[正版]FreeBSD操作系统设计与实现(原书第2版)

基本信息

作者简介：

内容提要：

本书由FreeBSD系统的三位 者撰写，在上一版基础上做了大幅 新，涵盖FreeBSD 5和FreeBSD 11之间的所有重大改进，如使用FreeBSD Jail的高度可扩展和轻量级虚拟化、使用Xen和Virtio设备半虚拟化的虚拟机加速、Capsicum沙箱和GELI加密磁盘保护以及DTrace内核调试技巧等。全书从接口到内核再到硬件逐层深入，详细阐述实现每个重要系统组件——进程管理、安全、虚拟内存、I/O系统、文件系统、socket IPC和网络等——所使用的概念、数据结构和算法。本书可以作为高等院校操作系统相关课程的教材或参考书，也可以作为系统开发人员和管理人员的学习指南。

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目录：

译者序<br/>前言<br/>作者简介<br/> 部分　概述<br/>第1章　BSD系统的历史和目标2<br/>1.1　UNIX系统的历史2<br/>1.1.1　UNIX系统的起源2<br/>1.1.2　Research小组的UNIX系统3<br/>1.1.3　AT&T UNIX System Ⅲ和System V4<br/>1.1.4　伯克利软件发布5<br/>1.1.5　UNIX无处不在6<br/>1.2　BSD和其他系统6<br/>1.3　BSD向开放源代码的转变8<br/>1.3.1　Networking Release 28<br/>1.3.2　法律诉讼10<br/>1.3.3　4.4BSD11<br/>1.3.4　4.4BSD-Lite Release 211<br/>1.4　FreeBSD的开发模式12<br/>第2章　FreeBSD设计概述16<br/>2.1　FreeBSD的功能和内核16<br/>2.2　内核结构17<br/>2.3　内核服务20<br/>2.4　进程管理21<br/>2.4.1　信号22<br/>2.4.2　进程组和会话23<br/>2.5　安全23<br/>2.5.1　进程凭证24<br/>2.5.2　特权模型25<br/>2.5.3　自主访问控制25<br/>2.5.4　能力模型25<br/>2.5.5　Jail轻型虚拟化26<br/>2.5.6　强制访问控制27<br/>2.5.7　事件审计27<br/>2.5.8　密码学与随机数生成器28<br/>2.6　内存管理28<br/>2.6.1　BSD内存管理设计要点29<br/>2.6.2　内核中的内存管理30<br/>2.7　I/O系统概述31<br/>2.7.1　描述符与I/O31<br/>2.7.2　描述符管理33<br/>2.7.3　设备34<br/>2.7.4　套接字IPC34<br/>2.7.5　分散-收集I/O35<br/>2.7.6　多文件系统支持35<br/>2.8　设备36<br/>2.9　快速文件系统36<br/>2.10　Zettabyte文件系统40<br/>2.11　网络文件系统41<br/>2.12　进程间通信41<br/>2.13　网络层协议42<br/>2.14　传输层协议43<br/>2.15　系统启动和停止43<br/>习题44<br/>第3章　内核服务45<br/>3.1　内核结构45<br/>3.1.1　系统进程45<br/>3.1.2　系统入口46<br/>3.1.3　运行时的内核结构46<br/>3.1.4　内核的入口48<br/>3.1.5　从内核返回49<br/>3.2　系统调用49<br/>3.2.1　调用结果的处理49<br/>3.2.2　从系统调用返回50<br/>3.3　陷阱和中断51<br/>3.3.1　I/O设备中断51<br/>3.3.2　软件中断51<br/>3.4　时钟中断52<br/>3.4.1　统计和进程调度53<br/>3.4.2　超时54<br/>3.5　内存管理服务55<br/>3.6　时间服务58<br/>3.6.1　真实时间59<br/>3.6.2　外部表示59<br/>3.6.3　调整时间59<br/>3.6.4　时间间隔60<br/>3.7　资源服务60<br/>3.7.1　进程优先级60<br/>3.7.2　资源利用61<br/>3.7.3　资源限制61<br/>3.7.4　文件系统配额62<br/>3.8　内核跟踪工具62<br/>3.8.1　系统调用跟踪62<br/>3.8.2　DTrace63<br/>3.8.3　内核跟踪66<br/>习题68<br/>第二部分　进程<br/>第4章　进程管理70<br/>4.1　进程管理概述70<br/>4.1.1　多道程序设计71<br/>4.1.2　调度72<br/>4.2　进程状态73<br/>4.2.1　进程结构75<br/>4.2.2　线程结构78<br/>4.3　上下文切换79<br/>4.3.1　线程状态79<br/>4.3.2　底层上下文切换80<br/>4.3.3　主动上下文切换80<br/>4.3.4　同步84<br/>4.3.5　互斥锁同步85<br/>4.3.6　互斥锁接口87<br/>4.3.7　锁同步88<br/>4.3.8　死锁预防89<br/>4.4　线程调度91<br/>4.4.1　低级调度器91<br/>4.4.2　线程运行队列和上下文切换92<br/>4.4.3　分时线程调度93<br/>4.4.4　多处理器调度98<br/>4.4.5　自适应空闲100<br/>4.4.6　传统的分时线程调度100<br/>4.5　创建进程101<br/>4.6　终止进程102<br/>4.7　信号103<br/>4.7.1　发送信号106<br/>4.7.2　传输信号108<br/>4.8　进程组和会话110<br/>4.8.1　进程组110<br/>4.8.2　会话111<br/>4.8.3　作业控制112<br/>4.9　进程的调试114<br/>习题116<br/>第5章　安全性118<br/>5.1　操作系统安全119<br/>5.2　安全模型120<br/>5.2.1　进程模型120<br/>5.2.2　自主与强制访问控制120<br/>5.2.3　可信计算基121<br/>5.2.4　其他内核安全特性121<br/>5.3　进程凭证121<br/>5.3.1　凭证结构122<br/>5.3.2　凭证内存模型123<br/>5.3.3　访问控制校验124<br/>5.4　用户和组124<br/>5.5　特权模型126<br/>5.5.1　隐式特权127<br/>5.5.2　显式特权127<br/>5.6　进程间访问控制128<br/>5.6.1　可见性129<br/>5.6.2　信号129<br/>5.6.3　调度控制129<br/>5.6.4　等待进程终止130<br/>5.6.5　调试130<br/>5.7　自主访问控制130<br/>5.7.1　虚拟文件系统接口与DAC131<br/>5.7.2　对象属主与组132<br/>5.7.3　UNIX权限132<br/>5.7.4　访问控制列表134<br/>5.7.5　POSIX.1e访问控制列表136<br/>5.7.6　NFSv4访问控制列表138<br/>5.8　Capsicum能力模型141<br/>5.8.1　Capsicum应用体系结构142<br/>5.8.2　能力系统142<br/>5.8.3　能力143<br/>5.8.4　能力模型145<br/>5.9　Jail146<br/>5.10　强制访问控制框架151<br/>5.10.1　强制策略151<br/>5.10.2　设计的指导原则152<br/>5.10.3　MAC框架的体系结构153<br/>5.10.4　启动框架154<br/>5.10.5　策略注册155<br/>5.10.6　框架入口点设计考量155<br/>5.10.7　策略入口点设计考量156<br/>5.10.8　内核服务入口点调用157<br/>5.10.9　策略组合158<br/>5.10.10　给对象打标签159<br/>5.10.11　标签的生命周期与存储管理159<br/>5.10.12　标签同步162<br/>5.10.13　从用户空间进行策略无关的标签管理163<br/>5.11　安全事件审计163<br/>5.11.1　审计事件与记录164<br/>5.11.2　BSM审计记录与审计跟踪165<br/>5.11.3　内核审计的实现166<br/>5.12　加密服务168<br/>5.12.1　加密框架168<br/>5.12.2　随机数生成器170<br/>5.13　GELI全磁盘加密173<br/>5.13.1　机密性和完整性保护173<br/>5.13.2　密钥管理174<br/>5.13.3　启动GELI174<br/>5.13.4　加密块保护175<br/>5.13.5　I/O模型176<br/>5.13.6　不足176<br/>习题177<br/>第6章　存储管理178<br/>6.1　术语178<br/>6.1.1　进程与内存179<br/>6.1.2　调页机制180<br/>6.1.3　替换算法180<br/>6.1.4　工作集模型181<br/>6.1.5　交换机制181<br/>6.1.6　虚拟内存的优点182<br/>6.1.7　虚拟内存的硬件要求182<br/>6.2　FreeBSD 虚拟内存系统概述183<br/>6.3　内核的存储管理185<br/>6.3.1　内核映射和子映射186<br/>6.3.2　内核地址空间的分配188<br/>6.3.3　slab分配器190<br/>6.3.4　keg分配器191<br/>6.3.5　zone分配器192<br/>6.3.6　内核malloc194<br/>6.3.7　内核zone分配器196<br/>6.4　进程独立拥有的资源197<br/>6.4.1　FreeBSD的进程虚拟地址空间197<br/>6.4.2　缺页处理199<br/>6.4.3　映射到vm_object199<br/>6.4.4　vm_object201<br/>6.4.5　vm_object到页面201<br/>6.5　共享内存202<br/>6.5.1　mmap模型203<br/>6.5.2　共享映射205<br/>6.5.3　私有映射205<br/>6.5.4　压缩影子链207<br/>6.5.5　私有快照208<br/>6.6　创建新进程209<br/>6.6.1　预留内核资源210<br/>6.6.2　复制用户地址空间211<br/>6.6.3　不通过复制创建新进程211<br/>6.7　执行一个文件212<br/>6.8　操作进程地址空间213<br/>6.8.1　改变进程大小213<br/>6.8.2　文件映射214<br/>6.8.3　改变保护权限215<br/>6.9　终止进程215<br/>6.10　调页器接口216<br/>6.10.1　vnode调页器218<br/>6.10.2　设备调页器219<br/>6.10.3　物理内存调页器220<br/>6.10.4　交换调页器221<br/>6.11　调页机制224<br/>6.11.1　硬件高速缓存的设计228<br/>6.11.2　硬件内存管理229<br/>6.11.3　 页231<br/>6.12　页面替换235<br/>6.12.1　调页参数237<br/>6.12.2　pageout守护进程237<br/>6.12.3　交换机制240<br/>6.12.4　换入进程242<br/>6.13　可移植性243<br/>6.13.1　pmap模块的作用243<br/>6.13.2　初始化和启动245<br/>6.13.3　分配和释放映射248<br/>6.13.4　改变映射的访问和wiring属性249<br/>6.13.5　物理页面使用信息的维护251<br/>6.13.6　初始化物理页面251<br/>6.13.7　管理内部数据结构252<br/>习题252<br/>第三部分　I/O系统<br/>第7章　I/O系统概述256<br/>7.1　描述符管理和服务257<br/>7.1.1　打开文件条目258<br/>7.1.2　描述符管理260<br/>7.1.3　异步I/O261<br/>7.1.4　文件描述符锁261<br/>7.1.5　描述符的多路I/O复用263<br/>7.1.6　select的实现265<br/>7.1.7　kqueue和kevent267<br/>7.1.8　数据在内核中的迁移269<br/>7.2　本地进程间交互270<br/>7.2.1　信号量272<br/>7.2.2　消息队列273<br/>7.2.3　共享内存274<br/>7.3　虚拟文件接口275<br/>7.3.1　vnode的内容275<br/>7.3.2　vnode的操作277<br/>7.3.3　路径名的转换278<br/>7.3.4　导出文件系统服务278<br/>7.4　独立于文件系统的服务279<br/>7.4.1　名字缓存281<br/>7.4.2　缓冲区管理282<br/>7.4.3　缓冲区管理的实现284<br/>7.5　可堆叠的文件系统285<br/>7.5.1　简单的文件系统层287<br/>7.5.2　联合文件系统288<br/>7.5.3　其他文件系统290<br/>习题291<br/>第8章　设备292<br/>8.1　设备概述292<br/>8.1.1　PC I/O体系结构293<br/>8.1.2　FreeBSD大容量存储I/O子系统的结构295<br/>8.1.3　设备命名和访问296<br/>8.2　从用户到设备的I/O映射297<br/>8.2.1　设备驱动程序298<br/>8.2.2　I/O队列299<br/>8.2.3　中断处理299<br/>8.3　字符设备299<br/>8.3.1　原始设备和物理I/O301<br/>8.3.2　面向字符的设备302<br/>8.3.3　字符设备驱动程序入口点302<br/>8.4　磁盘设备303<br/>8.4.1　磁盘设备驱动程序入口点303<br/>8.4.2　磁盘I/O请求排序303<br/>8.4.3　磁盘标签304<br/>8.5　网络设备305<br/>8.5.1　网络设备驱动程序入口点306<br/>8.5.2　配置与控制306<br/>8.5.3　数据包接收307<br/>8.5.4　数据包传输309<br/>8.6　终端处理309<br/>8.6.1　终端处理模式310<br/>8.6.2　用户接口312<br/>8.6.3　进程组、会话和终端控制313<br/>8.6.4　终端操作313<br/>8.6.5　终端输出（上半部分）314<br/>8.6.6　终端输出（下半部分）315<br/>8.6.7　终端输入315<br/>8.6.8　关闭终端设备316<br/>8.7　GEOM层316<br/>8.7.1　术语和拓扑规则317<br/>8.7.2　改变拓扑318<br/>8.7.3　操作320<br/>8.7.4　拓扑灵活性321<br/>8.8　CAM层322<br/>8.8.1　通过CAM子系统的SCSI I/O请求的路径323<br/>8.8.2　ATA磁盘325<br/>8.9　设备配置325<br/>8.9.1　设备标识327<br/>8.9.2　自动配置数据结构329<br/>8.9.3　资源管理333<br/>8.10　设备虚拟化334<br/>8.10.1　与虚拟机监控程序的交互335<br/>8.10.2　Virtio336<br/>8.10.3　Xen339<br/>8.10.4　设备直通346<br/>习题346<br/>第9章　快速文件系统348<br/>9.1　分层文件系统管理348<br/>9.2　inode结构350<br/>9.2.1　inode格式的改变351<br/>9.2.2　扩展属性352<br/>9.2.3　新的文件系统功能354<br/>9.2.4　文件标志355<br/>9.2.5　动态inode356<br/>9.2.6　inode管理357<br/>9.3　命名359<br/>9.3.1　目录359<br/>9.3.2　在目录中查找名称360<br/>9.3.3　路径名转换362<br/>9.3.4　链接363<br/>9.4　配额365<br/>9.5　文件锁定368<br/>9.6　软 新372<br/>9.6.1　在文件系统中的 新依赖373<br/>9.6.2　依赖的结构376<br/>9.6.3　位图依赖跟踪378<br/>9.6.4　inode依赖跟踪378<br/>9.6.5　直接块依赖跟踪379<br/>9.6.6　间接块依赖跟踪380<br/>9.6.7　新间接块的依赖跟踪381<br/>9.6.8　新目录入口的依赖跟踪382<br/>9.6.9　新目录依赖跟踪384<br/>9.6.10　目录入口移除依赖项跟踪385<br/>9.6.11　文件截断385<br/>9.6.12　文件和目录inode回收385<br/>9.6.13　目录入口重命名依赖关系跟踪386<br/>9.6.14　软 新的fsync请求386<br/>9.6.15　软 新的文件删除要求387<br/>9.6.16　fsck的软 新要求389<br/>9.7　文件系统快照389<br/>9.7.1　创建一个文件系统快照389<br/>9.7.2　维护文件系统快照391<br/>9.7.3　大文件系统快照392<br/>9.7.4　后台fsck393<br/>9.7.5　用户可见的快照394<br/>9.7.6　实时转储394<br/>9.8　日志软 新394<br/>9.8.1　背景和简介395<br/>9.8.2　与其他实现的兼容性395<br/>9.8.3　日志格式395<br/>9.8.4　需要日志记录的修改396<br/>9.8.5　日志的额外需求397<br/>9.8.6　恢复进程398<br/>9.8.7　性能399<br/>9.8.8　未来工作400<br/>9.8.9　跟踪文件移除依赖400<br/>9.9　本地文件存储402<br/>9.9.1　文件存储概述402<br/>9.9.2　用户I/O到一个文件的过程404<br/>9.10　伯克利快速文件系统406<br/>9.10.1　伯克利快速文件系统的组织406<br/>9.10.2　启动块408<br/>9.10.3　优化存储利用率408<br/>9.10.4　对文件进行读写409<br/>9.10.5　布局策略411<br/>9.10.6　分配机制413<br/>9.10.7　块聚类416<br/>9.10.8　基于分区的分配418<br/>习题419<br/> 0章　Zettabyte文件系统421<br/> 1章　网络文件系统422<br/>11.1　概述422<br/>11.2　结构和操作424<br/>11.2.1　FreeBSD NFS的实现428<br/>11.2.2　客户端-服务器端交互432<br/>11.2.3　安全问题432<br/>11.2.4　性能提升技巧433<br/>11.3　NFS演进435<br/>11.3.1　命名空间439<br/>11.3.2　属性440<br/>11.3.3　访问控制列表441<br/>11.3.4　缓存、代理和回调441<br/>11.3.5　锁447<br/>11.3.6　安全448<br/>11.3.7　崩溃恢复450<br/>习题451<br/>第四部分　进程间通信<br/> 2章　进程间通信454<br/>12.1　进程间交互模型454<br/>12.2　实现结构和概述458<br/>12.3　内存管理460<br/>12.3.1　mbuf460<br/>12.3.2　存储管理算法463<br/>12.3.3　mbuf实用例程463<br/>12.4　IPC数据结构464<br/>12.4.1　套接字地址468<br/>12.4.2　锁469<br/>12.5　建立连接469<br/>12.6　数据传输471<br/>12.6.1　传输数据471<br/>12.6.2　接收数据473<br/>12.7　关闭套接字475<br/>12.8　网络通信协议的内部结构476<br/>12.8.1　数据流477<br/>12.8.2　通信协议478<br/>12.9　套接字到协议接口480<br/>12.9.1　用户请求协议例程481<br/>12.9.2　控制输出协议例程483<br/>12.10　协议到协议的接口484<br/>12.10.1　pr_output484<br/>12.10.2　pr_input485<br/>12.10.3　pr_ctlinput485<br/>12.11　协议到网络的接口486<br/>12.11.1　网络接口和链路层协议486<br/>12.11.2　数据包传输492<br/>12.11.3　数据包接收492<br/>12.12　缓冲和流控493<br/>12.12.1　缓冲协议策略494<br/>12.12.2　队列限制494<br/>12.13　网络虚拟化494<br/>习题496<br/> 3章　网络层协议498<br/>13.1　IPv4498<br/>13.1.1　IPv4地址500<br/>13.1.2　广播地址501<br/>13.1.3　Internet组播502<br/>13.1.4　链路层地址解析503<br/>13.2　ICMP504<br/>13.3　IPv6506<br/>13.3.1　IPv6地址507<br/>13.3.2　IPv6数据包格式509<br/>13.3.3　切换到套接字API510<br/>13.3.4　自动配置511<br/>13.4　Internet协议代码结构515<br/>13.4.1　输出515<br/>13.4.2　输入517<br/>13.4.3　转发518<br/>13.5　路由519<br/>13.5.1　内核路由表520<br/>13.5.2　路由选择查询522<br/>13.5.3　路由选择重定向525<br/>13.5.4　路由表接口525<br/>13.5.5　用户级路由选择策略526<br/>13.5.6　用户级路由选择接口：路由选择套接字526<br/>13.6　原始套接字527<br/>13.6.1　控制块528<br/>13.6.2　输入处理528<br/>13.6.3　输出处理529<br/>13.7　安全529<br/>13.7.1　IPSec概述530<br/>13.7.2　安全协议531<br/>13.7.3　密钥管理533<br/>13.7.4　IPSec实现537<br/>13.8　数据包处理框架539<br/>13.8.1　伯克利数据 滤器539<br/>13.8.2　IP防火墙540<br/>13.8.3　IPFW和Dummynet541<br/>13.8.4　数据 滤器544<br/>13.8.5　netgraph545<br/>13.8.6　netmap549<br/>习题551<br/> 4章　传输层协议553<br/>14.1　Internet端口与关联553<br/>14.2　用户数据报协议554<br/>14.2.1　初始化555<br/>14.2.2　输出555<br/>14.2.3　输入555<br/>14.2.4　控制操作556<br/>14.3　传输控制协议556<br/>14.3.1　TCP连接状态558<br/>14.3.2　序列变量561<br/>14.4　TCP算法562<br/>14.4.1　定时器563<br/>14.4.2　往返时间的估计565<br/>14.4.3　建立连接565<br/>14.4.4　SYN缓存567<br/>14.4.5　SYN cookie568<br/>14.4.6　关闭连接569<br/>14.5　TCP输入处理569<br/>14.6　TCP输出处理572<br/>14.6.1　发送数据573<br/>14.6.2　避免糊涂窗口综合征573<br/>14.6.3　避免小数据包574<br/>14.6.4　延迟确认与窗口 新575<br/>14.6.5　选择性确认575<br/>14.6.6　重传状态577<br/>14.6.7　慢启动578<br/>14.6.8　缓冲区与窗口大小579<br/>14.6.9　使用慢启动进行拥塞避免580<br/>14.6.10　快速重传581<br/>14.6.11　模块化拥塞控制582<br/>14.6.12　Vegas算法584<br/>14.6.13　Cubic算法584<br/>14.7　流控制传输协议585<br/>14.7.1　大数据块585<br/>14.7.2　关联建立586<br/>14.7.3　数据传输587<br/>14.7.4　关联关闭589<br/>14.7.5　多宿主和心跳589<br/>习题591<br/>第五部分　系统运行<br/>* 5章　系统启动与关闭594<br/>*术语表<br/>*参考文献

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