第一部分 背景知識

第1章 計算機系統(tǒng)概述 2
1.1 基本構(gòu)成 2
1.2 微處理器的發(fā)展 3
1.3 指令的執(zhí)行 4
1.4 中斷 6
1.4.1 中斷和指令周期 7
1.4.2 中斷處理 8
1.4.3 多個中斷 10
1.5 存儲器的層次結(jié)構(gòu) 11
1.6 高速緩存 13
1.6.1 動機 13
1.6.2 高速緩存原理 13
1.6.3 高速緩存設(shè)計 15
1.7 直接內(nèi)存存取 15
1.8 多處理器和多核計算機組織結(jié)構(gòu) 16
1.8.1 對稱多處理器 16
1.8.2 多核計算機 17
1.9 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 19
1.9.1 關(guān)鍵術(shù)語 19
1.9.2 復(fù)習(xí)題 19
1.9.3 習(xí)題 19
附錄1A 兩級存儲器的性能特征 21
第2章 操作系統(tǒng)概述 26
2.1 操作系統(tǒng)的目標和功能 26
2.1.1 作為用戶/計算機接口的
操作系統(tǒng) 26
2.1.2 作為資源管理器的操作系統(tǒng) 27
2.1.3 操作系統(tǒng)的易擴展性 28
2.2 操作系統(tǒng)的演化 29
2.2.1 串行處理 29
2.2.2 簡單批處理系統(tǒng) 29
2.2.3 多道批處理系統(tǒng) 31
2.2.4 分時系統(tǒng) 33
2.3 主要成就 34
2.3.1 進程 34
2.3.2 內(nèi)存管理 36
2.3.3 信息保護和安全 37
2.3.4 調(diào)度和資源管理 38
2.4 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征 39
2.5 容錯性 40
2.5.1 基本概念 41
2.5.2 錯誤 41
2.5.3 操作系統(tǒng)機制 42
2.6 多處理器和多核操作系統(tǒng)設(shè)計
考慮因素 42
2.6.1 對稱多處理器操作系統(tǒng)設(shè)計
考慮因素 42
2.6.2 多核操作系統(tǒng)設(shè)計考慮因素 43
2.7 微軟Windows系統(tǒng)簡介 44
2.7.1 背景 44
2.7.2 體系結(jié)構(gòu) 44
2.7.3 客戶-服務(wù)器模型 46
2.7.4 線程和SMP 47
2.7.5 Windows對象 47
2.8 傳統(tǒng)的UNIX系統(tǒng) 48
2.8.1 歷史 48
2.8.2 描述 49
2.9 現(xiàn)代UNIX系統(tǒng) 50
2.9.1 System V Release 4（SVR4） 51
2.9.2 BSD 51
2.9.3 Solaris 11 51
2.10 Linux操作系統(tǒng) 51
2.10.1 歷史 51
2.10.2 模塊結(jié)構(gòu) 52
2.10.3 內(nèi)核組件 53
2.11 Android 55
2.11.1 Android軟件體系結(jié)構(gòu) 56
2.11.2 Android運行時 57
2.11.3 Android系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 59
2.11.4 活動 60
2.11.5 電源管理 60
2.12 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 60
2.12.1 關(guān)鍵術(shù)語 60
2.12.2 復(fù)習(xí)題 61
2.12.3 習(xí)題 61

第二部分 進程

第3章 進程描述和控制 64
3.1 什么是進程 64
3.1.1 背景 64
3.1.2 進程和進程控制塊 65
3.2 進程狀態(tài) 66
3.2.1 兩狀態(tài)進程模型 67
3.2.2 進程的創(chuàng)建和終止 68
3.2.3 五狀態(tài)模型 69
3.2.4 被掛起的進程 71
3.3 進程描述 74
3.3.1 操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu) 75
3.3.2 進程控制結(jié)構(gòu) 75
3.4 進程控制 79
3.4.1 執(zhí)行模式 79
3.4.2 進程創(chuàng)建 80
3.4.3 進程切換 81
3.5 操作系統(tǒng)的執(zhí)行 82
3.5.1 無進程內(nèi)核 82
3.5.2 在用戶進程內(nèi)運行 83
3.5.3 基于進程的操作系統(tǒng) 84
3.6 UNIX SVR4進程管理 84
3.6.1 進程狀態(tài) 84
3.6.2 進程描述 85
3.6.3 進程控制 87
3.7 小結(jié) 87
3.8 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 88
3.8.1 關(guān)鍵術(shù)語 88
3.8.2 復(fù)習(xí)題 88
3.8.3 習(xí)題 88
第4章 線程 91
4.1 進程和線程 91
4.1.1 多線程 91
4.1.2 線程的功能 93
4.2 線程分類 95
4.2.1 用戶級和內(nèi)核級線程 95
4.2.2 其他方案 97
4.3 多核和多線程 99
4.3.1 多核系統(tǒng)上的軟件性能 99
4.3.2 應(yīng)用示例：Valve游戲軟件 100
4.4 Windows的進程和線程管理 101
4.4.1 后臺任務(wù)管理和應(yīng)用生命
周期 102
4.4.2 Windows進程 103
4.4.3 進程對象和線程對象 103
4.4.4 多線程 104
4.4.5 線程狀態(tài) 104
4.4.6 對操作系統(tǒng)子系統(tǒng)的支持 105
4.5 Solaris的線程和SMP管理 106
4.5.1 多線程體系結(jié)構(gòu) 106
4.5.2 動機 106
4.5.3 進程結(jié)構(gòu) 107
4.5.4 線程的執(zhí)行 108
4.5.5 把中斷當作線程 108
4.6 Linux的進程和線程管理 109
4.6.1 Linux任務(wù) 109
4.6.2 Linux線程 110
4.6.3 Linux命名空間 111
4.7 Android的進程和線程管理 112
4.7.1 安卓應(yīng)用 112
4.7.2 活動 113
4.7.3 進程和線程 114
4.8 Mac OS X的GCD技術(shù) 114
4.9 小結(jié) 116
4.10 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 116
4.10.1 關(guān)鍵術(shù)語 116
4.10.2 復(fù)習(xí)題 116
4.10.3 習(xí)題 117
第5章 并發(fā)：互斥和同步 121
5.1 互斥：軟件解決方法 122
5.1.1 Dekker算法 122
5.1.2 Peterson算法 125
5.2 并發(fā)的原理 126
5.2.1 一個簡單的例子 127
5.2.2 競爭條件 128
5.2.3 操作系統(tǒng)關(guān)注的問題 128
5.2.4 進程的交互 128
5.2.5 互斥的要求 131
5.3 互斥：硬件的支持 131
5.3.1 中斷禁用 131
5.3.2 專用機器指令 132
5.4 信號量 133
5.4.1 互斥 136
5.4.2 生產(chǎn)者/消費者問題 137
5.4.3 信號量的實現(xiàn) 142
5.5 管程 142
5.5.1 使用信號的管程 142
5.5.2 使用通知和廣播的管程 145
5.6 消息傳遞 146
5.6.1 同步 147
5.6.2 尋址 148
5.6.3 消息格式 149
5.6.4 排隊原則 149
5.6.5 互斥 149
5.7 讀者/寫者問題 150
5.7.1 讀者優(yōu)先 151
5.7.2 寫者優(yōu)先 152
5.8 小結(jié) 154
5.9 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 154
5.9.1 關(guān)鍵術(shù)語 154
5.9.2 復(fù)習(xí)題 154
5.9.3 習(xí)題 155
第6章 并發(fā)：死鎖和饑餓 164
6.1 死鎖原理 164
6.1.1 可重用資源 167
6.1.2 可消耗資源 167
6.1.3 資源分配圖 168
6.1.4 死鎖的條件 169
6.2 死鎖預(yù)防 169
6.2.1 互斥 170
6.2.2 占有且等待 170
6.2.3 不可搶占 170
6.2.4 循環(huán)等待 170
6.3 死鎖避免 170
6.3.1 進程啟動拒絕 171
6.3.2 資源分配拒絕 171
6.4 死鎖檢測 174
6.4.1 死鎖檢測算法 174
6.4.2 恢復(fù) 175
6.5 一種綜合的死鎖策略 175
6.6 哲學(xué)家就餐問題 176
6.6.1 基于信號量的解決方案 177
6.6.2 基于管程的解決方案 178
6.7 UNIX并發(fā)機制 178
6.7.1 管道 179
6.7.2 消息 179
6.7.3 共享內(nèi)存 179
6.7.4 信號量 179
6.7.5 信號 180
6.8 Linux內(nèi)核并發(fā)機制 180
6.8.1 原子操作 181
6.8.2 自旋鎖 182
6.8.3 信號量 183
6.8.4 屏障 184
6.9 Solaris線程同步原語 185
6.9.1 互斥鎖 186
6.9.2 信號量 186
6.9.3 多讀者/單寫者鎖 186
6.9.4 條件變量 187
6.10 Windows的并發(fā)機制 187
6.10.1 等待函數(shù) 187
6.10.2 分派器對象 187
6.10.3 臨界區(qū) 188
6.10.4 輕量級讀寫鎖和條件變量 188
6.10.5 鎖無關(guān)同步機制 189
6.11 Android進程間通信 189
6.12 小結(jié) 190
6.13 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 190
6.13.1 關(guān)鍵術(shù)語 190
6.13.2 復(fù)習(xí)題 190
6.13.3 習(xí)題 191

第三部分 內(nèi)存

第7章 內(nèi)存管理 196
7.1 內(nèi)存管理的需求 196
7.1.1 重定位 196
7.1.2 保護 197
7.1.3 共享 197
7.1.4 邏輯組織 197
7.1.5 物理組織 198
7.2 內(nèi)存分區(qū) 198
7.2.1 固定分區(qū) 198
7.2.2 動態(tài)分區(qū) 200
7.2.3 伙伴系統(tǒng) 202
7.2.4 重定位 203
7.3 分頁 204
7.4 分段 206
7.5 小結(jié) 207
7.6 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 207
7.6.1 關(guān)鍵術(shù)語 207
7.6.2 復(fù)習(xí)題 208
7.6.3 習(xí)題 208
附錄7A 加載和鏈接 210
第8章 虛擬內(nèi)存 214
8.1 硬件和控制結(jié)構(gòu) 214
8.1.1 局部性和虛擬內(nèi)存 215
8.1.2 分頁 216
8.1.3 分段 222
8.1.4 段頁式 223
8.1.5 保護和共享 224
8.2 操作系統(tǒng)軟件 224
8.2.1 讀取策略 225
8.2.2 放置策略 226
8.2.3 置換策略 226
8.2.4 駐留集管理 230
8.2.5 清除策略 234
8.2.6 加載控制 234
8.3 UNIX和Solaris內(nèi)存管理 235
8.3.1 分頁系統(tǒng) 235
8.3.2 內(nèi)核內(nèi)存分配器 237
8.4 Linux內(nèi)存管理 238
8.4.1 虛擬內(nèi)存 239
8.4.2 內(nèi)核內(nèi)存分配 240
8.5 Windows內(nèi)存管理 240
8.5.1 Windows虛擬地址映射 241
8.5.2 Windows分頁 241
8.5.3 Windows交換 242
8.6 Android內(nèi)存管理 242
8.7 小結(jié) 242
8.8 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 243
8.8.1 關(guān)鍵術(shù)語 243
8.8.2 復(fù)習(xí)題 243
8.8.3 習(xí)題 243

第四部分 調(diào)度

第9章 單處理器調(diào)度 248
9.1 處理器調(diào)度的類型 248
9.1.1 長程調(diào)度 249
9.1.2 中程調(diào)度 250
9.1.3 短程調(diào)度 250
9.2 調(diào)度算法 250
9.2.1 短程調(diào)度規(guī)則 250
9.2.2 優(yōu)先級的使用 251
9.2.3 選擇調(diào)度策略 252
9.2.4 性能比較 258
9.2.5 公平共享調(diào)度 261
9.3 傳統(tǒng)的UNIX調(diào)度 263
9.4 小結(jié) 264
9.5 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 264
9.5.1 關(guān)鍵術(shù)語 264
9.5.2 復(fù)習(xí)題 264
9.5.3 習(xí)題 265
第10章 多處理器、多核和實時調(diào)度 268
10.1 多處理器和多核調(diào)度 268
10.1.1 粒度 268
10.1.2 設(shè)計問題 269
10.1.3 進程調(diào)度 270
10.1.4 線程調(diào)度 271
10.1.5 多核線程調(diào)度 275
10.2 實時調(diào)度 276
10.2.1 背景 276
10.2.2 實時操作系統(tǒng)的特點 276
10.2.3 實時調(diào)度 278
10.2.4 限期調(diào)度 279
10.2.5 速率單調(diào)調(diào)度 282
10.2.6 優(yōu)先級反轉(zhuǎn) 284
10.3 Linux調(diào)度 285
10.3.1 實時調(diào)度 285
10.3.2 非實時調(diào)度 286
10.4 UNIX SVR4調(diào)度 287
10.5 FreeBSD調(diào)度程序 288
10.5.1 優(yōu)先級 288
10.5.2 對稱多處理器與多核支持 289
10.6 Windows調(diào)度 290
10.6.1 進程和線程優(yōu)先級 290
10.6.2 多處理器調(diào)度 291
10.7 小結(jié) 291
10.8 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 292
10.8.1 關(guān)鍵術(shù)語 292
10.8.2 復(fù)習(xí)題 292
10.8.3 習(xí)題 292

第五部分 輸入/輸出和文件

第11章 I/O管理和磁盤調(diào)度 296
11.1 I/O設(shè)備 296
11.2 I/O功能的組織 297
11.2.1 I/O功能的發(fā)展 297
11.2.2 直接內(nèi)存訪問 298
11.3 操作系統(tǒng)設(shè)計問題 299
11.3.1 設(shè)計目標 299
11.3.2 I/O功能的邏輯結(jié)構(gòu) 300
11.4 I/O緩沖 301
11.4.1 單緩沖 301
11.4.2 雙緩沖 302
11.4.3 循環(huán)緩沖 302
11.4.4 緩沖的作用 302
11.5 磁盤調(diào)度 303
11.5.1 磁盤性能參數(shù) 303
11.5.2 磁盤調(diào)度策略 304
11.6 RAID 307
11.6.1 RAID級別0 310
11.6.2 RAID級別1 310
11.6.3 RAID級別2 311
11.6.4 RAID級別3 311
11.6.5 RAID級別4 312
11.6.6 RAID級別5 312
11.6.7 RAID級別6 312
11.7 磁盤高速緩存 313
11.7.1 設(shè)計考慮因素 313
11.7.2 性能考慮因素 314
11.8 UNIX SVR 4 I/O 315
11.8.1 緩沖區(qū)高速緩沖 315
11.8.2 字符隊列 316
11.8.3 無緩沖I/O 316
11.8.4 UNIX設(shè)備 316
11.9 Linux I/O 317
11.9.1 磁盤調(diào)度 317
11.9.2 Linux頁面緩存 319
11.10 Windows I/O 320
11.10.1 基本I/O機制 320
11.10.2 異步I/O和同步I/O 320
11.10.3 軟件RAID 321
11.10.4 卷影復(fù)制 321
11.10.5 卷加密 321
11.11 小結(jié) 321
11.12 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 322
11.12.1 關(guān)鍵術(shù)語 322
11.12.2 復(fù)習(xí)題 322
11.12.3 習(xí)題 322
第12章 文件管理 324
12.1 概述 324
12.1.1 文件和文件系統(tǒng) 324
12.1.2 文件結(jié)構(gòu) 325
12.1.3 文件管理系統(tǒng) 326
12.2 文件組織和訪問 327
12.2.1 堆 328
12.2.2 順序文件 328
12.2.3 索引順序文件 329
12.2.4 索引文件 329
12.2.5 直接文件或散列文件 330
12.3 B樹 330
12.4 文件目錄 332
12.4.1 內(nèi)容 332
12.4.2 結(jié)構(gòu) 333
12.4.3 命名 334
12.5 文件共享 335
12.5.1 訪問權(quán)限 335
12.5.2 同時訪問 335
12.6 記錄組塊 336
12.7 輔存管理 337
12.7.1 文件分配 337
12.7.2 空閑空間管理 339
12.7.3 卷 341
12.7.4 可靠性 341
12.8 UNIX文件管理 341
12.8.1 索引節(jié)點 342
12.8.2 文件分配 343
12.8.3 目錄 344
12.8.4 卷結(jié)構(gòu) 344
12.9 Linux虛擬文件系統(tǒng) 344
12.9.1 超級塊對象 345
12.9.2 索引節(jié)點對象 346
12.9.3 目錄項對象 346
12.9.4 文件對象 346
12.9.5 緩存 346
12.10 Windows文件系統(tǒng) 347
12.10.1 NTFS的重要特征 347
12.10.2 NTFS卷和文件結(jié)構(gòu) 347
12.10.3 可恢復(fù)性 349
12.11 Android文件系統(tǒng) 350
12.11.1 文件系統(tǒng) 350
12.11.2 SQLite 350
12.12 小結(jié) 351
12.13 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 351
12.13.1 關(guān)鍵術(shù)語 351
12.13.2 復(fù)習(xí)題 351
12.13.3 習(xí)題 352

第六部分 嵌入式系統(tǒng)

第13章 嵌入式操作系統(tǒng) 354
13.1 嵌入式系統(tǒng) 354
13.1.1 嵌入式系統(tǒng)概念 354
13.1.2 通用處理器和專用處理器 355
13.1.3 微處理器 355
13.1.4 微控制器 356
13.1.5 深度嵌入式系統(tǒng) 357
13.2 嵌入式操作系統(tǒng)的特性 357
13.2.1 主環(huán)境和目標環(huán)境 358
13.2.2 開發(fā)方法 359
13.2.3 適配現(xiàn)有的操作系統(tǒng) 359
13.2.4 根據(jù)目標建立的嵌入式
操作系統(tǒng) 359
13.3 嵌入式Linux 360
13.3.1 嵌入式Linux系統(tǒng)的特性 360
13.3.2 嵌入式Linux文件系統(tǒng) 361
13.3.3 嵌入式Linux的優(yōu)勢 361
13.3.4 μClinux 362
13.3.5 Android 363
13.4 TinyOS 364
13.4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 364
13.4.2 TinyOS的目標 365
13.4.3 TinyOS的組件 365
13.4.4 TinyOS的調(diào)度程序 367
13.4.5 配置示例 367
13.4.6 TinyOS的資源接口 369
13.5 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 370
13.5.1 關(guān)鍵術(shù)語 370
13.5.2 復(fù)習(xí)題 370
13.5.3 習(xí)題 370
第14章 虛擬機 372
14.1 虛擬機概念 372
14.2 虛擬機管理程序 374
14.2.1 虛擬機管理程序 374
14.2.2 半虛擬化 375
14.2.3 硬件輔助虛擬化 376
14.2.4 虛擬設(shè)備 376
14.3 容器虛擬化 377
14.3.1 內(nèi)核控制組 377
14.3.2 容器的概念 377
14.3.3 容器文件系統(tǒng) 379
14.3.4 微服務(wù) 380
14.3.5 Docker 380
14.4 處理器問題 381
14.5 內(nèi)存管理 382
14.6 輸入/輸出管理 383
14.7 VMware ESXi 384
14.8 微軟Hyper-V與Xen系列 385
14.9 Java虛擬機 386
14.10 Linux VServer虛擬機架構(gòu) 386
14.10.1 架構(gòu) 387
14.10.2 進程調(diào)度 387
14.11 小結(jié) 388
14.12 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 388
14.12.1 關(guān)鍵術(shù)語 388
14.12.2 復(fù)習(xí)題 389
14.12.3 習(xí)題 389
第15章 操作系統(tǒng)安全技術(shù) 390
15.1 入侵者與惡意軟件 390
15.1.1 系統(tǒng)訪問威脅 390
15.1.2 應(yīng)對措施 391
15.2 緩沖區(qū)溢出 392
15.2.1 緩沖區(qū)溢出攻擊 392
15.2.2 編譯時防御 394
15.2.3 運行時防御 396
15.3 訪問控制 397
15.3.1 文件系統(tǒng)訪問控制 397
15.3.2 訪問控制策略 399
15.4 UNIX訪問控制 402
15.4.1 傳統(tǒng)UNIX文件訪問控制 402
15.4.2 UNIX中的訪問控制列表 403
15.5 操作系統(tǒng)加固 404
15.5.1 操作系統(tǒng)安裝：初始安裝
與后續(xù)更新 404
15.5.2 刪除不必要的服務(wù)、應(yīng)用
與協(xié)議 405
15.5.3 對用戶、組和認證過程
進行配置 405
15.5.4 對資源控制進行配置 405
15.5.5 安裝額外的安全控制工具 406
15.5.6 對系統(tǒng)安全進行測試 406
15.6 安全性維護 406
15.6.1 記錄日志 406
15.6.2 數(shù)據(jù)備份和存檔 407
15.7 Windows安全性 407
15.7.1 訪問控制方案 407
15.7.2 訪問令牌 408
15.7.3 安全描述符 408
15.8 小結(jié) 410
15.9 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題 411
15.9.1 關(guān)鍵術(shù)語 411
15.9.2 復(fù)習(xí)題 411
15.9.3 習(xí)題 411
第16章 云與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) 413
16.1 云計算 413
16.1.1 云計算要素 413
16.1.2 云服務(wù)模型 414
16.1.3 云部署模型 415
16.1.4 云計算參考架構(gòu) 416
16.2 云操作系統(tǒng) 418
16.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) 419
16.2.2 云操作系統(tǒng)的需求 420
16.2.3 云操作系統(tǒng)的基本架構(gòu) 420
16.2.4 OpenStack 424
16.3 物聯(lián)網(wǎng) 428
16.3.1 物聯(lián)網(wǎng)中的物 429
16.3.2 升級換代 429
16.3.3 物聯(lián)網(wǎng)支持設(shè)備的組件 429
16.3.4 物聯(lián)網(wǎng)和云環(huán)境 429
16.4 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) 431
16.4.1 受限設(shè)備 431
16.4.2 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的要求 432
16.4.3 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)架構(gòu) 433
16.4.4 RIOT 434
16.5 關(guān)鍵術(shù)語和復(fù)習(xí)題 435
16.5.1 關(guān)鍵術(shù)語 435
16.5.2 復(fù)習(xí)題 436
附錄A 并發(fā)主題 437
附錄B 編程和操作系統(tǒng)項目 446
參考文獻 450