正版新书]操作系统:原理与实现陈海波 夏虞斌 等9787111722489

CONTENTS目    录丛书序言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  21.1  简约不简单?：从Hello World说起  21.2  什么是操作系统  31.3  操作系统简史  51.3.1  GM-NAA I/O?：第一个（批处理）操作系统  51.3.2  OS/360?：从专用走向通用  61.3.3  Multics/UNIX/Linux?：分时与多任务  61.3.4  macOS/Windows?：以人为本的人机交互  71.3.5  iOS/Android?：移动互联网时代的操作系统  81.4  操作系统接口  101.5  思考题  12参考文献  12第2章  操作系统结构  132.1  操作系统的机制与策略  142.2  操作系统复杂性的管理方法  152.3  操作系统内核架构  172.3.1  简要结构  182.3.2  宏内核  182.3.3  微内核  202.3.4  外核  222.3.5  其他操作系统内核架构  242.4  操作系统框架结构  262.4.1  Android系统框架  262.4.2  ROS系统框架  282.5  操作系统设计?：Worse is better？  292.6  ChCore?：教学科研型微内核操作系统  312.7  思考题  32参考文献  32第3章  硬件环境与软件抽象  353.1  应用程序的硬件运行环境  353.1.1  程序的运行?：用指令序列控制处理器  363.1.2  处理数据?：寄存器、运算和访存  383.1.3  条件结构?：程序分支和条件码  433.1.4  函数的调用、返回与栈  463.1.5  函数的调用惯例  503.1.6  小结?：应用程序依赖的处理器状态  523.2  操作系统的硬件运行环境  543.2.1  特权级别与系统ISA  543.2.2  异常机制与异常向量表  573.2.3  案例分析?：ChCore启动与异常向量表初始化  603.2.4  用户态与内核态的切换  613.2.5  系统调用  643.2.6  系统调用的优化  663.3  操作系统提供的基本抽象与接口  673.3.1  进程?：对处理器的抽象  693.3.2  案例分析?：使用POSIX进程接口实现shell  703.3.3  虚拟内存?：对内存的抽象  733.3.4  进程的虚拟内存布局  753.3.5  文件?：对存储设备的抽象  773.3.6  文件?：对所有设备的抽象  793.4  思考题  803.5  练习答案  81参考文献  82第4章  虚拟内存管理  834.1  CPU的职责?：内存地址翻译  844.1.1  地址翻译  844.1.2  分页机制  854.1.3  多级页表  874.1.4  页表项与大页  914.1.5  TLB?：页表的缓存  934.2  操作系统的职责?：管理页表映射  964.2.1  操作系统为自己配置页表  964.2.2  如何填写进程页表  974.2.3  何时填写进程页表?：立即映射  1014.2.4  何时填写进程页表?：延迟映射  1044.2.5  常见的改变虚拟内存区域的接口  1084.2.6  虚拟内存扩展功能  1094.3  案例分析?：ChCore虚拟内存管理  1124.3.1  ChCore内核页表初始化  1124.3.2  ChCore内存管理  1154.4  思考题  1184.5  练习答案  119参考文献  121第5章  物理内存管理  1225.1  操作系统的职责?：管理物理内存资源  1225.1.1  目标与评价维度  1225.1.2  基于位图的连续物理页分配方法  1235.1.3  伙伴系统原理  1265.1.4  案例分析?：ChCore中伙伴系统的实现  1275.1.5  SLAB分配器的基本设计  1315.1.6  常用的空闲链表  1335.2  操作系统如何获得更多物理内存资源  1345.2.1  换页机制  1345.2.2  页替换策略  1375.2.3  页表项中的访问位与页替换策略实现  1405.2.4  工作集模型  1415.2.5  利用虚拟内存抽象节约物理内存资源  1425.3  性能导向的内存分配扩展机制  1435.3.1  物理内存与CPU缓存  1445.3.2  物理内存分配与CPU缓存  1465.3.3  多核与内存分配  1475.3.4  CPU缓存的硬件划分  1475.3.5  非一致内存访问（NUMA架构）  1495.3.6  NUMA架构与内存分配  1505.4  思考题  1515.5  练习答案  152参考文献  152第6章  进程与线程  1546.1  进程的内部表示与管理接口  1546.1.1  进程的内部表示—PCB  1546.1.2  进程创建的实现  1556.1.3  进程退出的实现  1596.1.4  进程等待的实现  1606.1.5  exit与waitpid之间的信息传递  1626.1.6  进程等待的范围与父子进程关系  1646.1.7  进程睡眠的实现  1666.1.8  进程执行状态及其管理  1666.2  案例分析?：ChCore微内核的进程管理  1696.2.1  进程管理器与分离式PCB  1696.2.2  ChCore的进程操作?：以进程创建为例  1706.3  案例分析?：Linux的进程创建  1726.3.1  经典的进程创建方法?：fork  1726.3.2  其他进程创建方法  1756.4  进程切换  1796.4.1  进程的处理器上下文  1806.4.2  进程的切换节点  1806.4.3  进程切换的全过程  1816.4.4  案例分析?：ChCore的进程切换实现  1826.5  线程及其实现  1916.5.1  为什么需要线程  1916.5.2  用户视角看线程  1926.5.3  线程的实现?：内核数据结构  1946.5.4  线程的实现?：管理接口  1956.5.5  线程切换  2006.5.6  内核态线程与用户态线程  2006.6  纤程  2026.6.1  对纤程的需求?：一个简单的例子  2036.6.2  POSIX的纤程支持?：ucontext  2046.6.3  纤程切换  2066.7  思考题  2076.8  练习答案  208参考文献  209第7章  处理器调度  2107.1  处理器调度机制  2107.1.1  处理器调度对象  2117.1.2  处理器调度概览  2117.2  处理器调度指标  2147.3  经典调度策略  2167.3.1  先到先得  2167.3.2  短任务优先  2187.3.3  短完成时间优先  2197.3.4  时间片轮转  2207.3.5  经典调度策略的比较  2217.4  优先级调度策略  2227.4.1  高响应比优先  2237.4.2  多级队列与多级反馈队列  2237.4.3  优先级调度策略的比较  2297.5  公平共享调度策略  2297.5.1  彩票调度  2317.5.2  步幅调度  2337.5.3  份额与优先级的比较  2357.6  多核处理器调度机制  2367.6.1  运行队列  2367.6.2  负载均衡与负载追踪  2377.6.3  处理器亲和性  2387.7  案例分析?：Linux调度器  2397.7.1  O（N）调度器  2407.7.2  O（1）调度器  2417.7.3  接近公平调度器  2427.7.4  Linux的细粒度负载追踪  2447.7.5  Linux的NUMA感知调度  2457.8  思考题  2467.9  练习答案  247参考文献  248第8章  进程间通信  2498.1  进程间通信基础  2508.1.1  进程间通信接口  2508.1.2  一个简单的进程间通信设计  2538.1.3  数据传递  2558.1.4  通知机制  2578.1.5  单向和双向  2578.1.6  同步和异步  2588.1.7  超时机制  2598.1.8  通信连接  2608.1.9  权限检查  2618.1.10  命名服务  2628.1.11  总结  2638.2  文件接口IPC?：管道  2648.2.1  Linux管道使用案例  2658.2.2  Linux中管道进程间通信的实现  2678.2.3  命名管道和匿名管道  2698.3  内存接口IPC?：共享内存  2708.3.1  共享内存  2708.3.2  基于共享内存的进程间通信  2728.4  消息接口IPC?：消息队列  2738.4.1  消息队列的结构  2748.4.2  基本操作  2748.5  案例分析?：L4微内核的IPC优化  2758.5.1  L4消息传递  2758.5.2  L4控制流转移  2778.5.3  L4通信连接  2798.5.4  L4通信控制（权限检查）  2798.6  案例分析?：LRPC的迁移线程模型  2808.6.1  迁移线程模型  2818.6.2  LRPC设计  2818.7  案例分析?：ChCore进程间通信机制  2838.8  案例分析?：Binder IPC  2858.8.1  总览  2868.8.2  Binder IPC内核设计  2868.8.3  匿名共享内存  2908.9  思考题  2918.10  练习答案  292参考文献  292第9章  并发与同步  2949.1  同步场景  2959.1.1  一个例子?：多线程计数器  2959.1.2  同步的典型场景  2979.2  同步原语  2999.2.1  互斥锁  3009.2.2  读写锁  3029.2.3  条件变量  3049.2.4  信号量  3139.2.5  同步原语的比较  3169.3  死锁  3189.3.1  死锁的定义  3189.3.2  死锁检测与恢复  3209.3.3  死锁预防  3219.3.4  死锁避免  3229.3.5  哲学家问题  3259.4  活锁  3269.5  思考题  3279.6  练习答案  330参考文献  335第10章  同步原语的实现  33610.1  互斥锁的实现  33610.1.1  临界区问题  33610.1.2  硬件实现?：关闭中断  33710.1.3  软件实现?：皮特森算法  33710.1.4  软硬件协同?：使用原子操作实现互斥锁  34010.2  条件变量的实现  34510.3  信号量的实现  34610.3.1  非阻塞信号量  34710.3.2  阻塞信号量  34810.4  读写锁的实现  35210.4.1  偏向读者的读写锁  35310.4.2  偏向写者的读写锁  35410.5  案例分析?：Linux中的futex  35610.6  案例分析?：微内核中的同步原语  36010.7  思考题  36110.8  练习答案  364参考文献  364第11章  文件系统  36611.1  基于inode的文件系统  36711.1.1  一个不用inode的简单文件系统  36711.1.2  inode与文件  36811.1.3  多级inode  37011.1.4  文件名与目录  37411.1.5  存储布局  37711.1.6  从文件名到链接  37811.1.7  符号链接（软链接）  38111.2  基于表的文件系统  38211.2.1  FAT文件系统  38211.2.2  NTFS  38611.3  虚拟文件系统  39211.3.1  文件系统的内存结构  39211.3.2  面向文件系统的接口  39411.3.3  多文件系统的组织和管理  39811.3.4  伪文件系统  40011.4  VFS与缓存  40211.4.1  访问粒度不一致问题和一些优化  40211.4.2  读缓存  40311.4.3  写缓冲区与写合并  40311.4.4  页缓存  40311.4.5  直接I/O和缓存I/O  40411.4.6  内存映射  40511.5  用户态文件系统  40511.5.1  为什么需要用户态文件系统  40611.5.2  FUSE  40611.5.3  ChCore的文件系统架构  40711.6  思考题  41011.7  练习答案  411参考文献  412第12章  文件系统崩溃一致性  41412.1  崩溃一致性  41512.2  同步写入与文件系统一致性检查  41712.2.1  同步写入  41712.2.2  文件系统一致性检查  41812.2.3  fsck的局限和问题  42012.3  原子更新技术?：日志  42112.3.1  日志机制的原理  42112.3.2  日志的批量化与合并优化  42312.3.3  日志应用实例?：JBD2  42312.3.4  讨论和小结  42712.4  原子更新技术?：写时拷贝  42712.4.1  写时拷贝的原理  42812.4.2  写时拷贝在文件系统中的应用  42912.4.3  写时拷贝的问题与优化  43012.4.4  讨论和小结  43012.5  Soft updates  43112.5.1  Soft updates的三条规则  43212.5.2  依赖追踪  43412.5.3  撤销和重做  43512.5.4  文件系统恢复  43712.5.5  讨论和小结  43712.6  案例分析?：日志结构文件系统  43812.6.1  基本概念与空间布局  43812.6.2  数据访问与操作  43912.6.3  基于段的空间管理  44112.6.4  检查点和前滚  44412.6.5  小结  44612.7  思考题  446参考文献  447第13章  设备管理  44913.1  硬件设备基础  45013.1.1  总线互联  45113.1.2  设备的硬件接口  45213.1.3  几种常见的设备  45213.2  设备发现与交互  45713.2.1  CPU与设备的交互方式概览  45813.2.2  设备发现  46013.2.3  设备寄存器的访问  46313.2.4  中断  46613.2.5  直接内存访问  47013.3  设备管理的共性功能  47513.3.1  设备的文件抽象  47513.3.2  设备的逻辑分类  47713.3.3  设备的缓冲区管理  47813.3.4  设备的使用接口  48213.4  应用I/O框架  48413.4.1  应用层I/O库  48413.4.2  用户态I/O  48613.5  案例分析?：Android操作系统的硬件抽象层  48813.6  思考题  49013.7  练习答案  491参考文献  491第14章  系统虚拟化  49314.1  系统虚拟化技术概述  49414.1.1  系统虚拟化及其组成部分  49414.1.2  虚拟机监控器的类型  49514.2  “下陷-模拟”方法  49614.2.1  版本零?：用进程模拟虚拟机内核态  49714.2.2  版本一?：模拟时钟中断  49814.2.3  版本二?：模拟用户态与系统调用  50014.2.4  版本三?：虚拟机内支持多个用户态线程  50114.2.5  版本四?：用线程模拟多个vCPU  50214.2.6  小结  50414.3  CPU虚拟化  50514.3.1  可虚拟化架构与不可虚拟化架构  50514.3.2  解释执行  50614.3.3  动态二进制翻译  50714.3.4  扫描-翻译  50814.3.5  半虚拟化技术  50914.3.6  硬件虚拟化技术  50914.3.7  小结  51214.4  内存虚拟化  51314.4.1  影子页表机制  51414.4.2  直接页表映射机制  51714.4.3  两阶段地址翻译机制  51814.4.4  换页和气球机制  52114.4.5  小结  52314.5  I/O虚拟化  52314.5.1  软件模拟方法  52414.5.2  半虚拟化方法  52614.5.3  设备直通方法?：IOMMU和SR-IOV  52814.5.4  小结  53114.6  中断虚拟化  53214.7  案例分析?：QEMU/KVM  53414.7.1  KVM API和一个简单的虚拟机监控器  53414.7.2  KVM和QEMU  53614.7.3  KVM内部实现简介  53814.8  思考题  539参考文献  540缩略语  541在线章节第二部分  操作系统进阶第15章  多核与多处理器第16章  可扩展同步原语第17章  多场景文件系统第18章  存储系统第19章  轻量级虚拟化第20章  网络与系统第21章  操作系统安全第22章  操作系统调测第23章  形式化证明第24章  云操作系统第三部分  ChCore课程实验实验1：机器启动实验2：内存管理实验3：进程与线程、异常处理实验4：多核、多进程、调度与IPC实验5：文件系统与shell实验6：设备驱动与持久化实验7：进阶实践