APCS C&C++解題高手（2021版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

數位新知

图书标签:

• APCS
• C++
• 解题
• 算法
• 数据结构
• 竞赛
• 编程
• 练习
• 2021
• 信息学
• 奥赛

深入剖析现代操作系统设计与实现 聚焦于系统底层、并发控制、内存管理与高性能网络编程的前沿实践 本书旨在为计算机科学专业学生、系统程序员以及对操作系统内核和底层机制抱有浓厚兴趣的工程师提供一套全面、深入且极具实践指导意义的技术蓝图。我们不再局限于传统的操作系统理论阐述，而是将视角直接投向当代主流操作系统（如 Linux 内核、类 Unix 系统）的核心设计思想与具体实现细节。 全书内容紧密围绕现代计算环境对性能、安全性和可扩展性的严苛要求展开，系统性地讲解了如何从硬件交互层面理解操作系统的工作原理，并掌握在复杂多核、分布式环境中进行高效、可靠软件开发的关键技术。 --- 第一部分：架构基石与进程/线程模型重构 本部分奠定整个操作系统的底层基础，重点解析从汇编指令到高级抽象之间的转化过程，并深入探讨现代并发模型的设计哲学。 第一章：硬件抽象层与启动序列剖析 CPU 架构基础回顾（x86-64 视角）： 详细解析特权级别（Rings）、段/页机制的硬件支持，以及如何通过 MSR（Model-Specific Registers）与 CPU 交互。 引导过程的细节重建： 从 BIOS/UEFI 到 Bootloader（GRUB/LILO）的加载过程，重点分析实模式到保护模式的切换，以及内核映像的解压与初始化入口点。 中断与异常处理框架： 深入解析 IDT（Interrupt Descriptor Table）的结构、硬件中断向量的映射机制，以及系统调用（Syscall）如何通过软件中断或特定的指令（如 `SYSCALL`/`SYSENTER`）进入内核态，并描述上下文切换的完整流程。 第二章：进程管理与上下文切换的优化 进程/线程的内核表示： 剖析 `task_struct`（或等效结构）的复杂数据结构，理解其如何承载进程的所有状态信息，包括内存描述符、文件句柄表和信号处理机制。 轻量级进程（LWP）与用户级线程的异同： 探讨线程模型如何影响调度策略，并对比 POSIX 线程库（如 NPTL）在内核中的实现方式。 高效上下文切换技术： 研究上下文保存与恢复的性能瓶颈，介绍诸如硬件辅助的切换机制（如寄存器组的优化存储）以及调度器如何避免不必要的 TLB 无效化。 第三章：调度算法的深度探究与实时性保证 现代调度器的演进： 详细分析 CFS（Completely Fair Scheduler）的工作原理，包括红黑树的使用、虚拟运行时（vruntime）的计算，以及如何平衡高优先级任务与普通任务的公平性。 中断延迟与实时性保障： 探讨硬实时与软实时系统的区别，分析内核抢占点、中断禁用对系统延迟的影响，并介绍 PREEMPT_RT 补丁集中的关键修改。 能效调度策略： 讨论如何将 CPU 频率调整（P-states/C-states）与调度决策相结合，以在满足性能需求的同时最小化功耗。 --- 第二部分：内存的艺术——虚拟化、保护与高速缓存 内存管理是操作系统的核心竞争力所在。本部分聚焦于如何高效地将物理资源抽象化、隔离化，并提供极速的内存访问路径。 第四章：虚拟内存管理与地址翻译机制 多级页表结构解析： 深入讲解 x86-64 架构下的四级页表（或五级），分析页目录、页中间目录的寻址过程，以及 TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理和缓存一致性问题。 内核态与用户态的内存隔离： 阐述页表项（PTE）中的权限位如何实现读/写/执行保护，以及 Copy-on-Write (COW) 机制在 `fork()` 调用中的高效应用。 大页（Huge Pages）与内存碎片整理： 分析使用大页如何减少 TLB 压力，并讨论内核如何通过紧凑化算法（Compaction）缓解外部和内部碎片。 第五章：内核动态内存分配与 Slab/Buddy 系统 伙伴系统（Buddy System）： 详尽描述伙伴算法如何管理物理页帧（Page Frame），并分析其在合并与分割操作中的效率特点。 对象缓存（Slab/SLUB/SLOB）： 阐述 Slab 分配器如何解决小对象频繁分配释放带来的内部碎片和初始化开销，分析不同 Slab 实现之间的优劣权衡。 内核堆内存管理： 研究 `kmalloc()` 等接口背后的机制，及其与 Slab 系统的深度耦合，并探讨在 NUMA 架构下如何实现本地内存优先分配。 第六章：内存映射（mmap）与用户空间访问 文件与内存的同步： 深入解析 `mmap()` 系统调用如何将文件内容直接映射到进程的虚拟地址空间，并对比 `read()/write()` 模式的性能差异。 共享内存的实现（shm）： 探讨匿名映射（用于进程间通信）与文件映射的异同，以及如何保证不同进程间数据的一致性。 内存保护技术： 介绍栈保护（Stack Canary）、地址空间布局随机化（ASLR）的技术细节，以及它们如何通过内存管理单元（MMU）的特性来实现安全加固。 --- 第三部分：并发、同步与I/O的性能极限 本部分关注如何在多核环境下安全、高效地共享资源，以及操作系统如何处理外部世界的异步事件流。 第七章：内核同步原语与无锁编程 锁的陷阱与选择： 详细对比自旋锁（Spinlock）、互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）的使用场景，并分析在不同粒度下的性能影响。 RCU（Read-Copy-Update）机制精讲： 深度解析 RCU 如何为读多写少的场景提供近乎无开销的读取操作，以及其 Quiescent State 的检测机制。 原子操作与内存屏障（Fences）： 探讨 x86 架构下的内存模型，理解 `volatile` 和编译器优化对并发代码的潜在干扰，以及如何使用内存屏障（如 `mb()`, `rmb()`, `wmb()`）来强制指令的顺序执行。 第八章：高级文件系统与数据持久化 VFS（Virtual File System）层设计： 剖析 VFS 抽象层如何统一化不同文件系统（如 ext4, XFS）的操作接口，理解超级块、inode 和 dentry 缓存的作用。 数据完整性与日志： 深入研究日志（Journaling）机制如何保证文件系统在断电后的一致性，并对比写前日志（Write-Ahead Logging）的优势。 缓存一致性与回写策略： 研究页缓存（Page Cache）在内核中的作用，以及脏页的回写（Writeback）调度机制，包括延迟分配与回写后台进程。 第九章：异步I/O与高性能网络栈 I/O 模型的演进： 对比传统的阻塞 I/O、非阻塞 I/O、信号驱动 I/O、`select`/`poll` 的局限性。 现代异步 I/O 框架： 全面解析 epoll (Linux) 和 kqueue (BSD/macOS) 的内核实现机制，重点讲解事件通知的触发与去重过程。 网络协议栈的内核实现： 追踪数据包从网卡驱动到 Socket 层的生命周期，分析 NAPI（New API）如何减少中断频率，以及零拷贝技术（如 `sendfile()`）如何绕过用户空间，实现数据传输的性能飞跃。 --- 第四部分：系统编程与内核模块交互 本部分侧重于如何利用操作系统提供的接口，编写出高效、健壮的应用软件，以及与内核进行安全交互的技术。 第十章：系统调用接口的精确控制 错误处理与 errno 的机制： 理解系统调用返回值的约定，以及如何正确解析返回值中的错误码。 参数传递的安全校验： 分析内核如何验证用户态传入的指针和长度参数，以防止内存越界访问。 受限执行环境： 介绍 seccomp 及其如何通过白名单机制限制进程可以执行的系统调用集，以增强沙箱安全性。 附录：系统性能调优与调试工具链 跟踪与分析工具： 熟练运用 `perf` (Performance Events) 进行采样分析、事件计数器监控，以及如何使用 BPF/BCC 编写动态追踪脚本来定位内核热点。 内核调试技巧： 使用 `printk`、KGDB 以及 panic 机制进行内核调试，掌握如何分析崩溃转储（Core Dump）以确定故障点。 本书的读者将不仅掌握“如何使用”操作系统提供的API，更将理解“为什么”这些API被设计成现在的样子，从而能够开发出真正面向未来高性能计算需求的软件系统。

评分☆☆☆☆☆

我个人觉得这本书最棒的一点是，它**不仅仅停留在理论的层面**，而是非常注重实战应用。市面上很多C/C++的教材，讲完语法就结束了，真正到了写项目的时候，大家还是会一头雾水。但这本书不一样，它用了大量的真实案例来串联知识点，而且这些案例的难度设置很有层次感，从基础的数据结构到复杂的算法应用，每一步都衔接得非常自然。我特别欣赏作者在讲解特定算法（比如动态规划或者图论）时，会先用一个生活化的场景来引出问题，然后才深入到代码实现，这种“先有鸡再有蛋”的教学方式，让抽象的概念一下子变得具体起来，很容易理解背后的思维逻辑。这种注重“如何思考”而非“如何记忆”的教学理念，对于提升编程思维的建立至关重要，不是那种死记硬背的教科书可以比拟的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的**内容更新速度和广度**也令人印象深刻。在快速迭代的技术领域，一本教材如果不能紧跟时代步伐，很快就会过时。我注意到这本书在数据结构和算法的介绍中，不仅涵盖了经典的面试考点，还巧妙地融入了一些现代C++的新特性（比如智能指针、C++11/14/17的一些标准库特性）的应用场景，这在同类书籍中是比较少见的。它没有为了追逐时髦而堆砌概念，而是将新特性放在合适的上下文环境中进行讲解，让你明白它们解决的是什么老问题。这种前瞻性让这本书的**生命周期**得以延长，不至于买了才一年就束之高阁，非常保值。对于想在技术面试中脱颖而出，展示自己不仅懂“老本行”还紧跟“新潮流”的读者来说，这本书提供了很好的弹药。

评分☆☆☆☆☆

从**语言风格**上来说，这本书的作者真的很有“台湾味”，用词很亲切，完全没有那种高高在上的学术腔调。阅读过程中，感觉就像是请了一位经验丰富的前辈在你旁边手把手指导一样，特别接地气。很多技术名词的解释，作者都会用很生活化的比喻来阐述，像是在聊天一样，完全没有阅读技术文档的枯燥感。特别是对于一些容易混淆的指针操作或者内存管理的概念，作者的处理方式简直是教科书级别的清晰，把复杂的底层原理用最简单直白的方式表达了出来。这种温暖的叙事风格，对于那些在自学路上感到孤单或者缺乏信心的读者来说，简直是一剂强心针，让人感觉学习编程并不是一个冰冷和孤立的过程。

评分☆☆☆☆☆

这本书的**排版设计**真的很让人惊艳，拿到手的时候，那种纸张的质感就很不错，厚度适中，拿在手上很有分量感。内页的印刷清晰度也是一流的，特别是那些代码块，用不同的颜色高亮显示，看久了眼睛也不会觉得很累，这对我们这些每天对着电脑屏幕的读者来说太重要了。而且，作者在章节的过渡和目录的设计上也花了不少心思，逻辑结构非常清晰，想找哪个知识点都能快速定位。很多技术书籍为了追求内容深度，常常会牺牲阅读体验，但这本书显然在这方面做得非常到位，从封面到内页的每一个细节，都能感受到出版团队的用心。对于初学者来说，这种良好的阅读体验能大大降低学习门槛，让他们更有动力坚持下去，而不是被密密麻麻的文字吓跑。如果后续的版本还能在增加一些互动性的学习资源链接，那就更完美了。

评分☆☆☆☆☆

有一点让我特别满意，就是这本书在**代码质量和规范性**上的坚持。作为一本以解题为导向的书，代码的可读性是核心。我翻阅了书中大量的示例代码，发现作者在变量命名、函数结构和注释习惯上都保持了极高的专业水准。这不仅仅是“能跑起来”的代码，更是“易于维护和理解”的代码。对于希望从小养成良好编程习惯的读者来说，这本书起到了一个潜移默化的榜样作用。它教会你的不只是解决问题的方法，更是如何用一种专业、规范的方式去表达你的解决方案。这种对细节的极致追求，是区分一本“普通教材”和一本“技术宝典”的关键所在，让人觉得物超所值。