操作系统导论 本书特色

这是一本关于现代操作系统的书。全书围绕虚拟化、并发和持久性这3个主要概念展开，介绍了所有现代系统的主要组件（包括调度、虚拟内存管理、磁盘和I/O子系统、文件系统 ）。本书共50章，分为3个部分，分别讲述虚拟化、并发和持久性的相关内容。本书大部分章节均先提出特定的问题，然后通过书中介绍的技术、算法和思想来解决这些问题。笔者以对话形式引入所介绍的主题概念，行文诙谐幽默却又鞭辟入里，力求帮助读者理解操作系统中虚拟化、并发和持久性的原理。本书内容全面，并给出了真实可运行的代码（而非伪代码），还提供了相应的练习，适合高等院校相关专业教师教学和高校学生自学。

操作系统导论 内容简介

这是一本关于现代操作系统的书。全书围绕虚拟化、并发和持久性这3个主要概念展开，介绍了所有现代系统的主要组件（包括调度、虚拟内存管理、磁盘和I/O子系统、文件系统 ）。本书共50章，分为3个部分，分别讲述虚拟化、并发和持久性的相关内容。本书大部分章节均先提出特定的问题，然后通过书中介绍的技术、算法和思想来解决这些问题。笔者以对话形式引入所介绍的主题概念，行文诙谐幽默却又鞭辟入里，力求帮助读者理解操作系统中虚拟化、并发和持久性的原理。本书内容全面，并给出了真实可运行的代码（而非伪代码），还提供了相应的练习，适合高等院校相关专业教师教学和高校学生自学。

操作系统导论 目录

第 1章关于本书的对话1
第2章 操作系统介绍3
2.1虚拟化CPU4
2.2虚拟化内存6
2.3并发7
2.4持久性9
2.5设计目标11
2.6简单历史12
2.7小结15
参考资料15
第1部分 虚拟化
第3章关于虚拟化的对话18
第4章抽象：进程19
4.1抽象：进程20
4.2进程API20
4.3进程创建：更多细节21
4.4进程状态22
4.5数据结构24
4.6小结25
参考资料25
作业26
问题26
第5章插叙：进程API28
5.1fork()系统调用28
5.2wait()系统调用29
5.3*后是exec()系统调用30
5.4为什么这样设计API32
5.5其他API34
5.6小结34
参考资料34
作业（编码）35
问题35
第6章机制：受限直接执行37
6.1基本技巧：受限直接执行37
6.2问题1：受限制的操作38
6.3问题2：在进程之间切换40
6.4担心并发吗44
6.5小结45
参考资料45
作业（测量）47
第7章进程调度：介绍48
7.1工作负载假设48
7.2调度指标49
7.3先进先出（FIFO）49
7.4*短任务优先（SJF）50
7.5*短完成时间优先（STCF）51
7.6新度量指标：响应时间52
7.7轮转52
7.8结合I/O54
7.9无法预知54
7.10小结55
参考资料55
作业56
问题56
第8章调度：多级反馈队列57
8.1MLFQ：基本规则57
8.2尝试 #1：如何改变优先级58
8.3尝试 #2：提升优先级60
8.4尝试 #3：更好的计时方式61
8.5MLFQ调优及其他问题61
8.6MLFQ：小结62
参考资料63
作业64
问题64
第9章调度：比例份额65
9.1基本概念：彩票数表示份额65
9.2彩票机制66
9.3实现67
9.4一个例子68
9.5如何分配彩票68
9.6为什么不是确定的69
9.7小结70
参考资料70
作业71
问题71
第10章 多处理器调度（高级）73
10.1背景：多处理器架构73
10.2别忘了同步75
10.3*后一个问题：缓存亲和度76
10.4单队列调度76
10.5多队列调度77
10.6Linux 多处理器调度79
10.7小结79
参考资料79
第11章 关于CPU虚拟化的总结对话81
第12章 关于内存虚拟化的对话83
第13章 抽象：地址空间85
13.1早期系统85
13.2多道程序和时分共享85
13.3地址空间86
13.4目标87
13.5小结89
参考资料89
第14章 插叙：内存操作API91
14.1内存类型91
14.2malloc()调用92
14.3free()调用93
14.4常见错误93
14.5底层操作系统支持96
14.6其他调用97
14.7小结97
参考资料97
作业（编码）98
问题98
第15章 机制：地址转换100
15.1假设101
15.2一个例子101
15.3动态（基于硬件）重定位103
15.4硬件支持：总结105
15.5操作系统的问题105
15.6小结108
参考资料109
作业110
问题110
第16章 分段111
16.1分段：泛化的基址/界限111
16.2我们引用哪个段113
16.3栈怎么办114
16.4支持共享114
16.5细粒度与粗粒度的分段115
16.6操作系统支持115
16.7小结117
参考资料117
作业118
问题119
第17章 空闲空间管理120
17.1假设120
17.2底层机制121
17.3基本策略126
17.4其他方式128
17.5小结130
参考资料130
作业131
问题131
第18章 分页：介绍132
18.1一个简单例子132
18.2页表存在哪里134
18.3列表中究竟有什么135
18.4分页：也很慢136
18.5内存追踪137
18.6小结139
参考资料139
作业140
问题140
第19章 分页：快速地址转换（TLB）142
19.1TLB的基本算法142
19.2示例：访问数组143
19.3谁来处理TLB未命中145
19.4TLB的内容146
19.5上下文切换时对TLB的处理147
19.6TLB替换策略149
19.7实际系统的TLB表项149
19.8小结150
参考资料151
作业（测量）152
问题153
第20章 分页：较小的表154
20.1简单的解决方案：更大的页154
20.2混合方法：分页和分段155
20.3多级页表157
20.4反向页表162
20.5将页表交换到磁盘163
20.6小结163
参考资料163
作业164
问题164
第21章 超越物理内存：机制165
21.1交换空间165
21.2存在位166
21.3页错误167
21.4内存满了怎么办168
21.5页错误处理流程168
21.6交换何时真正发生169
21.7小结170
参考资料171
第22章 超越物理内存：策略172
22.1缓存管理172
22.2*优替换策略173
22.3简单策略：FIFO175
22.4另一简单策略：随机176
22.5利用历史数据：LRU177
22.6工作负载示例178
22.7实现基于历史信息的算法180
22.8近似LRU181
22.9考虑脏页182
22.10其他虚拟内存策略182
22.11抖动183
22.12小结183
参考资料183
作业185
问题185
第23章 VAX/VMS虚拟内存系统186
23.1背景186
23.2内存管理硬件186
23.3一个真实的地址空间187
23.4页替换189
23.5其他漂亮的虚拟内存技巧190
23.6小结191
参考资料191
第24章 内存虚拟化总结对话193
第2部分 并发
第25章 关于并发的对话196
第26章 并发：介绍198
26.1实例：线程创建199
26.2为什么更糟糕：共享数据201
26.3核心问题：不可控的调度203
26.4原子性愿望205
26.5还有一个问题：等待另一个
线程206
26.6小结：为什么操作系统课要研究
并发207
参考资料207
作业208
问题208
第27章 插叙：线程API210
27.1线程创建210
27.2线程完成211
27.3锁214
27.4条件变量215
27.5编译和运行217
27.6小结217
参考资料218
第28章 锁219
28.1锁的基本思想219
28.2Pthread锁220
28.3实现一个锁220
28.4评价锁220
28.5控制中断221
28.6测试并设置指令（原子交换）222
28.7实现可用的自旋锁223
28.8评价自旋锁225
28.9比较并交换225
28.10链接的加载和条件式存储指令226
28.11获取并增加228
28.12自旋过多：怎么办229
28.13简单方法：让出来吧，宝贝229
28.14使用队列：休眠替代自旋230
28.15不同操作系统，不同实现232
28.16两阶段锁233
28.17小结233
参考资料233
作业235
问题235
第29章 基于锁的并发数据结构237
29.1并发计数器237
29.2并发链表241
29.3并发队列244
29.4并发散列表245
29.5小结246
参考资料247
第30章条件变量249
30.1定义和程序250
30.2生产者/消费者（有界缓冲区）
问题252
30.3覆盖条件260
30.4小结261
参考资料261
第31章信号量263
31.1信号量的定义263
31.2二值信号量（锁）264
31.3信号量用作条件变量266
31.4生产者/消费者（有界缓冲区）
问题268
31.5读者—写者锁271
31.6哲学家就餐问题273
31.7如何实现信号量275
31.8小结276
参考资料276
第32章常见并发问题279
32.1有哪些类型的缺陷279
32.2非死锁缺陷280
32.3死锁缺陷282
32.4小结288
参考资料289
第33章基于事件的并发（进阶）291
33.1基本想法：事件循环291
33.2重要API：select()（或poll()）292
33.3使用select()293
33.4为何更简单？无须锁294
33.5一个问题：阻塞系统调用294
33.6解决方案：异步I/O294
33.7另一个问题：状态管理296
33.8什么事情仍然很难297
33.9小结298
参考资料298
第34章并发的总结对话300
第3部分持久性
第35章关于持久性的对话302
第36章I/O设备303
36.1系统架构303
36.2标准设备304
36.3标准协议304
36.4利用中断减少CPU开销305
36.5利用DMA进行更高效的数据
传送306
36.6设备交互的方法307
36.7纳入操作系统：设备驱动程序307
36.8案例研究：简单的IDE磁盘驱动
程序309
36.9历史记录311
36.10小结311
参考资料312
第37章磁盘驱动器314
37.1接口314
37.2基本几何形状314
37.3简单的磁盘驱动器315
37.4I/O时间：用数学318
37.5磁盘调度320
37.6小结323
参考资料323
作业324
问题324
第38章廉价冗余磁盘阵列（RAID）326
38.1接口和RAID内部327
38.2故障模型327
38.3如何评估RAID328
38.4RAID 0级：条带化328
38.5RAID 1级：镜像331
38.6RAID 4级：通过奇偶校验节省
空间333
38.7RAID 5级：旋转奇偶校验336
38.8RAID比较：总结337
38.9其他有趣的RAID问题338
38.10小结338
参考资料339
作业340
问题340
第39章插叙：文件和目录342
39.1文件和目录342
39.2文件系统接口343
39.3创建文件343
39.4读写文件344
39.5读取和写入，但不按顺序346
39.6用fsync()立即写入346
39.7文件重命名347
39.8获取文件信息348
39.9删除文件349
39.10创建目录349
39.11读取目录350
39.12删除目录351
39.13硬链接351
39.14符号链接353
39.15创建并挂载文件系统354
39.16总结355
参考资料355
作业356
问题356
第40章文件系统实现357
40.1思考方式357
40.2整体组织358
40.3文件组织：inode359
40.4目录组织363
40.5空闲空间管理364
40.6访问路径：读取和写入364
40.7缓存和缓冲367
40.8小结369
参考资料369
作业370
问题371
第41章局部性和快速文件系统372
41.1问题：性能不佳372
41.2FFS：磁盘意识是解决方案373
41.3组织结构：柱面组373
41.4策略：如何分配文件和目录374
41.5测量文件的局部性375
41.6大文件例外376
41.7关于FFS的其他几件事377
41.8小结378
参考资料378
第42章崩溃一致性：FSCK和日志380
42.1一个详细的例子380
42.2解决方案＃1：文件系统检查
程序383
42.3解决方案＃2：日志
（或预写日志）384
42.4解决方案＃3：其他方法392
42.5小结393
参考资料393
第43章日志结构文件系统395
43.1按顺序写入磁盘396
43.2顺序而高效地写入396
43.3要缓冲多少397
43.4问题：查找inode398
43.5通过间接解决方案：inode映射398
43.6检查点区域399
43.7从磁盘读取文件：回顾400
43.8目录如何400
43.9一个新问题：垃圾收集401
43.10确定块的死活402
43.11策略问题：要清理哪些块，
何时清理403
43.12崩溃恢复和日志403
43.13小结404
参考资料404
第44章数据完整性和保护407
44.1磁盘故障模式407
44.2处理潜在的扇区错误409
44.3检测讹误：校验和409
44.4使用校验和412
44.5一个新问题：错误的写入412
44.6*后一个问题：丢失的写入413
44.7擦净413
44.8校验和的开销414
44.9小结414
参考资料414
第45章关于持久的总结对话417
第46章关于分布式的对话418
第47章分布式系统419
47.1通信基础420
47.2不可靠的通信层420
47.3可靠的通信层422
47.4通信抽象424
47.5远程过程调用（RPC）425
47.6小结428
参考资料429
第48章Sun的网络文件系统（NFS）430
48.1基本分布式文件系统430
48.2交出NFS431
48.3关注点：简单快速的服务器崩溃
恢复431
48.4快速崩溃恢复的关键：无状态432
48.5NFSv2协议433
48.6从协议到分布式文件系统434
48.7利用幂等操作处理服务器故障435
48.8提高性能：客户端缓存437
48.9缓存一致性问题437
48.10评估NFS的缓存一致性439
48.11服务器端写缓冲的隐含意义439
48.12小结440
参考资料440
第49章Andrew文件系统（AFS）442
49.1AFS版本1442
49.2版本1的问题443
49.3改进协议444
49.4AFS版本2444
49.5缓存一致性446
49.6崩溃恢复447
49.7AFSv2的扩展性和性能448
49.8AFS：其他改进450
49.9小结450
参考资料451
作业452
问题452
第50章关于分布式的总结对话453
附录A关于虚拟机监视器的对话454
附录B虚拟机监视器455
附录C关于监视器的对话466
附录D关于实验室的对话467
附录E实验室：指南468
附录F实验室：系统项目478
附录G实验室：xv6项目480

操作系统导论 作者简介

雷姆兹·H.阿帕希杜塞尔（Remzi H.Arpaci-Dusseau）和安德莉亚·C.阿帕希杜塞尔（Andrea C.Arpaci-Dusseau）夫妇是美国威斯康星大学计算机科学教授。二人都从事计算机操作系统方面的教学和研究。