現代操作系統(tǒng)：原理與實現

定　價：￥79.00

作　者：	陳海波，夏虞斌等著
出版社：	機械工業(yè)出版社
叢編項：
標　簽：	暫缺

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ISBN：	9787111666073	出版時間：	2020-10-01	包裝：	平裝
開本：	16開	頁數：	376	字數：

內容簡介

　　本書以三個“面向”為導向，即面向經典基礎理論與方法，面向國際前沿研究，面向工業(yè)界實踐，深入淺出地介紹操作系統(tǒng)的理論、架構、設計方法與具體實現。本書是首本以ARM64為主體介紹操作系統(tǒng)的教材，將學術前沿與工業(yè)實踐充分結合，不僅介紹了現有的Linux宏內核操作系統(tǒng)架構，而且介紹了微內核、外核等操作系統(tǒng)架構。本書共分為三個部分，其中第一部分（操作系統(tǒng)基礎）以紙質版的形式出版，第二部分（操作系統(tǒng)進階）和第三部分（ChCore課程實驗）則以電子版的形式在本書網站發(fā)布。第一部分共分為11章，內容包括：操作系統(tǒng)概述、硬件結構、操作系統(tǒng)結構、內存管理、進程與線程、操作系統(tǒng)調度、進程間通信、同步原語、文件系統(tǒng)與存儲、設備管理和系統(tǒng)虛擬化。本書包含大量插圖、示例和練習，并融入了典型的操作系統(tǒng)相關的技術問題，既可以作為高等院校計算機專業(yè)本科生和研究生的操作系統(tǒng)課程教材，也可以作為工業(yè)界從事操作系統(tǒng)相關領域研發(fā)工作的專業(yè)人員的參考書。

作者簡介

　　陳海波上海交通大學特聘教授、博導，并行與分布式系統(tǒng)研究所所長，領域操作系統(tǒng)教育部工程研究中心主任，國家杰出青年基金獲得者，ACM杰出科學家，CCF杰出會員與杰出演講者。主要研究領域為操作系統(tǒng)和系統(tǒng)安全。曾獲教育部技術發(fā)明一等獎（第一完成人）、全國優(yōu)秀博士學位論文獎、CCF青年科學家獎。目前擔任ACM SIGOPS ChinaSys主席、CCF系統(tǒng)軟件專委會副主任、ACM旗艦雜志Communications of the ACM中國首位編委與Special Sections領域共同主席、ACM Transactions on Storage編委。曾任ACM SOSP 2017年大會共同主席、ACM CCS 2018系統(tǒng)安全領域主席、ACM SIGSAC獎勵委員會委員。研究工作還獲得了華為最*個人貢獻獎、金牌團隊獎。按照csrankings.org的統(tǒng)計，其近5年（2015～2019）在操作系統(tǒng)領域高水平會議（SOSP/OSDI、EuroSys、USENIX ATC和FAST）上發(fā)表的論文數居世界第一。夏虞斌上海交通大學副教授、博導，CCF高級會員。主要研究領域為操作系統(tǒng)、體系結構和系統(tǒng)安全，曾任OSDI、EuroSys等多個國際會議的程序委員會委員。領導團隊研發(fā)的安全操作系統(tǒng)T6獲得2015年“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽和中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽特等獎、2019年中國“互聯網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國銀獎，并已實現產業(yè)化，實際部署設備數量過億；基于RISC-V平臺研發(fā)的可信執(zhí)行環(huán)境軟硬件系統(tǒng)“蓬萊”現已開源。

圖書目錄

目　　錄
序言一
序言二
前言
第一部分　操作系統(tǒng)基礎
第1章　操作系統(tǒng)概述 2
1.1　簡約但不簡單：從Hello World說起 2
1.2　什么是操作系統(tǒng) 3
1.3　操作系統(tǒng)簡史 6
1.3.1　GM-NAA I/O：第一個（批處理）操作系統(tǒng) 6
1.3.2　OS/360：從專用走向通用 6
1.3.3　Multics/UNIX/Linux：分時與多任務 7
1.3.4　macOS/Windows：以人為本的人機交互 8
1.4　操作系統(tǒng)接口 9
1.5　ChCore：一個簡單的實驗操作系統(tǒng) 11
參考文獻 12
第2章　硬件結構 13
2.1　CPU與指令集架構 14
2.1.1　指令集 14
2.1.2　特權級 15
2.1.3　寄存器 17
2.2　物理內存與CPU緩存 17
2.2.1　緩存結構 18
2.2.2　緩存尋址 19
2.3　設備與中斷 20
2.3.1　內存映射輸入輸出 20
2.3.2　輪詢與中斷 21
2.4　思考題 22
參考文獻 22
第3章　操作系統(tǒng)結構 23
3.1　操作系統(tǒng)的機制與策略 24
3.2　操作系統(tǒng)復雜度管理方法 25
3.3　操作系統(tǒng)內核架構 27
3.3.1　簡要結構 27
3.3.2　宏內核架構 28
3.3.3　微內核架構 30
3.3.4　外核架構 32
3.3.5　其他操作系統(tǒng)內核架構 34
3.4　操作系統(tǒng)框架結構 35
3.4.1　Android系統(tǒng)框架 35
3.4.2　ROS系統(tǒng)框架 37
3.5　思考題 39
參考文獻 40
第4章　內存管理 42
4.1　虛擬地址與物理地址 43
4.1.1　初識物理地址與虛擬地址 43
4.1.2　使用虛擬地址訪問物理內存 44
4.1.3　分段與分頁機制 44
4.2　基于分頁的虛擬內存 46
4.2.1　AArch64架構下的4級頁表 47
4.2.2　加速地址翻譯的重要硬件：TLB 49
4.2.3　換頁與缺頁異常 52
4.2.4　頁替換策略 54
4.2.5　工作集模型 57
4.3　虛擬內存功能 58
4.3.1　共享內存 58
4.3.2　寫時拷貝 58
4.3.3　內存去重 60
4.3.4　內存壓縮 60
4.3.5　大頁 61
4.4　物理內存分配與管理 62
4.4.1　目標與評價維度 62
4.4.2　伙伴系統(tǒng) 63
4.4.3　SLAB分配器 65
4.4.4　常用的空閑鏈表 66
4.4.5　物理內存與CPU緩存 68
4.5　案例分析：ChCore內存管理機制 70
4.6　思考題 73
參考文獻 74
第5章　進程與線程 76
5.1　進程 76
5.1.1　進程的狀態(tài) 76
5.1.2　進程的內存空間布局 78
5.1.3　進程控制塊和上下文切換 79
5.2　案例分析：Linux的進程操作 80
5.2.1　進程的創(chuàng)建：fork 80
5.2.2　進程的執(zhí)行：exec 84
5.2.3　進程管理 85
5.2.4　討論：fork過時了嗎 89
5.3　線程 92
5.3.1　多線程的地址空間布局 93
5.3.2　用戶態(tài)線程與內核態(tài)線程 93
5.3.3　線程控制塊與線程本地存儲 94
5.3.4　線程的基本接口：以POSIX線程庫為例 95
5.4　案例分析：ChCore的線程上下文 99
5.4.1　線程的上下文和TCB 99
5.4.2　ChCore中上下文切換的實現 100
5.5　纖程 102
5.5.1　對纖程的需求：一個簡單的例子 103
5.5.2　POSIX的纖程支持：ucontext 103
5.5.3　纖程的上下文切換 105
5.6　思考題 106
參考文獻 107
第6章　操作系統(tǒng)調度 108
6.1　計算機調度簡介 108
6.1.1　操作系統(tǒng)調度 110
6.1.2　調度指標 111
6.2　調度機制 113
6.2.1　長期、中期與短期調度 114
6.2.2　任務調度總覽 116
6.3　單核調度策略 117
6.3.1　經典調度 118
6.3.2　優(yōu)先級調度 122
6.3.3　公平共享調度 127
6.3.4　實時調度 133
6.3.5　其他調度 138
6.4　多核調度策略 141
6.4.1　負載分擔 141
6.4.2　協(xié)同調度 142
6.4.3　兩級調度 144
6.4.4　負載追蹤與負載均衡 145
6.4.5　能耗感知調度 148
6.5　調度進階機制 151
6.5.1　處理器親和性 152
6.5.2　調度策略設置 153
6.6　案例分析：現代調度器 155
6.6.1　Linux調度器 155
6.6.2　macOS/iOS調度器 160
6.7　思考題 162
參考文獻 163
第7章　進程間通信 165
7.1　進程間通信基礎 165
7.1.1　一個簡單的進程間通信設計 166
7.1.2　數據傳遞 167
7.1.3　控制流轉移 169
7.1.4　單向和雙向 170
7.1.5　同步和異步 170
7.1.6　超時機制 171
7.1.7　通信連接管理 172
7.1.8　權限檢查 173
7.1.9　命名服務 174
7.2　宏內核進程間通信 175
7.2.1　管道進程間通信 175
7.2.2　System V消息隊列 178
7.2.3　System V信號量 179
7.2.4　System V共享內存 180
7.2.5　信號進程間通信 181
7.2.6　套接字進程間通信 185
7.3　微內核進程間通信 186
7.3.1　Mach：早期的微內核進程間通信設計 186
7.3.2　L4：圍繞進程間通信優(yōu)化而設計的微內核系統(tǒng) 188
7.3.3　LRPC：遷移線程模型 193
7.4　案例分析：Android Binder 195
7.4.1　背景 195
7.4.2　Binder IPC總覽 196
7.4.3　Binder IPC內核設計 196
7.4.4　匿名共享內存 199
7.5　案例分析：ChCore 進程間通信機制 201
7.6　思考題 203
參考文獻 203
第8章　同步原語 206
8.1　互斥鎖 209
8.1.1　臨界區(qū)問題 209
8.1.2　硬件實現：關閉中斷 211
8.1.3　軟件實現：皮特森算法 211
8.1.4　軟硬件協(xié)同：使用原子操作實現互斥鎖 213
8.2　條件變量 219
8.2.1　條件變量的使用 219
8.2.2　條件變量的實現 222
8.3　信號量 223
8.3.1　信號量的使用 224
8.3.2　信號量的實現 225
8.4　讀寫鎖 229
8.4.1　讀寫鎖的使用 229
8.4.2　讀寫鎖的實現 230
8.5　RCU 233
8.5.1　訂閱/發(fā)布機制 234
8.5.2　寬限期 236
8.6　管程 237
8.7　同步帶來的問題 239
8.7.1　死鎖 239
8.7.2　活鎖 245
8.7.3　優(yōu)先級反轉 246
8.8　案例分析：Linux中的futex 249
8.9　案例分析：ChCore中的同步原語 251
8.10　思考題 252
參考文獻 254
第9章　文件系統(tǒng) 256
9.1　基于inode的文件系統(tǒng) 257
9.1.1　inode與文件 258
9.1.2　文件名與目錄 260
9.1.3　硬鏈接與符號鏈接 263
9.1.4　存儲布局 264
9.2　虛擬文件系統(tǒng) 266
9.2.1　面向文件系統(tǒng)的接口 266
9.2.2　面向應用程序的接口 270
9.2.3　頁緩存、直接I/O與內存映射 277
9.2.4　多種文件系統(tǒng)的組織和管理 280
9.2.5　偽文件系統(tǒng) 282
9.3　其他文件系統(tǒng) 284
9.3.1　FAT文件系統(tǒng) 284
9.3.2　NTFS 288
9.3.3　FUSE與用戶態(tài)文件系統(tǒng) 292
9.4　案例分析：ChCore文件系統(tǒng) 294
9.4.1　ChCore的文件系統(tǒng)架構 294
9.4.2　內存文件系統(tǒng) 295
9.5　思考題 296
參考文獻 297
第10章　設備管理 299
10.1　計算機設備的連接和通信 300
10.1.1　設備的連接：總線 300
10.1.2　可編程I/O 301
10.1.3　高效數據傳輸：DMA 301
10.1.4　設備地址翻譯：IOMMU 302
10.2　設備的識別 303
10.2.1　設備樹 303
10.2.2　ACPI 304
10.3　設備的中斷處理 305
10.3.1　中斷控制器 305
10.3.2　中斷的基本概念 306
10.3.3　中斷處理：以Linux上下半部的機制為例 308
10.4　設備驅動與設備驅動模型 313
10.4.1　設備驅動 313
10.4.2　設備驅動模型 315
10.5　案例分析：Linux設備驅動模型 315
10.5.1　Linux的設備抽象 315
10.5.2　Linux的設備驅動模型 318
10.5.3　Linux驅動的動態(tài)管理 319
10.5.4　Linux的sysfs文件系統(tǒng) 321
10.6　案例分析：L4設備驅動模型 322
10.7　案例分析：Linux的用戶態(tài)驅動框架 323
10.8　思考題 327
參考文獻 327
第11章　系統(tǒng)虛擬化 329
11.1　系統(tǒng)虛擬化技術概述 330
11.1.1　系統(tǒng)虛擬化及其組成部分 330
11.1.2　虛擬機監(jiān)控器的類型 331
11.2　CPU虛擬化 332
11.2.1　下陷和模擬 333
11.2.2　可虛擬化架構與不可虛擬化架構 333
11.2.3　解釋執(zhí)行 334
11.2.4　動態(tài)二進制翻譯 335
11.2.5　掃描和翻譯 336
11.2.6　半虛擬化技術 337
11.2.7　硬件虛擬化技術 338
11.2.8　小結 340
11.3　內存虛擬化 341
11.3.1　影子頁表機制 343
11.3.2　影子頁表的缺頁異常處理流程 345
11.3.3　直接頁表映射機制 345
11.3.4　兩階段地址翻譯機制 346
11.3.5　換頁和內存氣球機制 349
11.3.6　小結 351
11.4　I/O虛擬化 351
11.4.1　軟件模擬方法 352
11.4.2　半虛擬化方法 354
11.4.3　設備直通：IOMMU和SR-IOV 356
11.4.4　小結 359
11.5　中斷虛擬化 360
11.6　案例分析：QEMU/KVM 361
11.6.1　KVM API和一個簡單的虛擬機監(jiān)控器 362
11.6.2　KVM與QEMU 364
11.6.3　KVM內部實現簡介 366
11.7　思考題 367
參考文獻 367
縮略語 369
在線章節(jié)一
第二部分　操作系統(tǒng)進階
第12章　多核與多處理器
第13章　文件系統(tǒng)崩潰一致性
第14章　網絡協(xié)議棧與系統(tǒng)
第15章　輕量級虛擬化
第16章　操作系統(tǒng)安全
第17章　操作系統(tǒng)調測
第18章　形式化證明
第三部分　ChCore課程實驗
第19章　實驗1：機器啟動
第20章　實驗2：內存管理
第21章　實驗3：用戶進程與異常處理
第22章　實驗4：多核處理
第23章　實驗5：文件系統(tǒng)與Shell
第24章　實驗6：進階實踐