正版 操作系统:精髓与设计原理:internals and design principles

本书既是关于操作系统概念、结构和机制的教材，目的是尽可能清楚和全面地展示现代操作系统的本质和特点；也是讲解操作系统的经典教材，不仅系统地讲述了操作系统的基本概念、原理和方法，而且以当代***的操作系统Windows 10、UNIX、Android、Linux为例，展现了当代操作系统的本质和特点。全书共分背景知识程、内存、调度、输入/输出和文件、嵌入式系统六部分，内括计算机系统概述、操作系统概述程描述和控制、线程、并发性：互斥和同步、并发：死锁和饥饿、内存管理、虚拟内存、单处理器调度、多处理器和实时调度、I/O管理和磁盘调度、文件管理、嵌入式操作系统、虚拟机、计算机技术、云操作系统和IoT操作系统等。此外，本书配套网站提供了及时、生动的材料。

William Stallings，美大学电气工程专业学士，麻省理工学院计算机科学系博士。William Stallings已出版图书18种，含修订版在内共出版图书40种，内容涉及计算机、计算机网络和计算机体系结构。在多家期刊上发表了大量论文括Proceedings of the IEEE、ACM Computing Reviews和Cryptologia。13次荣获教材与学术作者协会颁发的计算机科学教材奖。在计算机科学领域的30多年，William Stallings一直是一位技术贡献者、技术管理者和多家高科技公司的主管；针对许多计算机和操作系统，设计和实现了基于TCP/IP与基于OSI的协议套件。

关于作者William Stallings，美大学电气工程专业学士，麻省理工学院计算机科学专业博士。William Stallings已出版图书近20种，含修订版在内共出版图书40种，内容涉及计算机、计算机网络和计算机体系结构。在多家期刊上发表了大量论文括《IEE展》《ACM计算评论》和《密码术》。13次荣获教材与学术作者协会颁发的计算机科学教科书奖。在计算机科学领域工作的30多年，William Stallings一直是一位技术贡献者、技术管理者和多家高科技公司的主管；针对许多计算机和操作系统，设计和实现了基于TCP/IP与基于OSI的协议套件。William Stallings还是政府机构、计算机和软件供应商以及设计、选用网络软件与产品的用户的顾问。创建与维护了计算机科学专业学生资源网站ComputerScienceStudent.com，为计算机科学专业的学生（及专业人员）提供文献及大量专题链接，也是学术期刊《密码术》的编委会成员。

部分 背景知识


第1章 计算机系统概述 2

1．1 基本构成 2

1．2 微处理器的发展 3

1．3 指令的执行 4

1．4 中断 6

1．4．1 中断和指令周期 7

1．4．2 中断处理 8

1．4．3 多个中断 10

1．5 存储器的层次结构 11

1．6 高速缓存 13

1．6．1 动机 13

1．6．2 高速缓存原理 13

1．6．3 高速缓存设计 15

1．7 直接内存存取 15

1．8 多处理器和多核计算机组织结构 16

1．8．1 对称多处理器 16

1．8．2 多核计算机 17

1．9 关键术语、复19

1．9．1 关键术语 19

1．9．2 复19

1．9．3 19

附录1A 两级存储器的性能特征 21

第2章 操作系统概述 26

2．1 操作系统的目标能 26

2．1．1 作为用户/计算机接口的

操作系统 26

2．1．2 作为资源管理器的操作系统 27

2．1．3 操作系统的易扩展性 28

2．2 操作系统的演化 29

2．2．1 串行处理 29

2．2．2 简单批处理系统 29

2．2．3 多道批处理系统 31

2．2．4 分时系统 33

2．3 主要成就 34

2．3．1 程 34

2．3．2 内存管理 36

2．3．3 信息保护和 37

2．3．4 调度和资源管理 38

2．4 现代操作系统的特征 39

2．5 容错性 40

2．5．1 基本概念 41

2．5．2 错误 41

2．5．3 操作系统机制 42

2．6 多处理器和多核操作系统设计

考虑因素 42

2．6．1 对称多处理器操作系统设计

考虑因素 42

2．6．2 多核操作系统设计考虑因素 43

2．7 微软Windows系统简介 44

2．7．1 背景 44

2．7．2 体系结构 44

2．7．3 客户-服务器模型 46

2．7．4 线程和SMP 47

2．7．5 Windows对象 47

2．8 传统的UNIX系统 48

2．8．1 历史 48

2．8．2 描述 49

2．9 现代UNIX系统 50

2．9．1 System V Release 4（SVR4） 51

2．9．2 BSD 51

2．9．3 Solaris 11 51

2．10 Linux操作系统 51

2．10．1 历史 51

2．10．2 模块结构 52

2．10．3 内核组件 53

2．11 Android 55

2．11．1 Android软件体系结构 56

2．11．2 Android运行时 57

2．11．3 Android系统体系结构 59

2．11．4 活动 60

2．11．5 电源管理 60

2．12 关键术语、复60

2．12．1 关键术语 60

2．12．2 复61

2．12．3 61


第二部分 程


第3章 程描述和控制 64

3．1 什么程 64

3．1．1 背景 64

3．1．2 程程控制块 65

3．2 程状态 66

3．2．1 两状程模型 67

3．2．2 程的创建和终止 68

3．2．3 五状态模型 69

3．2．4 被挂起程 71

3．3 程描述 74

3．3．1 操作系统的控制结构 75

3．3．2 程控制结构 75

3．4 程控制 79

3．4．1 执行模式 79

3．4．2 程创建 80

3．4．3 程切换 81

3．5 操作系统的执行 82

3．5．1 程内核 82

3．5．2 在用程内运行 83

3．5．3 基程的操作系统 84

3．6 UNIX SVR程管理 84

3．6．1 程状态 84

3．6．2 程描述 85

3．6．3 程控制 87

3．7 小结 87

3．8 关键术语、复88

3．8．1 关键术语 88

3．8．2 复88

3．8．3 88

第4章 线程 91

4．1 程和线程 91

4．1．1 多线程 91

4．1．2 线程能 93

4．2 线程分类 95

4．2．1 用户级和内核级线程 95

4．2．2 其他方案 97

4．3 多核和多线程 99

4．3．1 多核系统上的软件性能 99

4．3．2 应用示例：Valve游戏软件 100

4．4 Windows程和线程管理 101

4．4．1 后台任务管理和应用生命

周期 102

4．4．2 Window程 103

4．4．3 程对象和线程对象 103

4．4．4 多线程 104

4．4．5 线程状态 104

4．4．6 对操作系统子系统的支持 105

4．5 Solaris的线程和SMP管理 106

4．5．1 多线程体系结构 106

4．5．2 动机 106

4．5．3 程结构 107

4．5．4 线程的执行 108

4．5．5 把中断当作线程 108

4．6 Linux程和线程管理 109

4．6．1 Linux任务 109

4．6．2 Linux线程 110

4．6．3 Linux命名空间 111

4．7 Android程和线程管理 112

4．7．1 安卓应用 112

4．7．2 活动 113

4．7．3 程和线程 114

4．8 Mac OS X的GCD技术 114

4．9 小结 116

4．10 关键术语、复116

4．10．1 关键术语 116

4．10．2 复116

4．10．3 117

第5章 并发：互斥和同步 121

5．1 互斥：软件解决方法 122

5．1．1 Dekker算法 122

5．1．2 Peterson算法 125

5．2 并发的原理 126

5．2．1 一个简单的例子 127

5．2．2 竞争条件 128

5．2．3 操作系统关注的问题 128

5．2．4 程的交互 128

5．2．5 互斥的要求 131

5．3 互斥：硬件的支持 131

5．3．1 中断禁用 131

5．3．2 专用机器指令 132

5．4 信号量 133

5．4．1 互斥 136

5．4．2 生产者/消费者问题 137

5．4．3 信号量的实现 142

5．5 管程 142

5．5．1 使用信号的管程 142

5．5．2 使用通知和广播的管程 145

5．6 消息传递 146

5．6．1 同步 147

5．6．2 寻址 148

5．6．3 消息格式 149

5．6．4 排队原则 149

5．6．5 互斥 149

5．7 读者/写者问题 150

5．7．1 读者优先 151

5．7．2 写者优先 152

5．8 小结 154

5．9 关键术语、复154

5．9．1 关键术语 154

5．9．2 复154

5．9．3 155

第6章 并发：死锁和饥饿 164

6．1 死锁原理 164

6．1．1 可重用资源 167

6．1．2 可消耗资源 167

6．1．3 资源分配图 168

6．1．4 死锁的条件 169

6．2 死锁 169

6．2．1 互斥 170

6．2．2 占有且等待 170

6．2．3 不可抢占 170

6．2．4 循环等待 170

6．3 死锁避免 170

6．3．1 程启动拒绝 171

6．3．2 资源分配拒绝 171

6．4 死锁检测 174

6．4．1 死锁检测算法 174

6．4．2 恢复 175

6．5 一种综合的死锁策略 175

6．6 哲学家就餐问题 176

6．6．1 基于信号量的解决方案 177

6．6．2 基于管程的解决方案 178

6．7 UNIX并发机制 178

6．7．1 管道 179

6．7．2 消息 179

6．7．3 共享内存 179

6．7．4 信号量 179

6．7．5 信号 180

6．8 Linux内核并发机制 180

6．8．1 原子操作 181

6．8．2 自旋锁 182

6．8．3 信号量 183

6．8．4 屏障 184

6．9 Solaris线程同步原语 185

6．9．1 互斥锁 186

6．9．2 信号量 186

6．9．3 多读者/单写者锁 186

6．9．4 条件变量 187

6．10 Windows的并发机制 187

6．10．1 等待函数 187

6．10．2 分派器对象 187

6．10．3 临界区 188

6．10．4 轻量级读写锁和条件变量 188

6．10．5 锁无关同步机制 189

6．11 Androi程间通信 189

6．12 小结 190

6．13 关键术语、复190

6．13．1 关键术语 190

6．13．2 复190

6．13．3 191


第三部分 内存


第7章 内存管理 196

7．1 内存管理的需求 196

7．1．1 重定位 196

7．1．2 保护 197

7．1．3 共享 197

7．1．4 逻辑组织 197

7．1．5 物理组织 198

7．2 内存分区 198

7．2．1 固定分区 198

7．2．2 动态分区 200

7．2．3 伙伴系统 202

7．2．4 重定位 203

7．3 分页 204

7．4 分段 206

7．5 小结 207

7．6 关键术语、复207

7．6．1 关键术语 207

7．6．2 复208

7．6．3 208

附录7A 加载和链接 210

第8章 虚拟内存 214

8．1 硬件和控制结构 214

8．1．1 局部性和虚拟内存 215

8．1．2 分页 216

8．1．3 分段 222

8．1．4 段页式 223

8．1．5 保护和共享 224

8．2 操作系统软件 224

8．2．1 读取策略 225

8．2．2 放置策略 226

8．2．3 置换策略 226

8．2．4 驻留集管理 230

8．2．5 清除策略 234

8．2．6 加载控制 234

8．3 UNIX和Solaris内存管理 235

8．3．1 分页系统 235

8．3．2 内核内存分配器 237

8．4 Linux内存管理 238

8．4．1 虚拟内存 239

8．4．2 内核内存分配 240

8．5 Windows内存管理 240

8．5．1 Windows虚拟地址映射 241

8．5．2 Windows分页 241

8．5．3 Windows交换 242

8．6 Android内存管理 242

8．7 小结 242

8．8 关键术语、复243

8．8．1 关键术语 243

8．8．2 复243

8．8．3 243


第四部分 调度


第9章 单处理器调度 248

9．1 处理器调度的类型 248

9．1．1 长程调度 249

9．1．2 中程调度 250

9．1．3 短程调度 250

9．2 调度算法 250

9．2．1 短程调度规则 250

9．2．2 优先级的使用 251

9．2．3 选择调度策略 252

9．2．4 性能比较 258

9．2．5 公平共享调度 261

9．3 传统的UNIX调度 263

9．4 小结 264

9．5 关键术语、复264

9．5．1 关键术语 264

9．5．2 复264

9．5．3 265

第10章 多处理器、多核和实时调度 268

10．1 多处理器和多核调度 268

10．1．1 粒度 268

10．1．2 设计问题 269

10．1．3 程调度 270

10．1．4 线程调度 271

10．1．5 多核线程调度 275

10．2 实时调度 276

10．2．1 背景 276

10．2．2 实时操作系统的特点 276

10．2．3 实时调度 278

10．2．4 限期调度 279

10．2．5 速率单调调度 282

10．2．6 优先级反转 284

10．3 Linux调度 285

10．3．1 实时调度 285

10．3．2 非实时调度 286

10．4 UNIX SVR4调度 287

10．5 FreeBSD调度程序 288

10．5．1 优先级 288

10．5．2 对称多处理器与多核支持 289

10．6 Windows调度 290

10．6．1 程和线程优先级 290

10．6．2 多处理器调度 291

10．7 小结 291

10．8 关键术语、复292

10．8．1 关键术语 292

10．8．2 复292

10．8．3 292


第五部分 输入/输出和文件


第11章 I/O管理和磁盘调度 296

11．1 I/O设备 296

11．2 I/能的组织 297

11．2．1 I/能的发展 297

11．2．2 直接内存访问 298

11．3 操作系统设计问题 299

11．3．1 设计目标 299

11．3．2 I/能的逻辑结构 300

11．4 I/O缓冲 301

11．4．1 单缓冲 301

11．4．2 双缓冲 302

11．4．3 循环缓冲 302

11．4．4 缓冲的作用 302

11．5 磁盘调度 303

11．5．1 磁盘性能参数 303

11．5．2 磁盘调度策略 304

11．6 RAID 307

11．6．1 RAID级别0 310

11．6．2 RAID级别1 310

11．6．3 RAID级别2 311

11．6．4 RAID级别3 311

11．6．5 RAID级别4 312

11．6．6 RAID级别5 312

11．6．7 RAID级别6 312

11．7 磁盘高速缓存 313

11．7．1 设计考虑因素 313

11．7．2 性能考虑因素 314

11．8 UNIX SVR 4 I/O 315

11．8．1 缓冲区高速缓冲 315

11．8．2 字符队列 316

11．8．3 无缓冲I/O 316

11．8．4 UNIX设备 316

11．9 Linux I/O 317

11．9．1 磁盘调度 317

11．9．2 Linux页面缓存 319

11．10 Windows I/O 320

11．10．1 基本I/O机制 320

11．10．2 异步I/O和同步I/O 320

11．10．3 软件RAID 321

11．10．4 卷影 321

11．10．5 卷加密 321

11．11 小结 321

11．12 关键术语、复322

11．12．1 关键术语 322

11．12．2 复322

11．12．3 322

第12章 文件管理 324

12．1 概述 324

12．1．1 文件和文件系统 324

12．1．2 文件结构 325

12．1．3 文件管理系统 326

12．2 文件组织和访问 327

12．2．1 堆 328

12．2．2 顺序文件 328

12．2．3 索引顺序文件 329

12．2．4 索引文件 329

12．2．5 直接文件或散列文件 330

12．3 B树 330

12．4 文件目录 332

12．4．1 内容 332

12．4．2 结构 333

12．4．3 命名 334

12．5 文件共享 335

12．5．1 访问权限 335

12．5．2 同时访问 335

12．6 记录组块 336

12．7 辅存管理 337

12．7．1 文件分配 337

12．7．2 空闲空间管理 339

12．7．3 卷 341

12．7．4 可靠性 341

12．8 UNIX文件管理 341

12．8．1 索引节点 342

12．8．2 文件分配 343

12．8．3 目录 344

12．8．4 卷结构 344

12．9 Linux虚拟文件系统 344

12．9．1 块对象 345

12．9．2 索引节点对象 346

12．9．3 目录项对象 346

12．9．4 文件对象 346

12．9．5 缓存 346

12．10 Windows文件系统 347

12．10．1 NTFS的重要特征 347

12．10．2 NTFS卷和文件结构 347

12．10．3 可恢复性 349

12．11 Android文件系统 350

12．11．1 文件系统 350

12．11．2 SQLite 350

12．12 小结 351

12．13 关键术语、复351

12．13．1 关键术语 351

12．13．2 复351

12．13．3 352


第六部分 嵌入式系统


第13章 嵌入式操作系统 354

13．1 嵌入式系统 354

13．1．1 嵌入式系统概念 354

13．1．2 通用处理器和专用处理器 355

13．1．3 微处理器 355

13．1．4 微控制器 356

13．1．5 深度嵌入式系统 357

13．2 嵌入式操作系统的特性 357

13．2．1 主环境和目标环境 358

13．2．2 开发方法 359

13．2．3 适配现有的操作系统 359

13．2．4 根据目标建立的嵌入式

操作系统 359

13．3 嵌入式Linux 360

13．3．1 嵌入式Linux系统的特性 360

13．3．2 嵌入式Linux文件系统 361

13．3．3 嵌入式Linux的优势 361

13．3．4 μClinux 362

13．3．5 Android 363

13．4 TinyOS 364

13．4．1 无线传感器网络 364

13．4．2 TinyOS的目标 365

13．4．3 TinyOS的组件 365

13．4．4 TinyOS的调度程序 367

13．4．5 配置示例 367

13．4．6 TinyOS的资源接口 369

13．5 关键术语、复370

13．5．1 关键术语 370

13．5．2 复370

13．5．3 370

第14章 虚拟机 372

14．1 虚拟机概念 372

14．2 虚拟机管理程序 374

14．2．1 虚拟机管理程序 374

14．2．2 半虚拟化 375

14．2．3 硬件辅助虚拟化 376

14．2．4 虚拟设备 376

14．3 容器虚拟化 377

14．3．1 内核控制组 377

14．3．2 容器的概念 377

14．3．3 容器文件系统 379

14．3．4 微服务 380

14．3．5 Docker 380

14．4 处理器问题 381

14．5 内存管理 382

14．6 输入/输出管理 383

14．7 VMware ESXi 384

14．8 微软Hyper-V与Xen系列 385

14．9 Java虚拟机 386

14．10 Linux VServer虚拟机架构 386

14．10．1 架构 387

14．10．2 程调度 387

14．11 小结 388

14．12 关键术语、复388

14．12．1 关键术语 388

14．12．2 复389

14．12．3 389

第15章 操作系统技术 390

15．1 入侵者与恶意软件 390

15．1．1 系统访问威胁 390

15．1．2 应对措施 391

15．2 缓冲区溢出 392

15．2．1 缓冲区溢出攻击 392

15．2．2 编译时防御 394

15．2．3 运行时防御 396

15．3 访问控制 397

15．3．1 文件系统访问控制 397

15．3．2 访问控制策略 399

15．4 UNIX访问控制 402

15．4．1 传统UNIX文件访问控制 402

15．4．2 UNIX中的访问控制列表 403

15．5 操作系统加固 404

15．5．1 操作系统安装：初始安装

与后续更新 404

15．5．2 删除不必要的服务、应用

与协议 405

15．5．3 对用户、组和认证过程
15．5．4 对资源控行配置 405

15．5．5 安装额外的控制工具 406

15．5．6 对系统行测试 406

15．6 性维护 406

15．6．1 记录日志 406

15．6．2 数据备份和存档 407

15．7 Windows性 407

15．7．1 访问控制方案 407

15．7．2 访问令牌 408

15．7．3 描述符 408

15．8 小结 410

15．9 关键术语、复411

15．9．1 关键术语 411

15．9．2 复411

15．9．3 411

第16章 云与物联网操作系统 413

16．1 云计算 413

16．1．1 云计算要素 413

16．1．2 云服务模型 414

16．1．3 云部署模型 415

16．1．4 云计算参考架构 416

16．2 云操作系统 418

16．2．1 基础设施即服务 419

16．2．2 云操作系统的需求 420

16．2．3 云操作系统的基本架构 420

16．2．4 OpenStack 424

16．3 物联网 428

16．3．1 物联网中的物 429

16．3．2 升级换代 429

16．3．3 物联网支持设备的组件 429

16．3．4 物联网和云环境 429

16．4 物联网操作系统 431

16．4．1 受限设备 431

16．4．2 物联网操作系统的要求 432

16．4．3 物联网操作系统架构 433

16．4．4 RIOT 434

16．5 关键术语和复435

16．5．1 关键术语 435

16．5．2 复436

附录A 并发主题 437

附录B 编程和操作系统项目 446

参考文献 450