序言一% f/ C, Y! v2 Z; O2 {
序言二
, L1 M! n2 u$ } Q* d M前言$ j/ h" t+ L% q0 U) m% m
部分 操作系统基础
% S7 [0 o, u; m2 Q+ A+ {章 操作系统概述 21 t% \% M9 a! U. E$ X: Q
1.1 简约但不简单：从Hello World说起 2- h' x$ U0 Y$ M% |
1.2 什么是操作系统 3( k- k& N: q# w
1.3 操作系统简史 6, p# h& H) q$ @% r7 J L C4 p- N
1.3.1 GM-NAA I/O：个（批处理）操作系统 6
4 [3 f, s1 [4 E7 z, g! t+ A& ~1.3.2 OS/360：从专用走向通用 6
, q* m! I6 ]. j$ O) H. {1.3.3 Multics/UNIX/Linux：分时与多任务 7
" l) I2 z9 o6 z! g2 g, _1.3.4 macOS/Windows：以人为本的人机交互 8
2 {. z+ F4 f5 Q+ B# g1.4 操作系统接口 9
% {$ e O. A9 E8 n% H" v# |" S+ |1.5 ChCore：一个简单的实验操作系统 11/ j6 ?8 ?1 c0 G# y
参考文献 12
; i$ x0 k3 M# \7 F9 s第2章 硬件结构 13
2 F) G! Y: Y; ^2.1 CPU与指令集架构 14
0 @4 o$ }9 B! a& _9 d% D' E; x2.1.1 指令集 14
, c- ^9 b q* S0 j* C# f0 N. \9 F' a2.1.2 特权级 15
. |# j$ f' c' X9 u0 x2.1.3 寄存器 171 L; A( a$ u& E$ O
2.2 物理内存与CPU缓存 17
6 S! ]1 M4 c7 m# p8 W2.2.1 缓存结构 18
" @6 P5 a& n& ]0 w- x2.2.2 缓存寻址 19+ g4 H: a, i/ [1 q6 }8 A
2.3 设备与中断 20: B6 x( C; [4 a' l: b& u3 c
2.3.1 内存映射输入输出 20/ T: `* [2 T6 h }3 y
2.3.2 轮询与中断 21
- s2 _4 j9 O. ^! x2 d/ k1 w ]8 S1 C6 t! N2.4 思考题 22
? n8 U5 W7 i2 ]( U! p参考文献 22
8 v" t4 x0 E$ j% d$ ?' j- D第3章 操作系统结构 23+ g$ {+ L% R# S( ?+ o$ R2 I
3.1 操作系统的机制与策略 24
; o; W k& o6 {3 x5 W! c- p3.2 操作系统复杂度管理方法 25- U$ a# X% y E& R/ w
3.3 操作系统内核架构 27& Z1 C8 @+ O. F& Y4 |3 ~9 m; @
3.3.1 简要结构 27* k7 Z+ _, p# | }" I9 I; i: a# M% j
3.3.2 宏内核架构 28; b7 `& f0 {% |. E# `+ e! `
3.3.3 微内核架构 30; e2 i/ V4 }: }
3.3.4 外核架构 323 s$ n k9 ?/ N0 A1 r8 ?. w ^2 F
3.3.5 其他操作系统内核架构 34
0 l$ S( b' ` _2 V1 }* ~3.4 操作系统框架结构 35
! s! M$ g( ^ G* q @ p, d3.4.1 Android系统框架 35. o) |6 H# O* D! }6 b( y
3.4.2 ROS系统框架 37, Z% V v6 ^( c$ t2 b( a
3.5 思考题 393 h/ z& s$ z& j- d+ e7 o
参考文献 40 java8.com* @; T5 `6 z$ o6 E1 X0 ^% b
第4章 内存管理 42
1 Q. ?) a7 g3 X9 q" O8 [ m4.1 虚拟地址与物理地址 43
7 M& \- t2 w5 [; _8 r3 C* L4.1.1 初识物理地址与虚拟地址 43
5 V2 W. U. c9 |4.1.2 使用虚拟地址访问物理内存 44# n1 I& I/ g$ d) J+ d
4.1.3 分段与分页机制 44
$ j* X8 v; T+ b4.2 基于分页的虚拟内存 46
% m5 P6 B5 E; x2 r6 {4.2.1 AArch64架构下的4级页表 473 ~- r: F5 B D0 Q9 c; ^
4.2.2 加速地址翻译的重要硬件：TLB 49$ S ^4 x8 B, }- @4 |! F% X
4.2.3 换页与缺页异常 52
& E- o; W+ l: F' ~ H- z4.2.4 页替换策略 54 C! ?$ X9 k4 I4 y! r
4.2.5 工作集模型 57- n! G/ c. @0 o, T2 A/ `7 s3 Z6 h
4.3 虚拟内存功能 58' _; Y7 P v7 P2 A) n: w v
4.3.1 共享内存 58; K7 |5 m4 e6 t& S. h) d# L7 v
4.3.2 写时拷贝 58
5 C% `& P( R: L& J4 o% d4.3.3 内存去重 60
! k# i+ X' h& @0 _5 b+ W# ~5 J1 e, p4.3.4 内存压缩 60* s$ R, b+ h3 f8 ?* }/ i
4.3.5 大页 61
$ P0 a8 K A) i4 v+ g4.4 物理内存分配与管理 627 T4 b( D5 l- y1 W) t8 ?
4.4.1 目标与评价维度 62
4 ?# A$ N4 j8 F( \4 `4.4.2 伙伴系统 63- Z( s' T# J& }
4.4.3 SLAB分配器 658 Q& O7 a/ r( n- [" U
4.4.4 常用的空闲链表 66% z( B* R" R$ n) K6 f1 I
4.4.5 物理内存与CPU缓存 68
7 ?7 ]; K& P! q& N4.5 案例分析：ChCore内存管理机制 70) b" s& [& E0 C
4.6 思考题 73
9 a4 Z! Q1 g# ~- p: R, Y5 p参考文献 748 k, c0 ]# q4 U- x; v& h2 J" v
第5章 进程与线程 76' w: ]# L7 ^4 }, D0 s, h# D; j, T
5.1 进程 76: K' H: ~! G, z
5.1.1 进程的状态 76$ z% B; ?: P; {5 h k% s
5.1.2 进程的内存空间布局 78: m) S6 u; P$ _3 U* k& Z( C% {2 D& D
5.1.3 进程控制块和上下文切换 79
5 ^/ U( E2 y1 l) T5 }: ]' T5.2 案例分析：Linux的进程操作 80' q3 T# D3 u4 d8 |# a0 B
5.2.1 进程的创建：fork 80
$ ? Y0 S+ K Q+ |5.2.2 进程的执行：exec 84
7 \7 F) i0 m2 v: B6 f7 K- K( U5.2.3 进程管理 85' ]8 x1 U4 j- b8 Q) a3 `$ d
5.2.4 讨论：fork过时了吗 89
$ G( E% F7 c& F* k4 A5.3 线程 92, [5 C$ C3 }7 @' \# u5 E
5.3.1 多线程的地址空间布局 93
6 @, i4 Y+ j) }+ b% f5.3.2 用户态线程与内核态线程 93: }! D# \) n& ]2 Y( a
5.3.3 线程控制块与线程本地存储 94
% g" \% C$ n& D' z- H. v# J5.3.4 线程的基本接口：以POSIX线程库为例 95+ v! b5 J5 D1 \9 c9 B; v. V1 t, Z
5.4 案例分析：ChCore的线程上下文 99: z6 e1 s+ G0 J
5.4.1 线程的上下文和TCB 99
+ f; k8 W [9 [. O9 u' Q/ C' _5.4.2 ChCore中上下文切换的实现 100; S& F. o- |/ g: g7 q. n2 s
5.5 纤程 102
9 }7 v/ @; }$ B5.5.1 对纤程的需求：一个简单的例子 1037 W8 @6 V$ Y- ~2 e' \1 [' C
5.5.2 POSIX的纤程支持：ucontext 103
8 K) j" |/ Y$ R) {8 L7 g! N5.5.3 纤程的上下文切换 105+ O: q% ]# W B) n7 s+ t& P
5.6 思考题 1064 j7 A+ m9 q7 E% B' G
参考文献 107
& x; e! h9 i. {8 o' z第6章 操作系统调度 108+ z/ M1 H! O9 {1 J( u: |
6.1 计算机调度简介 1083 C( l e; _4 u0 n6 o
6.1.1 操作系统调度 110( U; Z4 H. v) ?2 f" ]: n0 }
6.1.2 调度指标 1112 P0 a4 `- e7 b
6.2 调度机制 113- z/ R" m: L/ X
6.2.1 长期、中期与短期调度 114
& ?7 G% x! V% C" ?$ y) u7 t6.2.2 任务调度总览 116& O3 W3 K6 p6 ^8 y7 n
6.3 单核调度策略 117
7 R( M2 C5 K+ E2 x# l4 z+ j6.3.1 经典调度 118
0 y4 U( I' X; ` [6.3.2 优先级调度 1225 H& `* }1 ?6 `; W9 x
6.3.3 公平共享调度 127
/ J J* N# M7 L! }# ?6.3.4 实时调度 133' q$ e# B! W0 d4 y% x
6.3.5 其他调度 138
) ^/ {6 M9 p6 X1 R' r4 |' D6.4 多核调度策略 141
6 U- i- N1 g+ M5 E' x" t6.4.1 负载分担 141
; L# [ o. q& ]* D, s0 o; w" y6.4.2 协同调度 142
8 \1 j" t1 Y8 W# D- o2 ~6.4.3 两级调度 144
u0 i @5 O" X! W( Y6.4.4 负载追踪与负载均衡 145& p/ P; h5 `/ H- C5 n) H, F
6.4.5 能耗感知调度 148
' F( A- K: ]5 p6.5 调度进阶机制 1510 v3 x+ ?# S( B7 V
6.5.1 处理器亲和性 1522 K! b& Z4 L( Y( n2 z. w+ W
6.5.2 调度策略设置 153- ]$ Q; B+ U' ] u- e
6.6 案例分析：现代调度器 155/ ?1 }1 Q& y$ d2 d* c& [" m6 L
6.6.1 Linux调度器 155. r/ S" t, j. N. p5 Z
6.6.2 macOS/iOS调度器 160
$ P& u) z5 c U/ [1 F( S* B6.7 思考题 162' c; j& a* \) W8 t9 O. W
参考文献 163: R# Q9 j% Y/ E% y/ W: R+ @
第7章 进程间通信 165" L2 V* o7 @2 n7 `
7.1 进程间通信基础 165
$ ~- Q1 c) W: g, S) z* n8 _$ @7.1.1 一个简单的进程间通信设计 166+ T! ^% j, m# T) F, _
7.1.2 数据传递 167
5 F6 t, P* o7 ]/ V' k8 |2 I7.1.3 控制流转移 169
( t2 z! M7 [% d) O3 S7.1.4 单向和双向 170
; T5 t. ~/ p/ t; h8 {+ ?$ |7.1.5 同步和异步 1700 I2 v# e- P. s. C5 Q# h) b
7.1.6 超时机制 171
+ b5 \5 G! J5 H9 s* O9 G& n5 } q7.1.7 通信连接管理 172
( {# ]0 M* p4 o7.1.8 权限检查 173
/ r! a" A- Z8 t/ a6 D, H, z; z( _7.1.9 命名服务 174
' V: p7 K3 l/ B7 n) E) f" F$ b7.2 宏内核进程间通信 175- o4 M0 `- h/ c
7.2.1 管道进程间通信 175( D) V( Q" U, S1 @' Q( u2 G( U" M
7.2.2 System V消息队列 1786 ]# ^. W+ _1 v. N$ K { y# j
7.2.3 System V信号量 179
# A% j$ K# x2 P+ {( B1 G7.2.4 System V共享内存 180
* U+ N8 \6 \. R% G7.2.5 信号进程间通信 181
1 s. W! O# U8 X% S/ |7.2.6 套接字进程间通信 1851 U" v, N4 U- L9 }; K$ _
7.3 微内核进程间通信 186( S1 w H+ G4 Z
7.3.1 Mach：早期的微内核进程间通信设计 1865 x w: M7 ~% R) ^
7.3.2 L4：围绕进程间通信优化而设计的微内核系统 188
; m0 k/ f1 G' p- l% D* R! B7.3.3 LRPC：迁移线程模型 193
7 R% N4 J K) R& R7.4 案例分析：Android Binder 195
3 F# ?+ O; C' {+ ?5 m8 C7.4.1 背景 1950 A. {' x! u* X
7.4.2 Binder IPC总览 196
4 @, E4 n! y$ `5 ?7.4.3 Binder IPC内核设计 196" @$ ]$ E' n* f e
7.4.4 匿名共享内存 199
) ~& |& x0 u* q7.5 案例分析：ChCore 进程间通信机制 201
0 ` g9 T+ M8 ~; N" W2 L7.6 思考题 203& z; f; v, k: T* U
参考文献 203% f i- Q: y( W3 S& \# I- E
第8章 同步原语 206
) g( s, Y/ [- `9 l8.1 互斥锁 209 q2 }5 ^1 f8 ~8 j! F
8.1.1 临界区问题 2093 @% q: B; o+ L! t0 f8 W4 W
8.1.2 硬件实现：关闭中断 211
. `5 h9 C0 [+ ^3 P0 k k4 a8.1.3 软件实现：皮特森算法 211
& H9 Y/ E% D; Y# n4 P( f8.1.4 软硬件协同：使用原子操作实现互斥锁 213" G Q" b; r' R1 F! O6 d% |7 k
8.2 条件变量 219
) c& A/ [) M7 |8.2.1 条件变量的使用 219/ l6 F& Z) H2 o; w- U
8.2.2 条件变量的实现 222% i0 ?. W% }9 {/ j6 m k0 d1 n
8.3 信号量 2235 |9 h7 J; T* T8 v
8.3.1 信号量的使用 224
7 X, W: s# F. j6 j$ j$ F8.3.2 信号量的实现 225- D2 E H& B! F/ g! `
8.4 读写锁 229) P' v! p$ y* p5 {# y& K) c
8.4.1 读写锁的使用 229
6 Q& k4 X" Z7 L+ T8.4.2 读写锁的实现 230 x5 {0 O3 T) G% q5 L
8.5 RCU 233
" b- j3 c1 U) z2 w( a) q& `8.5.1 订阅/发布机制 234- N6 J# D, Y0 }3 c7 x# C" d
8.5.2 宽限期 2367 t% j4 A }" V: q% ]
8.6 管程 237
' D/ ^+ y6 l- a5 g" |8 N( }8.7 同步带来的问题 239
/ G7 X7 q$ } _1 J i8.7.1 死锁 239
6 [# Q/ s# b( u5 A# ]! F+ v8.7.2 活锁 245; ]' Z- o' J7 o6 E
8.7.3 优先级反转 2467 e q7 C3 h4 A P. c
8.8 案例分析：Linux中的futex 249) U) {+ Y7 q/ g* M9 P
8.9 案例分析：ChCore中的同步原语 251
% y+ {: I7 }' {+ E1 L8.10 思考题 252% D# m% |: [# i/ ? n2 @- z$ ?
参考文献 254
, E& e! E: D( Q( J6 r0 x5 W d第9章 文件系统 256
$ |9 y$ e9 o& b1 i W9.1 基于inode的文件系统 257
8 f9 Y: y* I' u8 ?* R9.1.1 inode与文件 258
" n2 c0 u% h2 b; T* s9.1.2 文件名与目录 2601 h1 D# {8 ~5 ?& |
9.1.3 硬链接与符号链接 263
( i& R3 d5 r; [; N9.1.4 存储布局 264
& X, k+ X. B$ z2 i- c9 q$ X$ O9.2 虚拟文件系统 2669 X- R; y* R6 W6 Q K! k- h0 t
9.2.1 面向文件系统的接口 266$ J9 o$ c" L7 X# }4 c! X: P
9.2.2 面向应用程序的接口 2705 T( Z3 X& p6 L& g3 b
9.2.3 页缓存、直接I/O与内存映射 2770 W$ I' a# ^; F1 d
9.2.4 多种文件系统的组织和管理 2808 G2 V4 x" h/ a; q* \
9.2.5 伪文件系统 282( M/ p2 F1 A9 \/ u
9.3 其他文件系统 284; I& ?. V. ^- k+ Q+ ^5 G. q
9.3.1 FAT文件系统 284* P6 L8 J! S4 Y9 i) ~+ j- h: r
9.3.2 NTFS 288
) A- a: M% ~8 b4 |* R* P" j9.3.3 FUSE与用户态文件系统 292
9 k/ R9 J' {& _" J8 u) ]% o9.4 案例分析：ChCore文件系统 2948 L% n. g/ c# _! ^7 L6 h9 W
9.4.1 ChCore的文件系统架构 294) W# V( ]1 j7 r* V
9.4.2 内存文件系统 295
s' d+ E* a# f! l9 `9.5 思考题 296
- O$ _- b" e- s) b1 {参考文献 297
7 r0 k2 `) P( H7 z0章 设备管理 299
3 b( p1 U: y$ T6 F10.1 计算机设备的连接和通信 300. s# K, p O9 u. U
10.1.1 设备的连接：总线 300
8 N- d- y1 {3 x* h7 P8 v8 Y. V: U10.1.2 可编程I/O 301
! E5 j5 \0 _6 L/ U10.1.3 高效数据传输：DMA 301
* _9 U( R& c4 Y6 c2 S1 p" J: K10.1.4 设备地址翻译：IOMMU 302
: u) G i% V5 D1 C- F) Y7 b10.2 设备的识别 303
M, w+ p- Y$ i' a10.2.1 设备树 3034 {- p1 H+ K& K9 ^' [
10.2.2 ACPI 304: v6 n/ B$ ~" L3 i
10.3 设备的中断处理 305
, M- |( B% ?2 A6 Z& c10.3.1 中断控制器 305
( |' v7 D1 J% @4 x- b6 b$ ^10.3.2 中断的基本概念 306; }9 D G8 q! B% \- a: D+ Z
10.3.3 中断处理：以Linux上下半部的机制为例 308: e% R, O- k% q) \$ Y* L/ ?9 }
10.4 设备驱动与设备驱动模型 3134 `9 E2 V2 M2 |# O. i
10.4.1 设备驱动 313
1 d M, F- u& x4 i6 F7 G6 M10.4.2 设备驱动模型 315$ Y# m$ w2 L5 }2 \6 k# W$ Y2 I. E
10.5 案例分析：Linux设备驱动模型 315
* u3 j( N2 d$ C) n- a10.5.1 Linux的设备抽象 315$ Y! s1 R g0 l& J9 r' t
10.5.2 Linux的设备驱动模型 318: |% r6 x5 `) k7 \* y! Y2 Z$ ?: V
10.5.3 Linux驱动的动态管理 3192 @* i7 t. ^! `/ U; _, ^. ^
10.5.4 Linux的sysfs文件系统 321 [# x) `) [* U( O( H# J4 {
10.6 案例分析：L4设备驱动模型 322, i/ ~6 \; b4 [/ Y t5 E
10.7 案例分析：Linux的用户态驱动框架 323
7 ^% n+ ^3 c* P10.8 思考题 327+ B1 q5 p" N* k; e
参考文献 327
' R5 {8 B F/ B, ?: S1章 系统虚拟化 329
+ |3 a! `# W/ L" t& K, j11.1 系统虚拟化技术概述 330
' [. z2 I7 q6 @. E; x7 ]11.1.1 系统虚拟化及其组成部分 330- {5 E6 s1 H1 A3 P6 |
11.1.2 虚拟机监控器的类型 3317 b8 w, }8 g0 g0 m. E
11.2 CPU虚拟化 332
. m2 z8 ]) x/ p" L3 i4 ^ F11.2.1 下陷和模拟 333/ V% e# F% X2 C/ z$ m* D
11.2.2 可虚拟化架构与不可虚拟化架构 333
# @" B) Z/ J) \7 O. G11.2.3 解释执行 334
$ r5 o& r; r1 B0 S$ T11.2.4 动态二进制翻译 335
2 t% K$ H3 B! e" E11.2.5 扫描和翻译 3361 X# r; x8 n7 ~' x3 @, I: I$ M
11.2.6 半虚拟化技术 337$ }) W M! J: E
11.2.7 硬件虚拟化技术 3386 U, w3 ?$ a4 x
11.2.8 小结 340. I* i: [4 X, Y) {" U) ~
11.3 内存虚拟化 3415 i2 P$ d: E D
11.3.1 影子页表机制 343! i& p. g, P! |7 |- X
11.3.2 影子页表的缺页异常处理流程 345
3 }4 a. H7 v8 I" Q7 W" r* Y11.3.3 直接页表映射机制 345& ^* h$ g2 R# C
11.3.4 两阶段地址翻译机制 346: d& W! a8 p' n3 ]) g% Y5 ]1 x
11.3.5 换页和内存气球机制 349
) y" `+ B" g- Q5 H# y11.3.6 小结 351
/ `3 P; L" |) v11.4 I/O虚拟化 351) ~" f0 V7 z! I7 X2 A2 {) D1 L2 ^; U6 a
11.4.1 软件模拟方法 352& I" y: F- [; E' U
11.4.2 半虚拟化方法 354- ~- @' \' H! X( E$ X
11.4.3 设备直通：IOMMU和SR-IOV 356
2 ]0 W3 K" |, r2 N3 Q. A11.4.4 小结 359
% N _0 g. D3 a11.5 中断虚拟化 360
6 {* Y4 |) q+ ~! Y, s11.6 案例分析：QEMU/KVM 361$ w: g9 p4 ]/ `# ~3 g
11.6.1 KVM API和一个简单的虚拟机监控器 362' s% D$ L) `5 b- L6 {: J
11.6.2 KVM与QEMU 3642 J, o4 D9 m; A. N
11.6.3 KVM内部实现简介 366
Y. k0 g4 u" ?; R m! O' N! Q11.7 思考题 367
{9 Z- k$ B$ @$ Y参考文献 367
" G. m+ M6 O6 z缩略语 369
" d* {- }) T$ g5 _在线章节一
9 S9 p v+ R: ?2 q3 z第二部分 操作系统进阶( @( K- l# G: [0 _
2章 多核与多处理器
; n- y, T n* t- |& o' G$ Q+ w3章 文件系统崩溃一致性0 X, j4 s1 M6 b
4章 网络协议栈与系统
% u; u9 b9 g* G: z3 w' O( Y+ N5章 轻量级虚拟化
$ [8 A4 m, w2 n- j. V6章 操作系统安全
5 Z! O+ N, g9 X7 L- ?7 t( H, o7章 操作系统调测$ v' ~4 ?9 M, l" D* { Z+ I
8章 形式化证明
3 D+ q6 G2 I) w第三部分 ChCore课程实验9 Y! m t( w* Q6 h5 B1 D' L0 J7 u! }, o
9章 实验1：机器启动+ u6 w% W! Q% X
第20章 实验2：内存管理$ L; B! T4 N2 T, C
第21章 实验3：用户进程与异常处理- B8 Z1 f8 T2 X- F/ W, q
第22章 实验4：多核处理
& x( e9 a0 n% f- d2 V第23章 实验5：文件系统与Shell2 U6 k' H) n# F& U, i6 m$ t
第24章 实验6：进阶实践: s6 h" K- Y6 t, e7 n
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2023-12-14
