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第一部分 概论 2

第1章 导论 2

1.1 操作系统的功能 2

1.1.1 用户视角 2

1.1.2 系统视角 3

1.1.3 操作系统的定义 4

1.2 计算机系统的组成 4

1.2.1 计算机系统的运行 5

1.2.2 存储结构 6

1.2.3 I/O结构 8

1.3 计算机系统的体系结构 9

1.3.1 单处理器系统 9

1.3.2 多处理器系统 10

1.3.3 集群系统 12

1.4 操作系统的结构 13

1.5 操作系统的执行 14

1.5.1 双重模式与多重模式的执行 15

1.5.2 定时器 16

1.6 进程管理 17

1.7 内存管理 18

1.8 存储管理 18

1.8.1 文件系统管理 18

1.8.2 大容量存储器管理 19

1.8.3 高速缓存 19

1.8.4 I/O系统 21

1.9 保护与安全 21

1.10 内核数据结构 22

1.10.1 列表、堆栈及队列 22

1.10.2 树 23

1.10.3 哈希函数与哈希表 23

1.10.4 位图 24

1.11 计算环境 24

1.11.1 传统计算 24

1.11.2 移动计算 25

1.11.3 分布计算 26

1.11.4 客户机-服务器计算 26

1.11.5 对等计算 27

1.11.6 虚拟化 28

1.11.7 云计算 29

1.11.8 实时嵌入式系统 30

1.12 开源操作系统 31

1.12.1 历史 31

1.12.2 Linux 31

1.12.3 BSD UNIX 32

1.12.4 Solaris 32

1.12.5 用作学习的开源操作系统 33

1.13 小结 33

习题 35

推荐读物 36

参考文献 36

第2章 操作系统结构 38

2.1 操作系统的服务 38

2.2 用户与操作系统的界面 40

2.2.1 命令解释程序 40

2.2.2 图形用户界面 41

2.2.3 界面的选择 42

2.3 系统调用 43

2.4 系统调用的类型 46

2.4.1 进程控制 46

2.4.2 文件管理 49

2.4.3 设备管理 50

2.4.4 信息维护 50

2.4.5 通信 50

2.4.6 保护 51

2.5 系统程序 51

2.6 操作系统的设计与实现 52

2.6.1 设计目标 52

2.6.2 机制与策略 53

2.6.3 实现 53

2.7 操作系统的结构 54

2.7.1 简单结构 54

2.7.2 分层方法 55

2.7.3 微内核 56

2.7.4 模块 57

2.7.5 混合系统 58

2.8 操作系统的调试 60

2.8.1 故障分析 60

2.8.2 性能优化 60

2.8.3 DTrace 61

2.9 操作系统的生成 63

2.10 系统引导 64

2.11 小结 64

习题 65

编程题 66

编程项目 66

推荐读物 69

参考文献 69

第二部分 进程管理 72

第3章 进程 72

3.1 进程概念 72

3.1.1 进程 72

3.1.2 进程状态 73

3.1.3 进程控制块 73

3.1.4 线程 74

3.2 进程调度 75

3.2.1 调度队列 75

3.2.2 调度程序 77

3.2.3 上下文切换 78

3.3 进程运行 79

3.3.1 进程创建 79

3.3.2 进程终止 82

3.4 进程间通信 83

3.4.1 共享内存系统 85

3.4.2 消息传递系统 86

3.5 IPC系统例子 89

3.5.1 例子：POSIX共享内存 89

3.5.2 例子：Mach 91

3.5.3 例子：Windows 92

3.6 客户机/服务器通信 93

3.6.1 套接字 93

3.6.2 远程过程调用 96

3.6.3 管道 98

3.7 小结 102

习题 103

编程题 105

编程项目 107

推荐读物 110

参考文献 110

第4章 多线程编程 112

4.1 概述 112

4.1.1 动机 112

4.1.2 优点 113

4.2 多核编程 114

4.2.1 编程挑战 115

4.2.2 并行类型 115

4.3 多线程模型 116

4.3.1 多对一模型 116

4.3.2 一对一模型 116

4.3.3 多对多模型 116

4.4 线程库 117

4.4.1 Pthreads 118

4.4.2 Windows线程 119

4.4.3 Java线程 121

4.5 隐式多线程 122

4.5.1 线程池 123

4.5.2 OpenMP 124

4.5.3 大中央调度 125

4.5.4 其他方法 125

4.6 多线程问题 125

4.6.1 系统调用fork（）和exec（） 125

4.6.2 信号处理 126

4.6.3 线程撤销 127

4.6.4 线程本地存储 128

4.6.5 调度程序激活 128

4.7 操作系统例子 129

4.7.1 Windows线程 129

4.7.2 Linux线程 130

4.8 小结 131

习题 131

编程题 133

编程项目 134

推荐读物 136

参考文献 136

第5章 进程调度 138

5.1 基本概念 138

5.1.1 CPU-I/O执行周期 138

5.1.2 CPU调度程序 139

5.1.3 抢占调度 139

5.1.4 调度程序 140

5.2 调度准则 140

5.3 调度算法 141

5.3.1 先到先服务调度 141

5.3.2 最短作业优先调度 142

5.3.3 优先级调度 144

5.3.4 轮转调度 145

5.3.5 多级队列调度 147

5.3.6 多级反馈队列调度 148

5.4 线程调度 149

5.4.1 竞争范围 149

5.4.2 Pthreads调度 149

5.5 多处理器调度 151

5.5.1 多处理器调度的方法 151

5.5.2 处理器亲和性 151

5.5.3 负载平衡 152

5.5.4 多核处理器 152

5.6 实时CPU调度 154

5.6.1 最小化延迟 154

5.6.2 优先权调度 155

5.6.3 单调速率调度 156

5.6.4 最早截止期限优先调度 157

5.6.5 比例分享调度 158

5.6.6 POSIX实时调度 158

5.7 操作系统例子 160

5.7.1 例子：Linux调度 160

5.7.2 例子：Windows调度 162

5.7.3 例子：Solaris调度 164

5.8 算法评估 165

5.8.1 确定性模型 166

5.8.2 排队模型 167

5.8.3 仿真 167

5.8.4 实现 168

5.9 小结 169

习题 170

推荐读物 172

参考文献 173

第6章 同步 175

6.1 背景 175

6.2 临界区问题 177

6.3 Peterson解决方案 178

6.4 硬件同步 179

6.5 互斥锁 181

6.6 信号量 181

6.6.1 信号量的使用 182

6.6.2 信号量的实现 182

6.6.3 死锁与饥饿 184

6.6.4 优先级的反转 184

6.7 经典同步问题 185

6.7.1 有界缓冲问题 185

6.7.2 读者-作者问题 186

6.7.3 哲学家就餐问题 187

6.8 管程 188

6.8.1 使用方法 189

6.8.2 哲学家就餐问题的管程解决方案 190

6.8.3 采用信号量的管程实现 191

6.8.4 管程内的进程重启 192

6.9 同步例子 193

6.9.1 Windows同步 193

6.9.2 Linux同步 194

6.9.3 Solaris同步 195

6.9.4 Pthreads同步 196

6.10 替代方法 197

6.10.1 事务内存 198

6.10.2 OpenMP 199

6.10.3 函数式编程语言 199

6.11 小结 200

习题 200

编程题 204

编程项目 205

推荐读物 209

参考文献 210

第7章 死锁 212

7.1 系统模型 212

7.2 死锁特征 213

7.2.1 必要条件 214

7.2.2 资源分配图 215

7.3 死锁处理方法 216

7.4 死锁预防 217

7.4.1 互斥 217

7.4.2 持有且等待 217

7.4.3 无抢占 218

7.4.4 循环等待 218

7.5 死锁避免 220

7.5.1 安全状态 220

7.5.2 资源分配图算法 221

7.5.3 银行家算法 222

7.6 死锁检测 224

7.6.1 每种资源类型只有单个实例 224

7.6.2 每种资源类型可有多个实例 225

7.6.3 应用检测算法 226

7.7 死锁恢复 227

7.7.1 进程终止 227

7.7.2 资源抢占 227

7.8 小结 228

习题 228

编程题 230

编程项目 230

推荐读物 231

参考文献 232

第三部分 内存管理 234

第8章 内存管理策略 234

8.1 背景 234

8.1.1 基本硬件 234

8.1.2 地址绑定 236

8.1.3 逻辑地址空间与物理地址空间 236

8.1.4 动态加载 237

8.1.5 动态链接与共享库 238

8.2 交换 238

8.2.1 标准交换 238

8.2.2 移动系统的交换 239

8.3 连续内存分配 240

8.3.1 内存保护 240

8.3.2 内存分配 241

8.3.3 碎片 242

8.4 分段 242

8.4.1 基本方法 243

8.4.2 分段硬件 243

8.5 分页 244

8.5.1 基本方法 245

8.5.2 硬件支持 247

8.5.3 保护 250

8.5.4 共享页 251

8.6 页表结构 252

8.6.1 分层分页 252

8.6.2 哈希页表 254

8.6.3 倒置页表 254

8.6.4 Oracle SPARC Solaris 255

8.7 例子：Intel 32位与64位体系结构 256

8.7.1 IA-32架构 256

8.7.2 x86-64 258

8.8 例子：ARM架构 259

8.9 小结 259

习题 260

编程题 262

推荐读物 262

参考文献 263

第9章 虚拟内存管理 264

9.1 背景 264

9.2 请求调页 266

9.2.1 基本概念 266

9.2.2 请求调页的性能 269

9.3 写时复制 271

9.4 页面置换 272

9.4.1 基本页面置换 273

9.4.2 FIFO 页面置换 275

9.4.3 最优页面置换 276

9.4.4 LRU页面置换 276

9.4.5 近似LRU页面置换 278

9.4.6 基于计数的页面置换 279

9.4.7 页面缓冲算法 280

9.4.8 应用程序与页面置换 280

9.5 帧分配 280

9.5.1 帧的最小数 281

9.5.2 分配算法 282

9.5.3 全局分配与局部分配 282

9.5.4 非均匀内存访问 283

9.6 系统抖动 283

9.6.1 系统抖动的原因 284

9.6.2 工作集模型 285

9.6.3 缺页错误频率 286

9.6.4 结束语 287

9.7 内存映射文件 287

9.7.1 基本机制 287

9.7.2 共享内存Windows API 288

9.7.3 内存映射I/O 290

9.8 分配内核内存 291

9.8.1 伙伴系统 291

9.8.2 slab分配 292

9.9 其他注意事项 293

9.9.1 预调页面 293

9.9.2 页面大小 293

9.9.3 TLB范围 294

9.9.4 倒置页表 295

9.9.5 程序结构 295

9.9.6 I/O联锁与页面锁定 296

9.10 操作系统例子 297

9.10.1 Windows 297

9.10.2 Solaris 298

9.11 小结 299

习题 300

编程题 303

编程项目 304

推荐读物 306

参考文献 306

第四部分 存储管理 310

第10章 文件系统 310

10.1 文件概念 310

10.1.1 文件属性 310

10.1.2 文件操作 311

10.1.3 文件类型 315

10.1.4 文件结构 316

10.1.5 内部文件结构 316

10.2 访问方法 316

10.2.1 顺序访问 317

10.2.2 直接访问 317

10.2.3 其他访问方法 318

10.3 目录与磁盘的结构 319

10.3.1 存储结构 319

10.3.2 目录概述 320

10.3.3 单级目录 320

10.3.4 两级目录 321

10.3.5 树形目录 322

10.3.6 无环图目录 323

10.3.7 通用图目录 325

10.4 文件系统安装 326

10.5 文件共享 327

10.5.1 多用户 327

10.5.2 远程文件系统 328

10.5.3 一致性语义 330

10.6 保护 331

10.6.1 访问类型 331

10.6.2 访问控制 331

10.6.3 其他保护方式 333

10.7 小结 334

习题 334

推荐读物 335

参考文献 335

第11章 文件系统实现 337

11.1 文件系统结构 337

11.2 文件系统实现 338

11.2.1 概述 338

11.2.2 分区与安装 341

11.2.3 虚拟文件系统 341

11.3 目录实现 343

11.3.1 线性列表 343

11.3.2 哈希表 343

11.4 分配方法 344

11.4.1 连续分配 344

11.4.2 链接分配 345

11.4.3 索引分配 347

11.4.4 性能 348

11.5 空闲空间管理 349

11.5.1 位向量 349

11.5.2 链表 350

11.5.3 组 350

11.5.4 计数 350

11.5.5 空间图 351

11.6 效率与性能 351

11.6.1 效率 351

11.6.2 性能 352

11.7 恢复 354

11.7.1 一致性检查 354

11.7.2 基于日志的文件系统 354

11.7.3 其他解决方法 355

11.7.4 备份和恢复 356

11.8 NFS 356

11.8.1 概述 357

11.8.2 安装协议 358

11.8.3 NFS协议 358

11.8.4 路径名称转换 359

11.8.5 远程操作 360

11.9 例子：WAFL文件系统 360

11.10 小结 362

习题 363

编程题 364

推荐读物 365

参考文献 365

第12章 大容量存储结构 367

12.1 大容量存储结构概述 367

12.1.1 磁盘 367

12.1.2 固态磁盘 368

12.1.3 磁带 368

12.2 磁盘结构 369

12.3 磁盘连接 369

12.3.1 主机连接存储 369

12.3.2 网络连接存储 370

12.3.3 存储区域网络 370

12.4 磁盘调度 371

12.4.1 FCFS调度 371

12.4.2 SSTF调度 371

12.4.3 SCAN调度 372

12.4.4 C-SCAN调度 373

12.4.5 LOOK调度 373

12.4.6 磁盘调度算法的选择 373

12.5 磁盘管理 374

12.5.1 磁盘格式化 374

12.5.2 引导块 375

12.5.3 坏块 376

12.6 交换空间管理 377

12.6.1 交换空间的使用 377

12.6.2 交换空间位置 377

12.6.3 交换空间管理：例子 378

12.7 RAID结构 378

12.7.1 通过冗余提高可靠性 379

12.7.2 通过并行处理提高性能 380

12.7.3 RAID级别 380

12.7.4 RAID级别的选择 383

12.7.5 扩展 384

12.7.6 RAID的问题 384

12.8 稳定存储实现 385

12.9 小结 386

习题 387

编程题 388

推荐读物 388

参考文献 389

第13章 I/O系统 390

13.1 概述 390

13.2 I/O硬件 390

13.2.1 轮询 392

13.2.2 中断 393

13.2.3 直接内存访问 396

13.2.4 I/O硬件小结 397

13.3 应用程序I/O接口 397

13.3.1 块与字符设备 399

13.3.2 网络设备 400

13.3.3 时钟与定时器 400

13.3.4 非阻塞与异步I/O 401

13.3.5 向量I/O 402

13.4 内核I/O子系统 402

13.4.1 I/O调度 402

13.4.2 缓冲 403

13.4.3 缓存 404

13.4.4 假脱机与设备预留 405

13.4.5 错误处理 405

13.4.6 I/O保护 405

13.4.7 内核数据结构 406

13.4.8 内核I/O子系统小结 406

13.5 I/O请求转成硬件操作 407

13.6 流 409

13.7 性能 410

13.8 小结 412

习题 413

推荐读物 414

参考文献 414

第五部分 保护与安全 416

第14章 系统保护 416

14.1 保护目标 416

14.2 保护原则 417

14.3 保护域 417

14.3.1 域结构 418

14.3.2 例子：UNIX 419

14.3.3 例子：MULTICS 420

14.4 访问矩阵 421

14.5 访问矩阵的实现 423

14.5.1 全局表 423

14.5.2 对象的访问列表 423

14.5.3 域的能力列表 424

14.5.4 锁-钥匙机制 424

14.5.5 比较 424

14.6 访问控制 425

14.7 访问权限的撤回 426

14.8 基于能力的系统 427

14.8.1 例子：Hydra 427

14.8.2 例子：剑桥CAP系统 428

14.9 基于语言的保护 428

14.9.1 基于编译程序的实现 429

14.9.2 Java的保护 430

14.10 小结 432

习题 432

推荐读物 433

参考文献 433

第15章 系统安全 436

15.1 安全问题 436

15.2 程序威胁 438

15.2.1 特洛伊木马 438

15.2.2 后门 439

15.2.3 逻辑炸弹 440

15.2.4 堆栈和缓冲区溢出 440

15.2.5 病毒 442

15.3 系统和网络的威胁 444

15.3.1 蠕虫 445

15.3.2 端口扫描 447

15.3.3 拒绝服务 448

15.4 作为安全工具的密码术 448

15.4.1 加密 449

15.4.2 密码术的实现 454

15.4.3 例子：SSL 454

15.5 用户认证 456

15.5.1 密码 456

15.5.2 密码漏洞 456

15.5.3 密码安全 457

15.5.4 一次性密码 458

15.5.5 生物识别技术 458

15.6 实现安全防御 459

15.6.1 安全策略 459

15.6.2 漏洞评估 459

15.6.3 入侵检测 460

15.6.4 病毒防护 462

15.6.5 审计、记账和日志 464

15.7 保护系统和网络的防火墙 464

15.8 计算机安全等级 465

15.9 例子：Windows 7 466

15.10 小结 468

习题 468

推荐读物 469

参考文献 470

第六部分 案例研究 474

第16章 Linux系统 474

16.1 Linux历史 474

16.1.1 Linux内核 475

16.1.2 Linux系统 476

16.1.3 Linux发行 476

16.1.4 Linux许可 477

16.2 设计原则 477

16.3 内核模块 479

16.3.1 模块管理 480

16.3.2 驱动程序注册 480

16.3.3 冲突解决 481

16.4 进程管理 481

16.4.1 fork（）/exec（）进程模型 481

16.4.2 进程与线程 483

16.5 调度 484

16.5.1 进程调度 484

16.5.2 实时调度 485

16.5.3 内核同步 486

16.5.4 对称多处理 487

16.6 内存管理 488

16.6.1 物理内存管理 488

16.6.2 虚拟内存 490

16.6.3 执行与加载用户程序 492

16.7 文件系统 494

16.7.1 虚拟文件系统 494

16.7.2 Linux ext3文件系统 495

16.7.3 日志 497

16.7.4 Linux进程文件系统 497

16.8 输入与输出 498

16.8.1 块设备 499

16.8.2 字符设备 500

16.9 进程间通信 500

16.9.1 同步与信号 500

16.9.2 进程间的数据传递 501

16.10 网络结构 501

16.11 安全 503

16.11.1 认证 503

16.11.2 访问控制 503

16.12 小结 504

习题 505

推荐读物 506

参考文献 506

第17章 Windows 7 507

17.1 历史 507

17.2 设计原则 509

17.2.1 安全性 509

17.2.2 可靠性 509

17.2.3 Windows和POSIX应用程序兼容性 510

17.2.4 高性能 511

17.2.5 可扩展性 512

17.2.6 可移植性 512

17.2.7 国际化支持 513

17.2.8 电源效率 513

17.2.9 动态设备支持 513

17.3 系统组件 513

17.3.1 硬件抽象层 514

17.3.2 内核 514

17.3.3 执行体 518

17.4 终端服务与快速用户切换 531

17.5 文件系统 532

17.5.1 NTFS内部布局 532

17.5.2 恢复 534

17.5.3 安全 535

17.5.4 卷管理和容错 535

17.5.5 压缩 536

17.5.6 安装点、符号链接和硬链接 536

17.5.7 变更日志 537

17.5.8 卷的影子副本 537

17.6 网络 537

17.6.1 网络接口 537

17.6.2 协议 537

17.6.3 重定向器与服务器 539

17.6.4 域 540

17.6.5 活动目录 540

17.7 程序员接口 540

17.7.1 访问内核对象 541

17.7.2 进程间共享对象 541

17.7.3 进程管理 542

17.7.4 使用Windows消息传递的进程间通信 545

17.7.5 内存管理 546

17.8 小结 547

习题 548

推荐读物 548

参考文献 549

第18章 有影响的操作系统 550

18.1 特征迁移 550

18.2 早期系统 551

18.2.1 专用计算机系统 551

18.2.2 共享计算机系统 552

18.2.3 重叠I/O 554

18.3 Atlas 555

18.4 XDS-940 556

18.5 THE 556

18.6 RC 4000 557

18.7 CTSS 558

18.8 MULTICS 558

18.9 IBM OS/360 558

18.10 TOPS-20 559

18.11 CP/M与MS/DOS 560

18.12 Macintosh OS与Windows 560

18.13 Mach 561

18.14 其他系统 562

习题 562

推荐读物 562

参考文献 563

索引 565