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操作系統(tǒng)導論

出版社：人民郵電出版社出版時間：2018-06-01
開本： 其他 頁數(shù)： 482
讀者評分：5分1條評論
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操作系統(tǒng)導論 版權(quán)信息

操作系統(tǒng)導論 本書特色

這是一本關(guān)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)的書。全書圍繞虛擬化、并發(fā)和持久性這3個主要概念展開，介紹了所有現(xiàn)代系統(tǒng)的主要組件（包括調(diào)度、虛擬內(nèi)存管理、磁盤和I/O子系統(tǒng)、文件系統(tǒng) ）。 本書共50章，分為3個部分，分別講述虛擬化、并發(fā)和持久性的相關(guān)內(nèi)容。本書大部分章節(jié)均先提出特定的問題，然后通過書中介紹的技術(shù)、算法和思想來解決這些問題。筆者以對話形式引入所介紹的主題概念，行文詼諧幽默卻又鞭辟入里，力求幫助讀者理解操作系統(tǒng)中虛擬化、并發(fā)和持久性的原理。 本書內(nèi)容全面，并給出了真實可運行的代碼（而非偽代碼），還提供了相應(yīng)的練習，適合高等院校相關(guān)專業(yè)教師教學和高校學生自學。

操作系統(tǒng)導論 內(nèi)容簡介

這是一本關(guān)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)的書。全書圍繞虛擬化、并發(fā)和持久性這3個主要概念展開，介紹了所有現(xiàn)代系統(tǒng)的主要組件（包括調(diào)度、虛擬內(nèi)存管理、磁盤和I/O子系統(tǒng)、文件系統(tǒng) ）。 本書共50章，分為3個部分，分別講述虛擬化、并發(fā)和持久性的相關(guān)內(nèi)容。本書大部分章節(jié)均先提出特定的問題，然后通過書中介紹的技術(shù)、算法和思想來解決這些問題。筆者以對話形式引入所介紹的主題概念，行文詼諧幽默卻又鞭辟入里，力求幫助讀者理解操作系統(tǒng)中虛擬化、并發(fā)和持久性的原理。 本書內(nèi)容全面，并給出了真實可運行的代碼（而非偽代碼），還提供了相應(yīng)的練習，適合高等院校相關(guān)專業(yè)教師教學和高校學生自學。

操作系統(tǒng)導論 目錄

第 1章 關(guān)于本書的對話 1

第　2章 操作系統(tǒng)介紹　3

2.1　虛擬化CPU　4

2.2　虛擬化內(nèi)存　6

2.3　并發(fā)　7

2.4　持久性　9

2.5　設(shè)計目標　11

2.6　簡單歷史　12

2.7　小結(jié)　15

參考資料　15



第　1部分 虛擬化



第3章　關(guān)于虛擬化的對話　18

第4章　抽象：進程　19

4.1　抽象：進程　20

4.2　進程API　20

4.3　進程創(chuàng)建：更多細節(jié)　21

4.4　進程狀態(tài)　22

4.5　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　24

4.6　小結(jié)　25

參考資料　25

作業(yè)　26

問題　26

第5章　插敘：進程API　28

5.1　fork()系統(tǒng)調(diào)用　28

5.2　wait()系統(tǒng)調(diào)用　29

5.3　*后是exec()系統(tǒng)調(diào)用　30

5.4　為什么這樣設(shè)計API　32

5.5　其他API　34

5.6　小結(jié)　34

參考資料　34

作業(yè)（編碼）　35

問題　35

第6章　機制：受限直接執(zhí)行　37

6.1　基本技巧：受限直接執(zhí)行　37

6.2　問題1：受限制的操作　38

6.3　問題2：在進程之間切換　40

6.4　擔心并發(fā)嗎　44

6.5　小結(jié)　45

參考資料　45

作業(yè)（測量）　47

第7章　進程調(diào)度：介紹　48

7.1　工作負載假設(shè)　48

7.2　調(diào)度指標　49

7.3　先進先出（FIFO）　49

7.4　*短任務(wù)優(yōu)先（SJF）　50

7.5　*短完成時間優(yōu)先（STCF）　51

7.6　新度量指標：響應(yīng)時間　52

7.7　輪轉(zhuǎn)　52

7.8　結(jié)合I/O　54

7.9　無法預知　54

7.10　小結(jié)　55

參考資料　55

作業(yè)　56

問題　56

第8章　調(diào)度：多級反饋隊列　57

8.1　MLFQ：基本規(guī)則　57

8.2　嘗試 #1：如何改變優(yōu)先級　58

8.3　嘗試 #2：提升優(yōu)先級　60

8.4　嘗試 #3：更好的計時方式　61

8.5　MLFQ調(diào)優(yōu)及其他問題　61

8.6　MLFQ：小結(jié)　62

參考資料　63

作業(yè)　64

問題　64

第9章　調(diào)度：比例份額　65

9.1　基本概念：彩票數(shù)表示份額　65

9.2　彩票機制　66

9.3　實現(xiàn)　67

9.4　一個例子　68

9.5　如何分配彩票　68

9.6　為什么不是確定的　69

9.7　小結(jié)　70

參考資料　70

作業(yè)　71

問題　71

第　10章 多處理器調(diào)度（高級）　73

10.1　背景：多處理器架構(gòu)　73

10.2　別忘了同步　75

10.3　*后一個問題：緩存親和度　76

10.4　單隊列調(diào)度　76

10.5　多隊列調(diào)度　77

10.6　Linux 多處理器調(diào)度　79

10.7　小結(jié)　79

參考資料　79

第　11章 關(guān)于CPU虛擬化的總結(jié)對話　81

第　12章 關(guān)于內(nèi)存虛擬化的對話　83

第　13章 抽象：地址空間　85

13.1　早期系統(tǒng)　85

13.2　多道程序和時分共享　85

13.3　地址空間　86

13.4　目標　87

13.5　小結(jié)　89

參考資料　89

第　14章 插敘：內(nèi)存操作API　91

14.1　內(nèi)存類型　91

14.2　malloc()調(diào)用　92

14.3　free()調(diào)用　93

14.4　常見錯誤　93

14.5　底層操作系統(tǒng)支持　96

14.6　其他調(diào)用　97

14.7　小結(jié)　97

參考資料　97

作業(yè)（編碼）　98

問題　98

第　15章 機制：地址轉(zhuǎn)換　100

15.1　假設(shè)　101

15.2　一個例子　101

15.3　動態(tài)（基于硬件）重定位　103

15.4　硬件支持：總結(jié)　105

15.5　操作系統(tǒng)的問題　105

15.6　小結(jié)　108

參考資料　109

作業(yè)　110

問題　110

第　16章 分段　111

16.1　分段：泛化的基址/界限　111

16.2　我們引用哪個段　113

16.3　棧怎么辦　114

16.4　支持共享　114

16.5　細粒度與粗粒度的分段　115

16.6　操作系統(tǒng)支持　115

16.7　小結(jié)　117

參考資料　117

作業(yè)　118

問題　119

第　17章 空閑空間管理　120

17.1　假設(shè)　120

17.2　底層機制　121

17.3　基本策略　126

17.4　其他方式　128

17.5　小結(jié)　130

參考資料　130

作業(yè)　131

問題　131

第　18章 分頁：介紹　132

18.1　一個簡單例子　132

18.2　頁表存在哪里　134

18.3　列表中究竟有什么　135

18.4　分頁：也很慢　136

18.5　內(nèi)存追蹤　137

18.6　小結(jié)　139

參考資料　139

作業(yè)　140

問題　140

第　19章 分頁：快速地址轉(zhuǎn)換（TLB）　142

19.1　TLB的基本算法　142

19.2　示例：訪問數(shù)組　143

19.3　誰來處理TLB未命中　145

19.4　TLB的內(nèi)容　146

19.5　上下文切換時對TLB的處理　147

19.6　TLB替換策略　149

19.7　實際系統(tǒng)的TLB表項　149

19.8　小結(jié)　150

參考資料　151

作業(yè)（測量）　152

問題　153

第　20章 分頁：較小的表　154

20.1　簡單的解決方案：更大的頁　154

20.2　混合方法：分頁和分段　155

20.3　多級頁表　157

20.4　反向頁表　162

20.5　將頁表交換到磁盤　163

20.6　小結(jié)　163

參考資料　163

作業(yè)　164

問題　164

第　21章 超越物理內(nèi)存：機制　165

21.1　交換空間　165

21.2　存在位　166

21.3　頁錯誤　167

21.4　內(nèi)存滿了怎么辦　168

21.5　頁錯誤處理流程　168

21.6　交換何時真正發(fā)生　169

21.7　小結(jié)　170

參考資料　171

第　22章 超越物理內(nèi)存：策略　172

22.1　緩存管理　172

22.2　*優(yōu)替換策略　173

22.3　簡單策略：FIFO　175

22.4　另一簡單策略：隨機　176

22.5　利用歷史數(shù)據(jù)：LRU　177

22.6　工作負載示例　178

22.7　實現(xiàn)基于歷史信息的算法　180

22.8　近似LRU　181

22.9　考慮臟頁　182

22.10　其他虛擬內(nèi)存策略　182

22.11　抖動　183

22.12　小結(jié)　183

參考資料　183

作業(yè)　185

問題　185

第　23章 VAX/VMS虛擬內(nèi)存系統(tǒng)　186

23.1　背景　186

23.2　內(nèi)存管理硬件　186

23.3　一個真實的地址空間　187

23.4　頁替換　189

23.5　其他漂亮的虛擬內(nèi)存技巧　190

23.6　小結(jié)　191

參考資料　191

第　24章 內(nèi)存虛擬化總結(jié)對話　193



第　2部分 并發(fā)



第　25章 關(guān)于并發(fā)的對話　196

第　26章 并發(fā)：介紹　198

26.1　實例：線程創(chuàng)建　199

26.2　為什么更糟糕：共享數(shù)據(jù)　201

26.3　核心問題：不可控的調(diào)度　203

26.4　原子性愿望　205

26.5　還有一個問題：等待另一個

線程　206

26.6　小結(jié)：為什么操作系統(tǒng)課要研究

并發(fā)　207

參考資料　207

作業(yè)　208

問題　208

第　27章 插敘：線程API　210

27.1　線程創(chuàng)建　210

27.2　線程完成　211

27.3　鎖　214

27.4　條件變量　215

27.5　編譯和運行　217

27.6　小結(jié)　217

參考資料　218

第　28章 鎖　219

28.1　鎖的基本思想　219

28.2　Pthread鎖　220

28.3　實現(xiàn)一個鎖　220

28.4　評價鎖　220

28.5　控制中斷　221

28.6　測試并設(shè)置指令（原子交換）　222

28.7　實現(xiàn)可用的自旋鎖　223

28.8　評價自旋鎖　225

28.9　比較并交換　225

28.10　鏈接的加載和條件式存儲指令　226

28.11　獲取并增加　228

28.12　自旋過多：怎么辦　229

28.13　簡單方法：讓出來吧，寶貝　229

28.14　使用隊列：休眠替代自旋　230

28.15　不同操作系統(tǒng)，不同實現(xiàn)　232

28.16　兩階段鎖　233

28.17　小結(jié)　233

參考資料　233

作業(yè)　235

問題　235

第　29章 基于鎖的并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　237

29.1　并發(fā)計數(shù)器　237

29.2　并發(fā)鏈表　241

29.3　并發(fā)隊列　244

29.4　并發(fā)散列表　245

29.5　小結(jié)　246

參考資料　247

第30章　條件變量　249

30.1　定義和程序　250

30.2　生產(chǎn)者/消費者（有界緩沖區(qū)）

問題　252

30.3　覆蓋條件　260

30.4　小結(jié)　261

參考資料　261

第31章　信號量　263

31.1　信號量的定義　263

31.2　二值信號量（鎖）　264

31.3　信號量用作條件變量　266

31.4　生產(chǎn)者/消費者（有界緩沖區(qū)）

問題　268

31.5　讀者—寫者鎖　271

31.6　哲學家就餐問題　273

31.7　如何實現(xiàn)信號量　275

31.8　小結(jié)　276

參考資料　276

第32章　常見并發(fā)問題　279

32.1　有哪些類型的缺陷　279

32.2　非死鎖缺陷　280

32.3　死鎖缺陷　282

32.4　小結(jié)　288

參考資料　289

第33章　基于事件的并發(fā)（進階）　291

33.1　基本想法：事件循環(huán)　291

33.2　重要API：select()（或poll()）　292

33.3　使用select()　293

33.4　為何更簡單？無須鎖　294

33.5　一個問題：阻塞系統(tǒng)調(diào)用　294

33.6　解決方案：異步I/O　294

33.7　另一個問題：狀態(tài)管理　296

33.8　什么事情仍然很難　297

33.9　小結(jié)　298

參考資料　298

第34章　并發(fā)的總結(jié)對話　300



第3部分　持久性



第35章　關(guān)于持久性的對話　302

第36章　I/O設(shè)備　303

36.1　系統(tǒng)架構(gòu)　303

36.2　標準設(shè)備　304

36.3　標準協(xié)議　304

36.4　利用中斷減少CPU開銷　305

36.5　利用DMA進行更高效的數(shù)據(jù)

傳送　306

36.6　設(shè)備交互的方法　307

36.7　納入操作系統(tǒng)：設(shè)備驅(qū)動程序　307

36.8　案例研究：簡單的IDE磁盤驅(qū)動

程序　309

36.9　歷史記錄　311

36.10　小結(jié)　311

參考資料　312

第37章　磁盤驅(qū)動器　314

37.1　接口　314

37.2　基本幾何形狀　314

37.3　簡單的磁盤驅(qū)動器　315

37.4　I/O時間：用數(shù)學　318

37.5　磁盤調(diào)度　320

37.6　小結(jié)　323

參考資料　323

作業(yè)　324

問題　324

第38章　廉價冗余磁盤陣列（RAID）　326

38.1　接口和RAID內(nèi)部　327

38.2　故障模型　327

38.3　如何評估RAID　328

38.4　RAID 0級：條帶化　328

38.5　RAID 1級：鏡像　331

38.6　RAID 4級：通過奇偶校驗節(jié)省

空間　333

38.7　RAID 5級：旋轉(zhuǎn)奇偶校驗　336

38.8　RAID比較：總結(jié)　337

38.9　其他有趣的RAID問題　338

38.10　小結(jié)　338

參考資料　339

作業(yè)　340

問題　340

第39章　插敘：文件和目錄　342

39.1　文件和目錄　342

39.2　文件系統(tǒng)接口　343

39.3　創(chuàng)建文件　343

39.4　讀寫文件　344

39.5　讀取和寫入，但不按順序　346

39.6　用fsync()立即寫入　346

39.7　文件重命名　347

39.8　獲取文件信息　348

39.9　刪除文件　349

39.10　創(chuàng)建目錄　349

39.11　讀取目錄　350

39.12　刪除目錄　351

39.13　硬鏈接　351

39.14　符號鏈接　353

39.15　創(chuàng)建并掛載文件系統(tǒng)　354

39.16　總結(jié)　355

參考資料　355

作業(yè)　356

問題　356

第40章　文件系統(tǒng)實現(xiàn)　357

40.1　思考方式　357

40.2　整體組織　358

40.3　文件組織：inode　359

40.4　目錄組織　363

40.5　空閑空間管理　364

40.6　訪問路徑：讀取和寫入　364

40.7　緩存和緩沖　367

40.8　小結(jié)　369

參考資料　369

作業(yè)　370

問題　371

第41章　局部性和快速文件系統(tǒng)　372

41.1　問題：性能不佳　372

41.2　FFS：磁盤意識是解決方案　373

41.3　組織結(jié)構(gòu)：柱面組　373

41.4　策略：如何分配文件和目錄　374

41.5　測量文件的局部性　375

41.6　大文件例外　376

41.7　關(guān)于FFS的其他幾件事　377

41.8　小結(jié)　378

參考資料　378

第42章　崩潰一致性：FSCK和日志　380

42.1　一個詳細的例子　380

42.2　解決方案＃1：文件系統(tǒng)檢查

程序　383

42.3　解決方案＃2：日志

（或預寫日志）　384

42.4　解決方案＃3：其他方法　392

42.5　小結(jié)　393

參考資料　393

第43章　日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)　395

43.1　按順序?qū)懭氪疟P　396

43.2　順序而高效地寫入　396

43.3　要緩沖多少　397

43.4　問題：查找inode　398

43.5　通過間接解決方案：inode映射　398

43.6　檢查點區(qū)域　399

43.7　從磁盤讀取文件：回顧　400

43.8　目錄如何　400

43.9　一個新問題：垃圾收集　401

43.10　確定塊的死活　402

43.11　策略問題：要清理哪些塊，

何時清理　403

43.12　崩潰恢復和日志　403

43.13　小結(jié)　404

參考資料　404

第44章　數(shù)據(jù)完整性和保護　407

44.1　磁盤故障模式　407

44.2　處理潛在的扇區(qū)錯誤　409

44.3　檢測訛誤：校驗和　409

44.4　使用校驗和　412

44.5　一個新問題：錯誤的寫入　412

44.6　*后一個問題：丟失的寫入　413

44.7　擦凈　413

44.8　校驗和的開銷　414

44.9　小結(jié)　414

參考資料　414

第45章　關(guān)于持久的總結(jié)對話　417

第46章　關(guān)于分布式的對話　418

第47章　分布式系統(tǒng)　419

47.1　通信基礎(chǔ)　420

47.2　不可靠的通信層　420

47.3　可靠的通信層　422

47.4　通信抽象　424

47.5　遠程過程調(diào)用（RPC）　425

47.6　小結(jié)　428

參考資料　429

第48章　Sun的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）　430

48.1　基本分布式文件系統(tǒng)　430

48.2　交出NFS　431

48.3　關(guān)注點：簡單快速的服務(wù)器崩潰

恢復　431

48.4　快速崩潰恢復的關(guān)鍵：無狀態(tài)　432

48.5　NFSv2協(xié)議　433

48.6　從協(xié)議到分布式文件系統(tǒng)　434

48.7　利用冪等操作處理服務(wù)器故障　435

48.8　提高性能：客戶端緩存　437

48.9　緩存一致性問題　437

48.10　評估NFS的緩存一致性　439

48.11　服務(wù)器端寫緩沖的隱含意義　439

48.12　小結(jié)　440

參考資料　440

第49章　Andrew文件系統(tǒng)（AFS）　442

49.1　AFS版本1　442

49.2　版本1的問題　443

49.3　改進協(xié)議　444

49.4　AFS版本2　444

49.5　緩存一致性　446

49.6　崩潰恢復　447

49.7　AFSv2的擴展性和性能　448

49.8　AFS：其他改進　450

49.9　小結(jié)　450

參考資料　451

作業(yè)　452

問題　452

第50章　關(guān)于分布式的總結(jié)對話　453

附錄A　關(guān)于虛擬機監(jiān)視器的對話　454

附錄B　虛擬機監(jiān)視器　455

附錄C　關(guān)于監(jiān)視器的對話　466

附錄D　關(guān)于實驗室的對話　467

附錄E　實驗室：指南　468

附錄F　實驗室：系統(tǒng)項目　478

附錄G　實驗室：xv6項目　480



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操作系統(tǒng)導論 作者簡介

雷姆茲·H.阿帕希杜塞爾（Remzi H.Arpaci-Dusseau）和安德莉亞·C.阿帕希杜塞爾 （Andrea C.Arpaci-Dusseau）夫婦是美國威斯康星大學計算機科學教授。二人都從事計算機操作系統(tǒng)方面的教學和研究。

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