操作系统 精髓与设计原理PDF电子书下载

第0章 读者和教师指南 1

0.1本书概述 2

0.2实例系统 2

0.3读者和教师学习路线图 3

0.4互联网和网站资源 4

本书配套的网站 4

其他网站 4

第1部分 背景 5

第1章 计算机系统概述 5

1.1基本组成 6

1.2微处理器的发展 7

1.3指令的执行 8

1.4中断 10

1.4.1中断和指令周期 11

1.4.2中断处理 15

1.4.3多个中断 17

1.5分级存储体系 19

1.6高速缓存 22

1.6.1动机 22

1.6.2高速缓存的原理 22

1.6.3高速缓存的设计 24

1.7直接内存访问 25

1.8多处理器和多核组织结构 26

1.8.1对称多处理器 27

1.8.2组织结构 27

1.8.3多核计算机 28

1.9推荐阅读 29

1.10关键术语、复习题与习题 30

附录1A 两级存储器的性能特征 33

第2章 操作系统概述 39

2.1操作系统的目标和功能 40

2.1.1作为用户与系统交互接口的操作系统 40

2.1.2作为资源管理器的操作系统 42

2.1.3操作系统的易发展性 43

2.2操作系统的发展 44

2.2.1串行处理 44

2.2.2简单批处理系统 44

2.2.3多道批处理系统 47

2.2.4分时系统 49

2.3主要成就 51

2.3.1进程 52

2.3.2内存管理 55

2.3.3信息保护和安全 56

2.3.4调度和资源管理 57

2.4现代操作系统的发展 58

2.5容错 61

2.5.1基本概念 61

2.5.2故障 62

2.5.3操作系统中的机制 63

2.6多处理器和多核操作系统设计要考虑的因素 63

2.6.1对称多处理器操作系统设计上的考虑 63

2.6.2多核操作系统设计上的考虑 64

2.7微软Windows简介 66

2.7.1背景 66

2.7.2体系结构 66

2.7.3客户/服务器模式 69

2.7.4线程和SMP 70

2.7.5 Windows对象 70

2.8传统UNIX系统 72

2.8.1发展历史 72

2.8.2系统概述 72

2.9现代UNIX系统 74

2.9.1 System V第4版（SVR4） 74

2.9.2 BSD 75

2.9.3 Solaris 10 75

2.10 Linux系统 76

2.10.1发展历史 76

2.10.2模块结构 76

2.10.3内核组件 78

2.11 Android系统 80

2.11.1安卓软件架构 81

2.11.2安卓系统架构 83

2.11.3活动 83

2.11.4电源管理 84

2.12推荐阅读和配套演示 85

2.13关键术语、复习题与习题 86

第2部分 进程 89

第3章 进程的描述与控制 89

3.1什么是进程？ 90

3.1.1背景 90

3.1.2进程和进程控制块 91

3.2进程状态 92

3.2.1双状态模型 94

3.2.2进程的创建和结束 95

3.2.3五状态模型 97

3.2.4进程挂起 100

3.3进程描述符 104

3.3.1操作系统中控制资源的结构 105

3.3.2进程控制块 106

3.4进程控制 112

3.4.1（处理器的）执行的模式 112

3.4.2进程创建 113

3.4.3进程切换 114

3.5操作系统的执行 116

3.5.1独立内核 116

3.5.2嵌套于用户进程 117

3.5.3基于进程的操作系统 118

3.6 UNIX SVR4中的进程管理 118

3.6.1进程状态 118

3.6.2进程描述 120

3.6.3进程控制 122

3.7总结 122

3.8推荐阅读与动画 123

3.9关键术语、复习题与习题 123

第4章 线程 128

4.1进程和线程 129

4.1.1多线程 129

4.1.2线程功能 132

4.2线程的类型 134

4.2.1用户级和内核级线程 134

4.2.2其他设计 138

4.3多核和多线程 140

4.3.1多核环境下应用的性能 140

4.3.2应用示例：Valve的游戏软件 143

4.4 Windows 8的进程和线程管理 144

4.4.1 Windows 8所带来的改变 145

4.4.2 Windows进程 146

4.4.3进程和线程对象 147

4.4.4多线程 149

4.4.5线程状态 149

4.4.6操作系统子系统的支持 150

4.5 Solaris的线程和多处理器管理 150

4.5.1多线程结构 150

4.5.2设计目标 151

4.5.3进程结构 152

4.5.4线程执行 153

4.5.5用线程处理中断 153

4.6 Linux的进程和线程管理 154

4.6.1 Linux进程 154

4.6.2 Linux线程 156

4.6.3 Linux命名空间 157

4.7 Android的进程和线程管理 158

4.7.1 Android应用 158

4.7.2活动 159

4.7.3进程和线程 161

4.8 Mac OS X的Grand Central Dispatch 161

4.9总结 164

4.10推荐阅读 164

4.11关键术语、复习题与习题 164

第5章 并发：互斥与同步 169

5.1并发的原理 171

5.1.1一个简单例子 172

5.1.2竞态（Race Condition） 173

5.1.3操作系统的设计挑战 174

5.1.4进程交互 174

5.1.5实现互斥的条件 177

5.2互斥：硬件的支撑方案 178

5.2.1关中断 178

5.2.2特殊机器指令 178

5.3信号灯（Semaphore） 181

5.3.1互斥的实现 184

5.3.2生产者/消费者问题 186

5.3.3信号灯的实现 191

5.4管程（Monitor） 192

5.4.1管程和信号 192

5.4.2采用通知和广播的管程模型 196

5.5消息通信 197

5.5.1同步（Synchroni-zation） 198

5.5.2寻址（Addres-sing） 199

5.5.3消息格式 201

5.5.4队列组织 201

5.5.5互斥的实现 201

5.6读者/写者问题 203

5.6.1读者优先 203

5.6.2写者优先 204

5.7总结 207

5.8推荐阅读 207

5.9关键术语、复习题与习题 208

第6章 并发：死锁与饥饿 221

6.1死锁的原理 222

6.1.1可重用资源 225

6.1.2消耗性资源 226

6.1.3资源分配图 227

6.1.4死锁发生的条件 228

6.2死锁预防（Deadlock Prevention） 229

6.2.1互斥条件 229

6.2.2占有并等待条件 230

6.2.3不可抢占条件 230

6.2.4环路等待条件 230

6.3死锁避免（Deadlock Avoidance） 230

6.3.1拒绝创建进程 231

6.3.2拒绝分配资源 232

6.4死锁检测（Deadlock Detection） 235

6.4.1死锁检测算法 236

6.4.2死锁恢复 237

6.5解决死锁的综合方案 237

6.6哲学家进餐问题 238

6.6.1使用信号灯的解决方案 238

6.6.2使用管程的解决方案 240

6.7 UNIX系统的并发控制机制 241

6.7.1管道 242

6.7.2消息 242

6.7.3共享内存 242

6.7.4信号灯 242

6.7.5信号 243

6.8 Linux内核的并发控制机制 244

6.8.1原子操作 245

6.8.2自旋锁（Spinlocks） 246

6.8.3信号灯 248

6.8.4屏障点（Barriers） 249

6.9 Solaris线程同步原语 250

6.9.1互斥锁 251

6.9.2信号灯 251

6.9.3读者/写者锁 252

6.9.4条件变量（Condition Variable） 252

6.10 Windows 7的并发控制机制 252

6.10.1 Wait函数 252

6.10.2调度对象（Dispatcher Object） 253

6.10.3临界区 254

6.10.4瘦读者-写者锁和条件变量 254

6.10.5无锁同步 255

6.11 Android系统中的进程间通信 255

6.12总结 256

6.13推荐阅读 256

6.14关键术语、复习题与习题 257

第3部分 内存 265

第7章 内存管理 265

7.1内存管理的需求 266

7.1.1内存重定位 266

7.1.2内存保护 267

7.1.3内存共享 268

7.1.4逻辑结构 268

7.1.5物理结构 268

7.2内存分区 269

7.2.1固定分区 270

7.2.2分区大小 270

7.2.3放置策略 271

7.2.4动态分区 272

7.2.5放置策略 273

7.2.6置换策略 275

7.2.7伙伴系统 275

7.2.8重定位 277

7.3分页 278

7.4分段 282

7.5小结 282

7.6推荐阅读和配套演示 283

7.7关键术语、复习题与习题 283

附录7A 加载和链接 286

第8章 虚拟内存 292

8.1硬件和控制结构 293

8.1.1局部性和虚拟内存 295

8.1.2分页 296

8.1.3页表结构 297

8.1.4分段 305

8.1.5段页式 306

8.1.6保护和共享 307

8.2操作系统软件 308

8.2.1读取策略 309

8.2.2放置策略 309

8.2.3置换策略 310

8.2.4页缓冲 314

8.2.5置换策略和高速缓冲的大小 315

8.2.6清除策略 321

8.2.7加载控制 321

8.3 UNIX和SOLARIS的内存管理 323

8.3.1分页系统 323

8.3.2内核内存分配器 326

8.4 Linux内存管理 327

8.4.1 Linux虚拟内存 327

8.4.2内核内存分配 329

8.5 Windows内存管理 330

8.5.1 Windows虚拟地址映射 330

8.5.2 Windows分页 331

8.5.3 Windows 8交换 332

8.6 Android内存管理 332

8.7小结 332

8.8推荐阅读和配套演示 333

8.9关键术语、复习题与习题 334

第4部分 调度 339

第9章 单处理器调度 339

9.1处理器调度的类型 340

9.1.1长期调度 342

9.1.2中期调度 343

9.1.3短期调度 343

9.2调度算法 343

9.2.1短期调度准则 343

9.2.2优先级的使用 345

9.2.3可选的调度策略 345

9.2.4性能比较 355

9.2.5公平共享调度 360

9.3传统的UNIX调度 362

9.4总结 363

9.5推荐阅读和动画 364

9.6关键术语、复习题与习题 364

第10章 多处理器、多核调度与实时调度 369

10.1多处理器和多核调度 370

10.1.1粒度 370

10.1.2设计问题 371

10.1.3进程调度 373

10.1.4线程调度 374

10.1.5多核线程调度 379

10.2实时调度 380

10.2.1背景 380

10.2.2实时操作系统的特点 381

10.2.3实时调度 384

10.2.4截止期限调度 385

10.2.5单调速率调度 388

10.2.6优先级反转 391

10.3 Linux调度 393

10.3.1实时调度 393

10.3.2非实时调度 394

10.4 UNIX SVR4调度 396

10.5 UNIX FreeBSD调度 397

10.5.1优先级类 398

10.5.2对SMP和多核的支持 398

10.6 Windows调度 400

10.6.1进程和线程优先级 400

10.6.2多处理器调度 401

10.7总结 402

10.8推荐阅读 403

10.9关键术语、复习题与习题 403

第5部分 输入/输出与文件 407

第11章 I/O管理和磁盘调度 407

11.1 I/O设备 408

11.2 I/O功能的组织 409

11.2.1 I/O功能的发展历程 410

11.2.2直接内存访问 411

11.3操作系统设计问题 412

11.3.1设计目标 412

11.3.2 I/O功能的逻辑结构 413

11.4 I/O缓冲 414

11.4.1单缓冲区 415

11.4.2双缓冲区 416

11.4.3环形缓冲区 417

11.4.4缓冲区的作用 417

11.5磁盘调度 417

11.5.1磁盘性能参数 417

11.5.2磁盘调度策略 419

11.6 RAID 423

11.6.1 0级RAID 426

11.6.2 1级RAID 427

11.6.3 2级RAID 428

11.6.4 3级RAID 428

11.6.5 4级RAID 429

11.6.6 5级RAID 430

11.6.7 6级RAID 430

11.7磁盘高速缓存 430

11.7.1设计考虑 431

11.7.2性能考虑 432

11.8 UNIX SVR4 I/O 434

11.8.1缓冲区高速缓存 434

11.8.2字符队列 435

11.8.3无缓冲的I/O 435

11.8.4 UNIX设备 436

11.9 Linux I/O 436

11.9.1磁盘调度 436

11.9.2 Linux页面缓存 438

11.10 Windows I/O 439

11.10.1基本I/O机制 439

11.10.2异步I/O和同步I/O 439

11.10.3软件RAID 440

11.10.4卷影拷贝 441

11.10.5卷加密 441

11.11总结 441

11.12推荐阅读和动画 441

11.13关键术语、复习题与习题 443

第12章 文件管理 445

12.1概述 446

12.1.1文件和文件系统 446

12.1.2文件结构 447

12.1.3文件管理系统 448

12.2文件组织与访问 451

12.2.1堆 452

12.2.2顺序文件 453

12.2.3索引顺序文件 453

12.2.4索引文件 454

12.2.5直接文件或哈希文件 455

12.3 B树 455

12.4文件目录 458

12.4.1内容 458

12.4.2结构 459

12.4.3命名 460

12.5文件共享 461

12.5.1访问权限 462

12.5.2同时访问 462

12.6记录组块 463

12.7辅存管理 464

12.7.1文件分配 464

12.7.2空闲空间管理 469

12.7.3卷 471

12.7.4可靠性 471

12.8 UNIX文件管理 472

12.8.1 i节点 472

12.8.2文件分配 474

12.8.3目录 475

12.8.4卷结构 475

12.9 Linux虚拟文件系统 475

12.9.1超级块对象 477

12.9.2 i节点对象 478

12.9.3目录项对象 478

12.9.4文件对象 478

12.9.5高速缓存 479

12.10 Windows文件系统 479

12.10.1 NTFS的关键特性 479

12.10.2 NTFS的卷和文件结构 480

12.10.3可恢复性 482

12.11 Android文件管理 483

12.11.1文件系统 483

12.11.2 SQLite 484

12.12总结 485

12.13推荐阅读 485

12.14关键术语、复习题与习题 486

第6部分 嵌入式系统 489

第13章 嵌入式系统 489

13.1嵌入式系统 490

13.2嵌入式操作系统的特征 491

13.2.1移植现有的商用操作系统 492

13.2.2专用嵌入式操作系统 492

13.3嵌入式Linux 493

13.3.1内核大小 493

13.3.2编译 493

13.3.3嵌入式Linux文件系统 493

13.3.4嵌入式Linux的优势 494

13.3.5 Android 494

13.4 TinyOS 495

13.4.1无线传感器网络 495

13.4.2 TinyOS的目标 496

13.4.3 TinyOS组件 497

13.4.4 TinyOS调度器 499

13.4.5配置实例 500

13.4.6 TinyOS资源接口 501

13.5推荐阅读 503

13.6关键术语、复习题与习题 503

第14章 虚拟机 506

14.1虚拟化方法 508

14.2处理器问题 511

14.3内存管理 513

14.4 I/O管理 514

14.5 VMware ESXi 515

14.6微软Hyper-V和Xen变体 517

14.7 Java VM 518

14.8 Linux VServer虚拟机架构 519

14.8.1体系结构 519

14.8.2进程调度 520

14.9 Android虚拟机 521

14.9.1 Dex文件格式 522

14.9.2 Zygote 523

14.10总结 523

14.11推荐阅读 523

14.12关键术语、复习题与习题 524

第7部分 安全 527

第15章 操作系统安全 527

15.1入侵者和恶意软件 528

15.1.1系统访问威胁 528

15.1.2对策 529

15.2缓冲区溢出 531

15.2.1缓冲区溢出攻击 531

15.2.2编译时防御 534

15.2.3运行时防御 536

15.3访问控制 537

15.3.1文件系统访问控制 537

15.3.2访问控制策略 539

15.4 UNIX访问控制 544

15.4.1传统UNIX文件访问控制 544

15.4.2 UNIX中的访问控制列表 546

15.5操作系统强化 546

15.5.1操作系统安装：初次安装与修补 547

15.5.2移除不必要的服务、应用和协议 548

15.5.3配置用户、组和身份验证 548

15.5.4配置资源控制 549

15.5.5安装额外的安全控制 549

15.5.6测试系统安全性 549

15.6安全维护 550

15.6.1用户登入 550

15.6.2数据备份和存档 550

15.7 Windows安全 551

15.7.1访问控制模式 551

15.7.2访问令牌 552

15.7.3安全描述符 552

15.8总结 555

15.9推荐阅读 555

15.10关键术语、复习题与习题 556

第8部分 分布式系统 559

第16章 分布式处理、客户/服务器和集群 559

16.1客户/服务器计算 560

16.1.1什么是客户/服务器计算？ 560

16.1.2客户/服务器应用 562

16.1.3中间件 567

16.2分布式消息传递 569

16.2.1可靠性与不可靠性 571

16.2.2阻塞与非阻塞 571

16.3远程过程调用 571

16.3.1参数传递 572

16.3.2参数表示 573

16.3.3客户/服务器绑定 573

16.3.4同步与异步 573

16.3.5面向对象机制 574

16.4集群 574

16.4.1集群的配置 575

16.4.2操作系统的设计问题 577

16.4.3集群计算机的体系结构 578

16.4.4集群与SMP的对比 579

16.5 Windows集群服务器 579

16.6 Beowulf和Linux集群 581

16.6.1 Beowulf特性 581

16.6.2 Beowulf软件 582

16.7总结 582

16.8推荐阅读 583

16.9关键术语、复习题与习题 583

参考文献 586