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第一篇 基础原理篇3

第1章 操作系统导论3

引子：智者的挑战3

1.1人造与神造5

1.2程序是如何运行的8

1.3什么是操作系统10

1.4魔术与管理12

1.5用户程序与操作系统14

1.6操作系统的范畴15

1.7为什么学习操作系统17

思考题19

第2章 操作系统历史20

引子：不能承受之真20

2.1第一阶段：状态机操作系统（1940年以前）22

2.2第二阶段：单一操作员单一控制端操作系统（20世纪40年代）23

2.3第三阶段：批处理操作系统（20世纪50年代）23

2.4第四代：多道批处理操作系统（20世纪60年代）26

2.5第五代之一：分时操作系统（20世纪70年代）27

2.6第五代之二：实时操作系统29

2.7第六代：现代操作系统（1980年以后）30

2.8操作系统的演变过程31

2.9操作系统的未来发展趋势34

2.10讨论：操作系统虚拟化和虚拟化的操作系统36

思考题37

第3章 操作系统基本概念39

引子：软件师的尴尬39

3.1计算机硬件基本知识41

3.2抽象44

3.3内核态和用户态45

3.4操作系统结构47

3.5进程、内存和文件50

3.6系统调用50

3.7壳52

思考题56

第二篇 进程原理篇59

第4章 进程59

引子：牛顿的困惑59

4.1进程概论60

4.2进程模型61

4.3多道编程的好处62

4.4进程的产生与消失66

4.5进程的层次结构67

4.6进程的状态67

4.7进程与地址空间69

4.8进程管理70

4.9进程的缺陷73

思考题74

第5章 进程调度75

引子：恐怖分子的调度75

5.1进程调度的定义77

5.2进程调度的目标78

5.3先来先服务调度算法79

5.4时间片轮转算法79

5.5短任务优先算法81

5.6优先级调度算法84

5.7混合调度算法84

5.8其他调度算法85

5.9实时调度算法86

5.10进程调度的过程88

5.11高级议题：调度异常之优先级倒挂89

思考题91

第6章 进程通信93

引子：孤独爆破手的自白93

6.1为什么要通信94

6.2进程对白：管道、记名管道、套接字94

6.3进程电报：信号100

6.4进程旗语：信号量101

6.5进程拥抱：共享内存103

6.6信件发送：消息队列104

6.7其他通信机制104

思考题105

第三篇 线程原理篇109

第7章 线程109

引子：亚历山大的分身术109

7.1进程的分身术——线程110

7.2线程管理111

7.3线程模型的实现112

7.4现代操作系统的线程实现模型118

7.5多线程的关系119

7.6讨论：从用户态进入内核态120

7.7讨论：线程的困惑——确定性与非确定性121

思考题123

第8章 线程同步125

引子：滑铁卢的同步125

8.1为什么要同步126

8.2线程同步的目的128

8.3锁的进化：金鱼生存129

8.4睡觉与叫醒：生产者与消费者问题138

8.5信号量143

8.6锁、睡觉与叫醒、信号量145

8.7管程147

8.8消息传递152

8.9栅栏154

思考题155

第9章 死锁应对之哲学原理158

引子：迷雾笼罩的加拿大158

9.1为什么会发生死锁159

9.2死锁的描述160

9.3死锁的4个必要条件162

9.4哲学家就餐问题163

9.5死锁的应对164

9.6消除死锁的必要条件172

9.7银行家算法：冒险的代价175

9.8哲学家就餐问题之解178

9.9讨论：死锁的思考——综合治理181

9.10讨论：死锁、活锁与饥饿182

思考题183

第10章 锁的实现185

引子：高登绳结185

10.1以中断启用与禁止来实现锁187

10.2以测试与设置指令来实现锁189

10.3以非繁忙等待、中断启用与禁止来实现锁191

10.4以最少繁忙等待、测试与设置来实现锁195

10.5中断禁止、测试与设置197

思考题198

第四篇 内存原理篇203

第11章 基本内存管理203

引子：让别人无路可走203

11.1内存管理的环境204

11.2内存管理的目标205

11.3虚拟内存的概念207

11.4操作系统在内存中的位置208

11.5单道编程的内存管理211

11.6多道编程的内存管理212

11.7闲置空间管理220

思考题222

第12章 页式内存管理224

引子：虚拟概念的变现224

12.1基址极限管理模式的问题225

12.2分页内存管理228

12.3分页系统的优缺点233

12.4翻译速度236

12.5缺页中断处理238

12.6锁住页面238

12.7页面尺寸239

12.8内存抖动240

思考题243

第13章 页面更换算法245

引子：黑洞理论的替换245

13.1页面需要更换246

13.2页面更换的目标247

13.3随机更换算法248

13.4先进先出算法249

13.5第二次机会算法249

13.6时钟算法250

13.7最优更换算法252

13.8 NRU算法252

13.9 LRU算法254

13.10工作集算法261

13.11工作集时钟算法264

13.12页面替换策略265

思考题266

第14章 段式内存管理268

引子：否定之否定268

14.1分页系统的缺点269

14.2分段管理系统271

14.3分段的优缺点274

14.4段页式内存管理275

14.5段号是否占用寻址字位277

14.6讨论：否定之否定的嵌套——纯粹分段与逻辑分段、分页与段页278

思考题279

第五篇 文件原理篇283

第15章 磁盘操作283

引子：EMC——从不可能到可能283

15.1磁盘组织与管理284

15.2磁盘的结构285

15.3盘面的结构286

15.4磁盘驱动器的访问速度287

15.5操作系统界面290

15.6磁盘调度算法291

15.7讨论：固态盘295

15.8讨论：智能磁盘系统296

思考题297

第16章 文件系统298

引子：掩饰的极致298

16.1为什么需要文件系统299

16.2文件系统300

16.3文件系统的目标301

16.4文件的基本知识301

16.5从用户角度看文件系统301

16.6地址独立的实现机制：文件夹310

16.7文件系统调用313

16.8内存映射的文件访问315

思考题316

第17章 文件系统实现317

引子：成功中的失败317

17.1文件系统的布局319

17.2文件的实现321

17.3目录实现：地址独立的实现330

17.4闲置空间管理337

思考题338

第18章 文件系统性能340

引子：从不可能到可能340

18.1文件授权管理341

18.2主动控制：访问控制表342

18.3能力表344

18.4访问控制的实施346

18.5其他文件安全措施348

18.6文件系统性能348

18.7文件系统效率性能358

18.8文件系统设计分析：日志结构的文件系统362

18.9海量数据文件系统365

思考题366

第六篇 I/O原理篇371

第19章 输入输出371

引子：约翰逊的输出——从没有到爆发371

19.1输入输出372

19.2输入输出的目的373

19.3输入输出硬件374

19.4 I/O软件382

19.5 I/O软件分层386

思考题391

第七篇 多核原理篇395

第20章 多核结构与内存395

引子：不能承受之热395

20.1以量取胜396

20.2多核基本概念397

20.3多核的内存结构402

20.4对称多处理器计算机的启动过程404

20.5多处理器之间的通信405

20.6 SMP缓存一致性407

20.7多处理器、超线程和多核的比较408

思考题409

第21章 多核环境下的进程同步与调度410

引子：“多核”帝国的陨落410

21.1多核环境下操作系统的修正411

21.2多核环境下的进程同步与调度412

21.3多核进程同步412

21.4硬件原子操作413

21.5总线锁413

21.6多核环境下的软件同步原语414

21.7旋锁414

21.8其他同步原语418

21.9多核环境下的进程调度418

21.10多核环境下的能耗管理422

21.11讨论：多核系统的性能424

思考题427

第八篇 操作系统设计篇431

第22章 操作系统设计之哲学原理431

引子：残缺心智的胜利431

22.1操作系统设计的追求434

22.2操作系统设计的第1条哲学原理：层次架构435

22.3操作系统设计的第2条哲学原理：没有对错436

22.4操作系统设计的第3条哲学原理：懒人哲学437

22.5操作系统设计的第4条哲学原理：让困于人439

22.6操作系统设计的第5条哲学原理：留有余地440

22.7操作系统设计的第6条哲学原理：子虚乌有——海市蜃楼之美441

22.8操作系统设计的第7条哲学原理：时空转换——沧海桑田之变442

22.9操作系统设计的第8条哲学原理：策机分离与权利分离442

22.10操作系统设计的第9条哲学原理：简单为美——求于至简，归于永恒443

22.11操作系统设计的第10条哲学原理：适可而止444

思考题445

结语：失望与希望446

参考文献449