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Java电子书：现代操作系统：原理与实现 PDF 电子书 Java吧 java8.com+ ~6 H0 V) B5 S4 ?) U' U
& |! |5 Z7 P/ B& r# D8 ]作者:陈海波夏虞斌等 著出版社:机械工业出版社出版时间:2020年10月
4 O. k7 j$ J6 B% ^, y& B3 C2 j/ A
: s1 P f: _. n* Q2 b) R编号：166-Java吧资源免费-X0097【Java吧 java8.com】$ P: l4 W- T4 D
1 r: ~ n# v: D; Z9 R- Q# |$ o- w5 y/ B9 q8 }, B$ f4 u5 ~) j+ u8 R
# E; m( E! t- s
目录：
& A3 l& [, d( O& E序言一6 m, g {0 h# |: e
序言二
6 ?9 f( ^9 _) u, N2 O前言
/ _0 o/ L% @' ~2 p9 A; v$ e部分 操作系统基础9 R! `6 R- `& h
章 操作系统概述 2, D p! ?8 j* f0 _. u# _9 H9 s3 E
1.1 简约但不简单：从Hello World说起 2- j9 q7 O+ o( \5 n
1.2 什么是操作系统 3
, q' F: J3 K" W3 w: g9 {: i2 m: ?1.3 操作系统简史 6
, F2 S* t2 \* X8 R$ B9 h7 B* e8 ~1.3.1 GM-NAA I/O：个（批处理）操作系统 6
, G$ v! ]% B4 u% z1.3.2 OS/360：从专用走向通用 6: f; m$ ^& E" o, F) [4 E6 L# z! A
1.3.3 Multics/UNIX/Linux：分时与多任务 7" Q- L, j+ @. G2 \: z0 K5 D% c: ~
1.3.4 macOS/Windows：以人为本的人机交互 8
2 X) v; i1 R; |6 W0 v$ ^" L3 }1.4 操作系统接口 95 y, U& f; e9 P1 \3 U6 \0 X* v. d# K
1.5 ChCore：一个简单的实验操作系统 11
/ Y @) t1 I: O. Z' o; Y3 b参考文献 12
@* ]3 w( W+ G7 H9 I& E" f第2章 硬件结构 13
F0 `3 G! v* [ B2 a2.1 CPU与指令集架构 147 e6 H$ n1 Q3 M4 {
2.1.1 指令集 14- Q4 l+ |/ \' V! e
2.1.2 特权级 15
: t4 `3 |" p% a" F2 U2.1.3 寄存器 17, O; e$ s: Q5 f/ w4 H# U B5 p
2.2 物理内存与CPU缓存 17
7 ~& U) r h% s, c7 u' ^# y2.2.1 缓存结构 18 m8 j% @9 [4 c6 q1 [
2.2.2 缓存寻址 19
! w2 [1 _- y* z: K- Z2.3 设备与中断 20
0 n' t- g( K" i. J2.3.1 内存映射输入输出 20! @7 x3 S( @( c
2.3.2 轮询与中断 21' m- c3 q4 L2 N) {& k# C
2.4 思考题 22
. i) r W8 s! ^( G. K参考文献 22
) q3 \- n* {6 F第3章 操作系统结构 23" g) O, {0 w, g/ b8 j
3.1 操作系统的机制与策略 24
+ U4 v6 y+ i# c2 G3.2 操作系统复杂度管理方法 25
/ D+ B3 f; @5 n% X5 X3.3 操作系统内核架构 27
+ C# m q# P+ b7 Z) k3.3.1 简要结构 27: r9 f6 S6 ^6 `9 i
3.3.2 宏内核架构 280 Q& J x/ F7 ^2 a* R2 C- V9 |' N
3.3.3 微内核架构 30
$ D. K; E6 r) X* H3.3.4 外核架构 32
6 I0 U1 c9 y9 }4 c: q; {; ?3.3.5 其他操作系统内核架构 34/ G, o6 s2 y# \0 `, s0 H
3.4 操作系统框架结构 35
4 Y$ O) h7 [$ o: V3.4.1 Android系统框架 35
3 R0 R z3 ~ ~, k) X5 y8 P0 F3.4.2 ROS系统框架 37
" M, w6 u) q I$ d# ^' C; O* d3.5 思考题 39' g' Q( P7 ~2 g. c
参考文献 40 java8.com$ m5 ^& L2 f: r
第4章 内存管理 426 V3 E- F! `- w) L3 P, }1 z$ ]
4.1 虚拟地址与物理地址 431 u. U+ L$ e) _! m( R0 z
4.1.1 初识物理地址与虚拟地址 43* A y3 E$ Q( R' |; d W% h7 i6 t
4.1.2 使用虚拟地址访问物理内存 44
! P$ I4 J1 L" |* }# J4.1.3 分段与分页机制 441 t: g3 L ^( J. K
4.2 基于分页的虚拟内存 46) x0 W) A+ ^* A$ S) l
4.2.1 AArch64架构下的4级页表 47* t( ~# K. G$ c
4.2.2 加速地址翻译的重要硬件：TLB 49- ]0 _+ `2 ?8 f8 A( c/ J( M4 s
4.2.3 换页与缺页异常 52
9 o% T+ B" U+ i" ^2 L4.2.4 页替换策略 54( Q0 N, M7 a1 q! a
4.2.5 工作集模型 57
4 B0 z- }5 A5 c4 l& ]+ L" f4.3 虚拟内存功能 58! c& B5 m6 r2 s8 v! T. W
4.3.1 共享内存 581 w1 o% r6 e( l+ f1 F% h8 Y
4.3.2 写时拷贝 58
. ^ G7 e! D9 y7 e( g6 [5 L5 f* ]4.3.3 内存去重 60( i4 b6 R% |) |
4.3.4 内存压缩 60
/ f/ h) g) y2 \: r- J4.3.5 大页 61; N$ q% y! I. e
4.4 物理内存分配与管理 62
9 e D! Q+ c$ b+ u0 h/ K4.4.1 目标与评价维度 62+ } O/ E- I3 _, x! E' \
4.4.2 伙伴系统 637 R/ j* B, C- [
4.4.3 SLAB分配器 65; `2 c9 g8 Q; H* I( w# w
4.4.4 常用的空闲链表 66
% O/ @, w* f1 |6 W) r4.4.5 物理内存与CPU缓存 68
6 P2 y @) ?5 e, _4.5 案例分析：ChCore内存管理机制 70
! r5 s9 L6 i% ~8 U1 n9 ^4.6 思考题 73& Z+ P' @) p! j# P( _
参考文献 74
$ p3 K, S& o$ o- U; h" B第5章 进程与线程 76
$ j" a) f% ?2 d5 F5.1 进程 76
- I9 c0 b2 n: H* m' P5.1.1 进程的状态 766 |/ f( m" O; Q( O- N
5.1.2 进程的内存空间布局 78- k Q( E, H" M8 I/ g
5.1.3 进程控制块和上下文切换 79
1 }% o% D5 B& k& I# |5.2 案例分析：Linux的进程操作 801 D7 Y# I- G" b& P
5.2.1 进程的创建：fork 80" i2 I% o$ w" l% m$ K
5.2.2 进程的执行：exec 84
! T' Q1 K% n) f% W5.2.3 进程管理 85- \' |3 D" |# ^! W8 x8 y) S7 w
5.2.4 讨论：fork过时了吗 89
+ k) Q6 j- x% G& b! U6 S3 h. h5.3 线程 92; w4 ~/ c$ r9 L; A7 ^" @6 [! G. n1 G
5.3.1 多线程的地址空间布局 930 P; G: t' Z( b
5.3.2 用户态线程与内核态线程 93
4 M e# ~3 v- b9 V5.3.3 线程控制块与线程本地存储 94
5 D, i+ j4 ]! C3 B5.3.4 线程的基本接口：以POSIX线程库为例 95) V; U9 m% ^% Q! a* s+ A7 M
5.4 案例分析：ChCore的线程上下文 990 o+ H) r9 ?6 E, w# u% F4 h7 ^2 r' S" O
5.4.1 线程的上下文和TCB 99) [! V/ e, D! @
5.4.2 ChCore中上下文切换的实现 100
$ H M2 ]2 B$ [( o; F5.5 纤程 102+ ]3 I5 ~. c8 k) [* b% ^: @9 Q
5.5.1 对纤程的需求：一个简单的例子 103
7 @4 v6 c8 ~; w, b/ S+ l' l5.5.2 POSIX的纤程支持：ucontext 103
7 X7 j5 x6 Q% p9 d& A5.5.3 纤程的上下文切换 1053 x" l: J$ F' i& z) k) y
5.6 思考题 106
@& O3 V4 o6 \7 W& @参考文献 107$ | z0 \+ N. V: o) \( |
第6章 操作系统调度 108/ `8 S8 m( M: P' S, w0 @
6.1 计算机调度简介 108
0 N1 @* X9 Y4 Z' h" i& N2 H5 _6.1.1 操作系统调度 110
# \( B. N7 V& y/ M- B3 G0 e6.1.2 调度指标 111
& u _! A3 H, h+ j6.2 调度机制 113
% N; j5 S( V l6.2.1 长期、中期与短期调度 114
# [5 i) k4 `7 y6.2.2 任务调度总览 1168 V/ B$ v8 i5 t% i. ^2 O% a
6.3 单核调度策略 117
7 c0 b) g( p2 J/ `9 F5 N6.3.1 经典调度 118+ z s( k- H% J& L
6.3.2 优先级调度 122
& ^8 h9 I+ z2 ^) w- N3 d6.3.3 公平共享调度 127
6 U% \ e% p9 |) h2 z6.3.4 实时调度 1339 M6 k- M- a0 }6 t3 N
6.3.5 其他调度 138
7 s$ P! B2 H2 L+ l! R- r* Y6.4 多核调度策略 141
) K& H( X7 u( A8 Y6.4.1 负载分担 141- P& T/ z- B2 O* ?( I
6.4.2 协同调度 142* Q7 N7 O& z0 @/ W3 x4 t% `9 u
6.4.3 两级调度 144
4 j' Q: z3 j# w0 M# g6.4.4 负载追踪与负载均衡 1453 c8 p/ z7 G* U- M) H r5 {
6.4.5 能耗感知调度 148
; K- J9 L R" t6.5 调度进阶机制 151. J- r9 J( S& Y5 |
6.5.1 处理器亲和性 152
- B: i( @3 l9 n5 y: n6.5.2 调度策略设置 153
! t0 a* m8 w W8 w% s. L3 e, M/ Z7 F6.6 案例分析：现代调度器 155
) H/ K" D3 V- ]( t/ h6.6.1 Linux调度器 155
" t; F- Z# ]- `. s0 _6.6.2 macOS/iOS调度器 160. i. d, b% u0 P6 w- K2 u
6.7 思考题 162
N" G+ V' @/ \' W9 P参考文献 163; V9 b7 w* |% g! C
第7章 进程间通信 165# }: ^: G1 A, N3 ]
7.1 进程间通信基础 165' d+ r5 R* r( Z' l4 N" z6 u6 `0 g
7.1.1 一个简单的进程间通信设计 1661 @: g1 r. ?6 c% Z8 R9 Y6 Q
7.1.2 数据传递 167. s$ S, @ D! j n6 m
7.1.3 控制流转移 169
. R& C) C* d+ e! p0 a7.1.4 单向和双向 170* i; [7 U: @9 j5 d# C) e. }
7.1.5 同步和异步 170
7 D6 y& U8 y7 A7.1.6 超时机制 171$ F- y& M9 }) ^. Z
7.1.7 通信连接管理 172. }5 {9 C( S* D4 Q' v1 J; |1 z0 b
7.1.8 权限检查 173, L" [- i, j. N+ F0 D' }
7.1.9 命名服务 174
; R y) J% _/ H+ |+ C* y- r7.2 宏内核进程间通信 175
* B, S0 I. o. \( p% v" {7 ^+ d" @7.2.1 管道进程间通信 175: J( i- ?* P: a
7.2.2 System V消息队列 1787 {6 {5 z+ y* d0 ^) }; g
7.2.3 System V信号量 179
$ s+ B, x' X+ K8 x" \7.2.4 System V共享内存 180
$ Y3 v( m/ E( F1 d0 D& @7.2.5 信号进程间通信 181
2 f7 A, W' O! Z7.2.6 套接字进程间通信 185" G; ^) e7 L: _/ d6 b
7.3 微内核进程间通信 1866 @% _6 B" l0 O$ g1 J. D
7.3.1 Mach：早期的微内核进程间通信设计 186
6 `( `% B3 \8 ~* z7 T7.3.2 L4：围绕进程间通信优化而设计的微内核系统 188
$ q" R' k W( d7 w P L) O7 n7.3.3 LRPC：迁移线程模型 193$ f- A6 M7 Q7 D# D( |
7.4 案例分析：Android Binder 195
. t) X' ^ x- i4 R1 p( H7 q7.4.1 背景 195
x7 x! e) k2 h( q; x) k3 [7.4.2 Binder IPC总览 196
5 ]6 }1 K- @; l9 `) \3 ]4 C4 ?7.4.3 Binder IPC内核设计 196
+ o3 H( C3 i3 C' ]- ?8 L" {7.4.4 匿名共享内存 199
4 [4 C% b) z, T- _4 ?7.5 案例分析：ChCore 进程间通信机制 2017 [ B z: T# q2 N% C3 U
7.6 思考题 203
# e9 z3 ~) {0 O) n9 q; C0 Q/ ^+ @1 Q参考文献 203* D9 d& n# Y: d. ^+ b
第8章 同步原语 206
) e& {# j. C$ V5 c8.1 互斥锁 209. E: g' Q) q5 V1 t" n1 ^
8.1.1 临界区问题 209+ Q/ |( G; o/ _
8.1.2 硬件实现：关闭中断 2118 b0 i) S- |/ c/ P) b
8.1.3 软件实现：皮特森算法 211' T$ @' y' {' u) l" @9 ?
8.1.4 软硬件协同：使用原子操作实现互斥锁 2136 i4 K6 z0 y( u8 G) T$ d
8.2 条件变量 219
0 a8 S! i- T" P) Q' i" ]8.2.1 条件变量的使用 2192 Z: t$ Q5 _. X) U. E
8.2.2 条件变量的实现 222: L* {5 z/ @7 Y# m0 ]- F% v
8.3 信号量 223/ `6 L3 u2 r( f
8.3.1 信号量的使用 2245 X+ z* F0 f/ Y# ~ `. C: _
8.3.2 信号量的实现 225
0 U* M4 U$ R% k6 u% t- I8.4 读写锁 2298 n$ @9 _. ~6 Q% F) G( ?4 b# r
8.4.1 读写锁的使用 229
3 M) s0 V5 a5 t+ d4 S. P4 D% k1 S# N8 U8.4.2 读写锁的实现 230; Z3 }# Y8 j$ c8 U: A. `
8.5 RCU 233
( ?% L3 B2 @0 U$ p1 u8.5.1 订阅/发布机制 234
5 Z2 y' Q' y7 s4 f8.5.2 宽限期 236# V! u7 E! F# Z2 [7 D* C3 F+ l
8.6 管程 237
& W8 w1 y4 p- _0 O( `- w8.7 同步带来的问题 2396 L* a0 R; q; ~" Q$ y, D2 l' r
8.7.1 死锁 239- ^3 |) [6 e& Y
8.7.2 活锁 245! m$ b( X) S1 d: N! a7 N! A
8.7.3 优先级反转 246: ]! }7 Z, s0 @4 o
8.8 案例分析：Linux中的futex 249$ J$ a' v1 ~! K/ e4 b
8.9 案例分析：ChCore中的同步原语 251
2 ^$ c" H6 I) S+ a8.10 思考题 252
8 N- f: e9 a6 p r1 ?3 U参考文献 2546 t- Z, m' \8 ^( K7 _
第9章 文件系统 256' D: U7 Y3 T$ S
9.1 基于inode的文件系统 257
& T# ]$ f& K) C5 R8 K9.1.1 inode与文件 258
6 `2 E9 u6 a1 t8 G: Y' n( |) e2 O9.1.2 文件名与目录 2601 e' R5 Q2 F1 j. A4 Q9 G4 P
9.1.3 硬链接与符号链接 263! G* B! j8 o" }) w4 C# S# Z
9.1.4 存储布局 264( q' V! m! c- u2 r$ s* q
9.2 虚拟文件系统 266
. ^; B4 _$ V: l" Y8 u1 g7 N9.2.1 面向文件系统的接口 266
8 C& f; Q' D i9.2.2 面向应用程序的接口 270
& C: @6 p: Q9 p0 _! y9.2.3 页缓存、直接I/O与内存映射 277
8 m. a0 e, Z u' Y& s9.2.4 多种文件系统的组织和管理 280
& [/ j7 \* K7 i3 D4 r9.2.5 伪文件系统 282# L7 }' g: m, G: [0 e
9.3 其他文件系统 2848 c2 a1 A( Z, ?% X" P$ _
9.3.1 FAT文件系统 284
X8 H3 c% V( t$ v2 `- q1 \. n9.3.2 NTFS 288! V' ?8 \6 S' @
9.3.3 FUSE与用户态文件系统 2928 A9 `( {8 V) F& P# F: n
9.4 案例分析：ChCore文件系统 294
+ H+ O% ~& R! M6 l9.4.1 ChCore的文件系统架构 294
( H& ?, x! Y7 w$ d9.4.2 内存文件系统 295 g. w, Z2 l6 M+ y& E- G9 v
9.5 思考题 296# p) n. o, h; ?4 Z/ M
参考文献 2978 e: R3 X$ \% }6 G- \9 I
0章 设备管理 299: f* e3 p# [8 x# v3 P
10.1 计算机设备的连接和通信 3000 [0 X: D. b! |2 D8 T; x' W
10.1.1 设备的连接：总线 300$ l5 _- a- X8 L7 J6 N) M2 Z$ }
10.1.2 可编程I/O 301
/ G& |) R' L. V# r10.1.3 高效数据传输：DMA 301
0 b3 Y& U: n5 `" ?7 F+ U7 c4 M1 H# [10.1.4 设备地址翻译：IOMMU 302) I0 v; {$ L- N3 h
10.2 设备的识别 303
- C% {$ R9 Z2 T10.2.1 设备树 303
# y4 a' e3 D" ~" T/ O2 J10.2.2 ACPI 304
0 Y8 M2 V( s2 k! _10.3 设备的中断处理 305& N. M* A. X |- U, c
10.3.1 中断控制器 305% C0 I# P. s4 R5 f8 @2 F- Q
10.3.2 中断的基本概念 306& f0 F+ a, I# | J6 P6 b
10.3.3 中断处理：以Linux上下半部的机制为例 308
( b6 t1 ^8 y% O, L! f3 g10.4 设备驱动与设备驱动模型 313
' i) C% A, L$ j: R6 O10.4.1 设备驱动 313
/ ~3 P1 B; q& h2 X' d- `+ I8 B10.4.2 设备驱动模型 315
! f: a T& H4 M! }- h3 p6 [" d10.5 案例分析：Linux设备驱动模型 315
- d$ B8 W5 v' a9 q8 w10.5.1 Linux的设备抽象 315
! H, ^, q' Q$ }/ }: k10.5.2 Linux的设备驱动模型 3184 X- J3 Z/ C2 x9 a
10.5.3 Linux驱动的动态管理 319/ g8 G$ _5 x+ ~. T: y7 O( r. _" t) [
10.5.4 Linux的sysfs文件系统 321
. M0 M! r B. p10.6 案例分析：L4设备驱动模型 3222 |5 D/ t4 o& i5 R7 V# o$ U
10.7 案例分析：Linux的用户态驱动框架 323- x' I* Z% N/ w0 o
10.8 思考题 327
n0 K0 V+ L3 C1 e; y, ~9 v- z参考文献 327
- l T' m0 n1 P1 Y1 _5 Y1章 系统虚拟化 329
& w5 B+ z, d/ ~11.1 系统虚拟化技术概述 330
8 `- m. |! K/ V11.1.1 系统虚拟化及其组成部分 330
& \. H$ ]' A% M. }% U6 Q) t5 g11.1.2 虚拟机监控器的类型 331$ [$ o% v; v# |. ]- a+ g9 f
11.2 CPU虚拟化 332; S% u/ `: X( E2 x
11.2.1 下陷和模拟 3330 _- X# g9 I# a# j
11.2.2 可虚拟化架构与不可虚拟化架构 333
; p, F4 L( f# Q# ]6 q- ?/ o; {11.2.3 解释执行 334( S" L3 ]# g, M
11.2.4 动态二进制翻译 3351 W. s* a# P4 V @9 S" J& }- E
11.2.5 扫描和翻译 3364 V% D) I1 P! A7 b4 V
11.2.6 半虚拟化技术 337
/ m! f' r: P J4 E' ]11.2.7 硬件虚拟化技术 3381 I5 G: {; ?# f; Y8 @" y% N! o2 m0 K
11.2.8 小结 340, N" l. `6 N& ^) ^/ y
11.3 内存虚拟化 341% ^: l. T2 U% p; X& C0 e
11.3.1 影子页表机制 343
7 `" Q. F# s: X. r! ]) Y2 f11.3.2 影子页表的缺页异常处理流程 345* r8 Q2 |0 k2 U$ e8 E. e( s
11.3.3 直接页表映射机制 345
( j6 I. V% W3 ~! w: m11.3.4 两阶段地址翻译机制 346' T( {6 c9 M/ |* v6 D2 `
11.3.5 换页和内存气球机制 349, v: {* I2 d0 ?+ g& u
11.3.6 小结 351% r( A9 l4 m: i% E _
11.4 I/O虚拟化 351& F# ]) R. U$ ?+ L7 O8 t
11.4.1 软件模拟方法 352% }7 P! _! q: c3 Q
11.4.2 半虚拟化方法 3543 ]7 n# ~+ X4 Z- n! \" ]
11.4.3 设备直通：IOMMU和SR-IOV 356
! i6 K6 Z+ T$ l+ F R5 j* E0 y/ i11.4.4 小结 359/ o3 I" Y# \* P- k4 X2 b' \7 H
11.5 中断虚拟化 360. A9 }3 {5 ]1 L5 M5 ~3 ]& q
11.6 案例分析：QEMU/KVM 361
3 j7 y+ r! K' B0 p4 x11.6.1 KVM API和一个简单的虚拟机监控器 362
" @, m7 [! b/ U1 T& V3 A1 o11.6.2 KVM与QEMU 364
7 Y d' [0 D, K G6 @6 H! z5 g, @11.6.3 KVM内部实现简介 366
3 G" z& b0 M1 [6 m3 V( Z11.7 思考题 3675 t' c) @ c$ N+ I8 m: R& e" n
参考文献 367' b. q; j$ L" ]& e6 R
缩略语 369. l2 h. P, h( z" H3 i) q t
在线章节一
6 x2 A* C2 \9 E. x' b1 S* {第二部分 操作系统进阶0 G% C. T8 h+ \% I
2章 多核与多处理器
. G# L" r4 v/ _4 T+ w3章 文件系统崩溃一致性7 v1 J2 A6 y4 B$ }
4章 网络协议栈与系统8 c+ y: X( m- [7 D) g( F+ \: Q
5章 轻量级虚拟化
( D, _7 H1 E) e/ y3 l6章 操作系统安全9 B) ?. Y! q1 T8 @% x& |& t
7章 操作系统调测
4 y& w$ J' B! c; w1 |8章 形式化证明
$ [* T. K* k9 V: g第三部分 ChCore课程实验: R$ J+ x' T. n5 Z
9章 实验1：机器启动2 r( q9 i* S; V$ ~& c2 v" u& v C- |% ^
第20章 实验2：内存管理
3 e9 d) ]2 O3 Q( Y# [) M4 Y' G- N第21章 实验3：用户进程与异常处理
) i0 W1 J* |" T& l第22章 实验4：多核处理
% Y+ [9 H& i$ o, ]" x% t第23章 实验5：文件系统与Shell, n# ?0 Y! T& J! T2 M
第24章 实验6：进阶实践! P9 w' H5 s6 p. J
} P6 a. B* W5 }3 O
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2023-12-14
