现代操作系统：原理与实现
| 作者 |
| 陈海波 夏虞斌 |
| 丛书名 |
| 计算机类专业系统能力培养系列教材 |
| 出版社 |
| 机械工业出版社 |
| ISBN |
| 9787111666073 |
| 简要 |
| 简介 |
| 内容简介书籍计算机书籍 本书以三个面向”为导向，即面向经典基础理论与方法，面向国际前沿研究，面向工业界实践，深入浅出地介绍操作系统的理论、架构、设计方法与具体实现。本书是首本以ARM64为主体介绍操作系统的教材，将学术前沿与工业实践充分结合，不仅介绍了现有的Linux宏内核操作系统架构，而且介绍了微内核、外核等操作系统架构。 本书共分为三个部分，其中基础部分(操作系统基础)以纸质版的形式出版，第二部分（操作系统进阶）和第三部分（ChCore课程实验）则以电子版的形式在本书网站发布。基础部分共分为11章，内容包括：操作系统概述、硬件结构、操作系统结构、内存管理、进程与线程、操作系统调度、进程间通信、同步原语、文件系统与存储、设备管理和系统虚拟化。 本书包含大量插图、示例和练习，并融入了典型的操作系统相关的技术问题，既可以作为高等院校计算机专业本科生和研究生的操作系统课程教材，也可以作为工业界从事操作系统相关领域研发工作的专业人员的参考书。 |
| 目录 |
| 序言一 序言二 前言 第一部分 操作系统基础 第1章 操作系统概述........................................ 2 1.1 简约但不简单：从Hello World说起........................................ 2 1.2 什么是操作系统........................................ 3 1.3 操作系统简史........................................ 6 1.3.1 GM-NAA I/O：第一个（批处理）操作系统........................................ 6 1.3.2 OS/360：从专用走向通用........................................ 6 1.3.3 Multics/UNIX/Linux：分时与多任务........................................ 7 1.3.4 macOS/Windows：以人为本的人机交互........................................ 8 1.4 操作系统接口........................................ 9 1.5 ChCore：一个简单的实验操作系统........................................ 11 参考文献........................................ 12 第2章 硬件结构........................................ 13 2.1 CPU与指令集架构........................................ 14 2.1.1 指令集........................................ 14 2.1.2 特权级........................................ 15 2.1.3 寄存器........................................ 17 2.2 物理内存与CPU缓存........................................ 17 2.2.1 缓存结构........................................ 18 2.2.2 缓存寻址........................................ 19 2.3 设备与中断........................................ 20 2.3.1 内存映射输入输出........................................ 20 2.3.2 轮询与中断........................................ 21 2.4 思考题........................................ 22 参考文献........................................ 22 第3章 操作系统结构........................................ 23 3.1 操作系统的机制与策略........................................ 24 3.2 操作系统复杂度管理方法........................................ 25 3.3 操作系统内核架构........................................ 27 3.3.1 简要结构........................................ 27 3.3.2 宏内核架构........................................ 28 3.3.3 微内核架构........................................ 30 3.3.4 外核架构........................................ 32 3.3.5 其他操作系统内核架构........................................ 34 3.4 操作系统框架结构........................................ 35 3.4.1 Android系统框架........................................ 35 3.4.2 ROS系统框架........................................ 37 3.5 思考题........................................ 39 参考文献........................................ 40 第4章 内存管理........................................ 42 4.1 虚拟地址与物理地址........................................ 43 4.1.1 初识物理地址与虚拟地址........................................ 43 4.1.2 使用虚拟地址访问物理内存........................................ 44 4.1.3 分段与分页机制........................................ 44 4.2 基于分页的虚拟内存........................................ 46 4.2.1 AArch64架构下的4级页表........................................ 47 4.2.2 加速地址翻译的重要硬件：TLB........................................ 49 4.2.3 换页与缺页异常........................................ 52 4.2.4 页替换策略........................................ 54 4.2.5 工作集模型........................................ 57 4.3 虚拟内存功能........................................ 58 4.3.1 共享内存........................................ 58 4.3.2 写时拷贝........................................ 59 4.3.3 内存去重........................................ 60 4.3.4 内存压缩........................................ 60 4.3.5 大页........................................ 61 4.4 物理内存分配与管理........................................ 62 4.4.1 目标与评价维度........................................ 62 4.4.2 伙伴系统........................................ 63 4.4.3 SLAB分配器........................................ 65 4.4.4 常用的空闲链表........................................ 67 4.4.5 物理内存与CPU缓存........................................ 68 4.5 案例分析：ChCore内存管理机制........................................ 70 4.6 思考题........................................ 73 参考文献........................................ 74 第5章 进程与线程........................................ 76 5.1 进程........................................ 76 5.1.1 进程的状态........................................ 77 5.1.2 进程的内存空间布局........................................ 78 5.1.3 进程控制块和上下文切换........................................ 79 5.2 案例分析：Linux的进程操作........................................ 80 5.2.1 进程的创建：fork........................................ 80 5.2.2 进程的执行：exec........................................ 84 5.2.3 进程管理........................................ 85 5.2.4 讨论：fork过时了吗........................................ 89 5.3 线程........................................ 92 5.3.1 多线程的地址空间布局........................................ 93 5.3.2 用户态线程与内核态线程........................................ 93 5.3.3 线程控制块与线程本地存储........................................ 94 5.3.4 线程的基本接口：以POSIX线程库为例........................................ 95 5.4 案例分析：ChCore的线程上下文........................................ 99 5.4.1 线程的上下文和TCB........................................ 99 5.4.2 ChCore中上下文切换的实现........................................ 100 5.5 纤程........................................ 102 5.5.1 对纤程的需求：一个简单的例子........................................ 103 5.5.2 POSIX的纤程支持：ucontext........................................ 103 5.5.3 纤程的上下文切换........................................ 105 5.6 思考题........................................ 106 参考文献........................................ 107 第6章 操作系统调度........................................ 108 6.1 计算机调度简介........................................ 108 6.1.1 操作系统调度........................................ 110 6.1.2 调度指标........................................ 111 6.2 调度机制........................................ 113 6.2.1 长期、中期与短期调度........................................ 114 6.2.2 任务调度总览........................................ 116 6.3 单核调度策略........................................ 117 6.3.1 经典调度........................................ 118 6.3.2 优先级调度........................................ 122 6.3.3 公平共享调度........................................ 127 6.3.4 实时调度........................................ 133 6.3.5 其他调度........................................ 138 6.4 多核调度策略........................................ 141 6.4.1 负载分担........................................ 141 6.4.2 协同调度........................................ 142 6.4.3 两级调度........................................ 144 6.4.4 负载追踪与负载均衡........................................ 145 6.4.5 能耗感知调度........................................ 148 6.5 调度进阶机制........................................ 151 6.5.1 处理器亲和性........................................ 152 6.5.2 调度策略设置........................................ 153 6.6 案例分析：现代调度器........................................ 155 6.6.1 Linux调度器........................................ 155 6.6.2 macOS/iOS调度器........................................ 160 6.7 思考题........................................ 162 参考文献........................................ 163 第7章 进程间通信........................................ 165 7.1 进程间通信基础........................................ 165 7.1.1 一个简单的进程间通信设计........................................ 166 7.1.2 数据传递........................................ 167 7.1.3 控制流转移........................................ 169 7.1.4 单向和双向........................................ 170 7.1.5 同步和异步........................................ 170 7.1.6 超时机制........................................ 171 7.1.7 通信连接管理........................................ 172 7.1.8 权限检查........................................ 173 7.1.9 命名服务........................................ 174 7.2 宏内核进程间通信........................................ 175 7.2.1 管道进程间通信........................................ 176 7.2.2 System V消息队列........................................ 178 7.2.3 System V信号量........................................ 179 7.2.4 System V共享内存........................................ 180 7.2.5 信号进程间通信........................................ 181 7.2.6 套接字进程间通信........................................ 185 7.3 微内核进程间通信........................................ 186 7.3.1 Mach：早期的微内核进程间通信设计........................................ 186 7.3.2 L4：围绕进程间通信优化而设计的微内核系统.................................. 188 7.3.3 LRPC：迁移线程模型........................................ 193 7.4 案例分析：Android Binder........................................ 195 7.4.1 背景........................................ 195 7.4.2 Binder IPC总览........................................ 196 7.4.3 Binder IPC内核设计........................................ 196 7.4.4 匿名共享内存........................................ 199 7.5 案例分析：ChCore 进程间通信机制........................................ 201 7.6 思考题........................................ 203 参考文献........................................ 203 第8章 同步原语........................................ 206 8.1 互斥锁........................................ 209 8.1.1 临界区问题........................................ 209 8.1.2 硬件实现：关闭中断........................................ 211 8.1.3 软件实现：皮特森算法........................................ 211 8.1.4 软硬件协同：使用原子操作实现互斥锁........................................ 213 8.2 条件变量........................................ 219 8.2.1 条件变量的使用........................................ 219 8.2.2 条件变量的实现........................................ 222 8.3 信号量........................................ 223 8.3.1 信号量的使用........................................ 224 8.3.2 信号量的实现........................................ 225 8.4 读写锁........................................ 229 8.4.1 读写锁的使用........................................ 229 8.4.2 读写锁的实现........................................ 230 8.5 RCU........................................ 233 8.5.1 订阅/发布机制........................................ 234 8.5.2 宽限期........................................ 236 8.6 管程........................................ 237 8.7 同步带来的问题........................................ 239 8.7.1 死锁........................................ 239 8.7.2 活锁........................................ 245 8.7.3 优先级反转........................................ 246 8.8 案例分析：Linux中的futex........................................ 249 8.9 案例分析：ChCore中的同步原语........................................ 251 8.10 思考题........................................ 252 参考文献........................................ 254 第9章 文件系统........................................ 256 9.1 基于inode的文件系统........................................ 257 9.1.1 inode与文件........................................ 258 9.1.2 文件名与........................................ 260 9.1.3 硬链接与符号链接........................................ 263 9.1.4 存储布局........................................ 264 9.2 虚拟文件系统........................................ 266 9.2.1 面向文件系统的接口........................................ 266 9.2.2 面向应用程序的接口........................................ 270 9.2.3 页缓存、直接I/O与内存映射........................................ 277 9.2.4 多种文件系统的组织和管理........................................ 280 9.2.5 伪文件系统........................................ 282 9.3 其他文件系统........................................ 284 9.3.1 FAT文件系统........................................ 284 9.3.2 NTFS........................................ 288 9.3.3 FUSE与用户态文件系统........................................ 292 9.4 案例分析：ChCore文件系统........................................ 294 9.4.1 ChCore的文件系统架构........................................ 294 9.4.2 内存文件系统........................................ 295 9.5 思考题........................................ 296 参考文献........................................ 297 第10章 设备管理........................................ 299 10.1 计算机设备的连接和通信........................................ 300 10.1.1 设备的连接：总线........................................ 300 10.1.2 可编程I/O........................................ 301 10.1.3 高效数据传输：DMA........................................ 301 10.1.4 设备地址翻译：IOMMU........................................ 302 10.2 设备的识别........................................ 303 10.2.1 设备树........................................ 303 10.2.2 ACPI........................................ 305 10.3 设备的中断处理........................................ 306 10.3.1 中断控制器........................................ 306 10.3.2 中断的基本概念........................................ 307 10.3.3 中断处理：以Linux上下半部的机制为例...................................... 309 10.4 设备驱动与驱动模型........................................ 314 10.4.1 设备驱动........................................ 314 10.4.2 驱动模型........................................ 316 10.5 案例分析：Linux设备驱动模型........................................ 316 10.5.1 Linux的设备抽象........................................ 317 10.5.2 Linux的驱动抽象........................................ 319 10.5.3 Linux驱动的动态管理........................................ 321 10.5.4 Linux的sysfs文件系统........................................ 322 10.6 案例分析：Zircon的设备驱动模型........................................ 323 10.6.1 Zircon的设备抽象........................................ 324 10.6.2 Zircon的驱动抽象........................................ 324 10.6.3 Zircon驱动的动态管理........................................ 326 10.6.4 Zircon的平台总线........................................ 326 10.7 案例分析：L4设备驱动模型........................................ 327 10.8 案例分析：Linux的用户态驱动模型........................................ 329 10.9 思考题........................................ 332 参考文献........................................ 333 第11章 系统虚拟化........................................ 335 11.1 系统虚拟化技术概述........................................ 336 11.1.1 系统虚拟化及其组成部分........................................ 336 11.1.2 虚拟机监控器的类型........................................ 337 11.2 CPU虚拟化........................................ 338 11.2.1 下陷和模拟........................................ 339 11.2.2 可虚拟化架构与不可虚拟化架构........................................ 339 11.2.3 解释执行........................................ 340 11.2.4 动态二进制翻译........................................ 341 11.2.5 扫描和翻译........................................ 342 11.2.6 半虚拟化技术........................................ 343 11.2.7 硬件虚拟化技术........................................ 344 11.2.8 小结........................................ 346 11.3 内存虚拟化........................................ 347 11.3.1 影子页表机制........................................ 349 11.3.2 影子页表的缺页异常处理流程........................................ 351 11.3.3 直接页表映射机制........................................ 351 11.3.4 两阶段地址翻译机制........................................ 352 11.3.5 换页和内存气球机制........................................ 355 11.3.6 小结........................................ 357 11.4 I/O虚拟化........................................ 357 11.4.1 软件模拟方法........................................ 358 11.4.2 半虚拟化方法........................................ 360 11.4.3 设备直通：IOMMU和SR-IOV........................................ 362 11.4.4 小结........................................ 365 11.5 中断虚拟化........................................ 366 11.6 案例分析：QEMU/KVM........................................ 367 11.6.1 KVM API和一个简单的虚拟机监控器........................................ 368 11.6.2 KVM与QEMU........................................ 370 11.6.3 KVM内部实现简介........................................ 372 11.7 思考题........................................ 372 参考文献........................................ 373 缩略语........................................ 375 在线章节 第二部分 操作系统进阶 第12章 多核与多处理器 第13章 文件系统崩溃一致性 第14章 网络协议栈与系统 第15章 轻量级虚拟化 第16章 操作系统安全 第17章 操作系统调测 第18章 形式化证明 第三部分 ChCore课程实验 第19章 Lab1：机器启动 第20章 Lab2：内存管理 第21章 Lab3：用户进程与异常处理 第22章 Lab4：多核处理 第23章 Lab5：文件系统与Shell |
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