管理 63
3.7.3 源码包服务的管理 63
第4章 单个大规模文件的处理 64
4.1 文件读写相关的系统调用 67
4.1.1 read的原理分析 67
4.1.2 write的原理分析 68
4.1.3 任务实现 68
4.1.4 延伸阅读：GDB、makef ile的用法 69
4.1.5 使用读写接口产生的内存
消耗 74
4.2 内存映射相关的系统调用 74
4.2.1 mmap的原理 75
4.2.2 缺页异常的处理过程 77
4.2.3 利用user page fault handler/
eBPF的观测分析 78
4.2.4 任务实现 84
4.2.5 延伸阅读：中断事件过程
分析 84
4.3 虚拟内存的管理机制 85
4.3.1 内存资源的观测 86
4.3.2 内存的分配与回收方法 86
第5章 多进程与多线程 89
5.1 Linux的进程管理 89
5.1.1 Linux的进程模型 89
5.1.2 阻塞式系统调用 90
5.2 多进程协作的编程模式 91
5.2.1 进程管理的系统调用 91
5.2.2 进程间通信协作的方式 95
5.2.3 任务实现 97
5.2.4 共享内存的管理 99
5.2.5 多进程的资源消耗 100
5.3 多线程协作的编程模式 101
5.3.1 线程 101
5.3.2 多核心任务调度 102
5.4 线程的编程接口 102
5.4.1 pthread线程库的线程API 103
5.4.2 线程同步的API 104
5.4.3 任务实现 107
5.5 多进程和多线程的对比 109
5.6 延伸阅读：线程的软硬件发展 110
5.6.1 硬件支持的上下文 110
5.6.2 硬件支持的原子指令 111
5.6.3 快速系统调用 111
第6章 多机协作处理 113
6.1 网络编程 113
6.1.1 socket()函数 114
6.1.2 bind()和connect()函数 116
6.1.3 listen()和accept()函数 117
6.1.4 send()函数 118
6.1.5 recv()函数 119
6.2 基础任务实现 119
6.2.1 初始化套接字 120
6.2.2 建立连接 121
6.2.3 传输数据 122
6.2.4 调用命令 122
6.3 多机协作的任务实现 122
6.3.1 实现细节 122
6.3.2 分布式通信协议 124
6.3.3 协议的实现 124
6.4 异常处理 126
6.4.1 操作系统的异常处理
机制 127
6.4.2 C++中的异常处理机制 128
6.5 延伸阅读：MapReduce的设计
理念 131
6.6 分布式系统与单一系统 132
第三部分 进阶实验
第7章 Python矩阵乘法 136
7.1 矩阵乘法的Python实现 136
7.1.1 神经网络中的矩阵乘法 136
7.1.2 Python实现 138
7.2 计时方法：函数调用 142
7.3 性能分析 142
7.4 Python的解释执行机制 144
第8章 C矩阵乘法 147
8.1 矩阵乘法的C语言实现 147
8.1.1 编译执行机制 147
8.1.2 编译器的工作流程 148
8.1.3 编译器的代码优化 149
8.2 编译器中的优化选项 156
8.3 性能分析 157
第9章 面向cache的优化 160
9.1 基础知识 160
9.1.1 存储体系结构 160
9.1.2 cache的工作原理 161
9.1.3 行主序与列主序 164
9.2 面向cache优化矩阵乘法 164
9.2.1 交换循环顺序 165
9.2.2 分块矩阵乘法 168
9.3 性能分析 170
9.3.1 高精度计时方法 170
9.3.2 perf工具 171
9.3.3 评价指标 173
9.3.4 性能对比结果 174
9.4 延伸阅读：进一步提升cache
利用率的方法 176
第10章 多线程优化 179
10.1 多线程的矩阵乘法实现 179
10.1.1 矩阵分块方法 180
10.1.2 多线程实现矩阵乘法 180
10.2 并行化程序的设计思路 182
10.2.1 需求分析与算法确定 183
10.2.2 工作分解 183
10.2.3 选择编程模型 183
10.2.4 性能检查及优化 184
10.3 性能分析 185
10.3.1 选择工作负载 185
10.3.2 加速比的计算 185
10.3.3 算术平均和几何平均 186
10.4 并行化程序的优化 187
10.4.1 优化方案：调整线程数量 187
10.4.2 优化方案：改变矩阵划分
方法 189
10.4.3 看似正确的优化方案 194
10.4.4 锁的实现 195
10.5 延伸阅读 196
10.5.1 缓存一致性协议 196
10.5.2 多线程编程—OpenMP 196
10.5.3 benchmark的制定 200
第11章 面向硬件加速器的优化 203
11.1 SIMD指令的原理 203
11.2 任务实现：基于SIMD指令的
矩阵乘法 207
11.3 延伸阅读：面向SIMD的编译优化和智能优化 212
11.4 加速器的工作原理（以GPU
为例） 213
11.5 任务实现：基于OpenCL的矩阵
乘法 217
11.6 性能分析 229
11.7 数据分段分析 233
11.8 延伸阅读：设备间数据一致性
维护与CXL协议 235
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| 內容試閱：
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前 言
随着大语言模型等生成式人工智能技术的飞速发展，代码撰写像语言翻译等基础功能一样，正在受到机器智能势如破竹的“攻城略地”的影响，同时传统信息行业也在发生着天翻地覆的变化。作为教育工作者和技术从业者的我们不得不面对一个极其重要的问题—未来的IT从业人员应当具备什么能力？
目前的智能模型对算力的需求日益迫切，以性能为关键、强调系统整体大局观的系统能力培养已经成为当前我国IT行业战略人才培养中的关键问题，而且以性能为核心的优化工作恰恰是当前生成式智能的短板。同时，伴随着龙芯等我国自主知识产权芯片的迅猛发展，从系统设计、系统应用、系统调优到系统部署，对系统类人才的需求规模呈指数级增长，对人才的层次化差异需求日益凸显。
而学好计算机专业核心课程—操作系统是培养具有系统能力人才的关键，这门课程也是从计算机组成原理、编译原理等专业课程向系统汇聚的枢纽性课程，其重要性不言而喻。但目前的实际教学中，重点在于诠释操作系统的运行和设计原理，而忽略了如何充分运用和挖掘操作系统的内在特征以提升性能和提高工作效率这个重要
问题。
在传统教学中，操作系统存在实践环节的教学设计薄弱、缺乏对操作系统整体性能挖掘的环节、涉及产业的工程知识零散、对系统级工程的技术和工具以及方法涉猎不足等问题。同时，课程设置对多层次人才的差异化培养不足。
本书是在系统能力培养研究专家组的指导下，南开大学操作系统课程教学团队突破传统教学中按部就班的固有模式，为培养具有系统能力的人才而将优化理念贯穿始终、重组操作系统课程的探索性研究成果。本书构建了一条以工程案例驱动为主线，在实践中探索的学习路线，通过层层递进的方式将理论知识贯穿其中。以“文件处理”等常见工程性实际问题和“矩阵乘法”等支持高算力算法的性能挖掘问题为线索，随着问题难度的不断升级，逐步引入进程、线程、虚拟内存、I/O等操作系统概念，以及cache、指令流水等底层细节，并通过编程实践、观察测量等方法将抽象的知识具象化，再融入调试工具、版本管理、数据分析等系统开发常用的工程技术手段的介绍，从而培养读者整体把握和优化系统的能力，达到“深入理解操作系统”的目标。
在本书的成书过程中，感谢南开大学嵌入式系统与信息安全实验室的陈颖、陈丽婷、康佳荣、袁贞芷、詹洪骁、刘兴泽、郑博月、洪婧瑄、张昊等同学在材料收集、代码编写和数据整理过程中付出的努力；感谢南开大学计算机学院、密码与网络空间安全学院的各位老师提供的指导和支持；感谢西南石油大学刘忠慧老师、任冬梅老师，宜宾学院曾安平老师、刘益老师，南阳理工学院刘黎明老师、张政老师与我们共同探讨课程内容，各位老师组织的课程试讲为完善本书内容提供了宝贵的经验；感谢龙芯中科技术股份有限公司的张福新老师、高燕萍老师提供的技术支持和实验环境保障。感谢机械工业出版社的各位编辑老师在出版方面的支持和协助。
本书的配套视频讲解参见 />season，配套的代码参见 />操作系统领域有大量优秀的教材，阅读和学习这些作品令我们受益匪浅，在此向各位前辈和同行表示感谢。限于作者的水平和经验，本书中难免存在不当之处，恳请各位读者批评指正。
希望这本书能够成为读者在计算机系统领域学习与探索道路上的得力助手。无论是想夯实基础、提升技能，还是渴望在操作系统和系统优化领域深入钻研，阅读这本书都能让读者获得一定的启发与收获，在智能化浪潮中摧锋正锐、搏击潮头。
“愿相会于中华腾飞世界时”—与诸君共勉，共赴科技强国之征程。
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