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第一篇 基础原理篇2

第1章 操作系统导论2

引子：智者的挑战2

1.1人造学科3

1.2程序是如何运行的5

1.3什么是操作系统7

1.4魔幻与管理8

1.5用户程序与操作系统9

1.6操作系统的范畴11

1.7为什么学习操作系统12

思考题13

第2章 操作系统历史14

引子：操作系统进化的推动因素14

2.1第一阶段：状态机操作系统（1940年以前）15

2.2第二阶段：单一操作员、单一控制端操作系统（20世纪40年代）16

2.3第三阶段：批处理操作系统（20世纪50年代）16

2.4第四代：多道批处理操作系统（20世纪60年代）18

2.5第五代之一：分时操作系统（20世纪70年代）19

2.6第五代之二：实时操作系统20

2.7第六代：现代操作系统（1980年以后）21

2.8操作系统的演变过程22

2.9操作系统的未来发展趋势25

思考题26

第3章 操作系统基本概念27

引子：“差不多”精神27

3.1计算机硬件基本知识28

3.2抽象31

3.3内核态和用户态31

3.4操作系统结构33

3.5进程、内存和文件35

3.6系统调用36

3.7壳37

思考题39

第二篇 进程原理篇42

第4章 进程42

引子42

4.1进程概论43

4.2进程模型44

4.3多道编程的效率44

4.4进程的产生与消失46

4.5进程的层次结构47

4.6进程的状态47

4.7进程创立49

4.8进程与地址空间49

4.9进程管理50

4.10进程的缺陷52

思考题52

第5章 线程53

引子53

5.1进程的分身术——线程54

5.2线程管理55

5.3线程的实现方式56

5.4现代操作系统的线程实现模型60

5.5多线程的关系60

5.6讨论：从用户态进入内核态61

5.7讨论：线程的困惑——确定性与非确定性62

思考题63

第6章 线程通信64

引子64

6.1为什么要通信64

6.2线程对白：管道、记名管道、套接字65

6.3线程电报：信号69

6.4线程旗语：信号量70

6.5线程拥抱：共享内存71

6.6信件发送：消息队列71

6.7其他通信机制72

思考题72

第7章 进程同步73

引子73

7.1为什么要同步73

7.2线程同步的目的75

7.3锁的进化75

7.4睡觉与叫醒：生产者与消费者问题81

7.5信号量84

7.6锁、睡觉与叫醒、信号量87

7.7管程88

7.8消息传递91

7.9栅栏93

思考题93

第8章 进程调度96

引子96

8.1调度的目标97

8.2处理器调度的总体目标97

8.3先来先服务调度算法98

8.4时间片轮转98

8.5短任务优先99

8.6优先级调度101

8.7混合调度算法102

8.8其他调度算法102

8.9实时调度算法103

8.10高级议题：调度异常之优先级倒挂104

思考题106

第9章 锁的实现107

引子：锁的实现哲学107

9.1以中断启用与禁止来实现锁108

9.2以测试与设置指令来实现锁109

9.3以非繁忙等待、中断启用与禁止来实现锁111

9.4以最少繁忙等待、测试与设置来实现锁113

9.5中断禁止、测试与设置116

思考题117

第10章 死锁应对118

引子118

10.1发生死锁的原因118

10.2死锁的描述120

10.3死锁的4个必要条件121

10.4哲学家就餐问题122

10.5死锁的应对122

10.6消除死锁的必要条件128

10.7银行家算法：冒险的代价130

10.8哲学家就餐问题之解132

10.9讨论：死锁的思考——综合治理134

10.10讨论：死锁、活锁与饥饿134

思考题135

第三篇 内存原理篇138

第11章 基本内存管理138

引子138

11.1内存管理的环境139

11.2内存管理的目标140

11.3虚拟内存的概念140

11.4操作系统在内存的位置142

11.5单道编程的内存管理143

11.6多道编程的内存管理144

11.7闲置空间管理150

思考题152

第12章 页式内存管理153

引子153

12.1基址极限管理模式的问题154

12.2分页内存管理156

12.3分页系统的优缺点160

12.4翻译速度161

12.5缺页中断处理163

12.6锁住页面163

12.7页面尺寸164

12.8内存抖动165

思考题167

第13章 页面更换算法168

引子168

13.1页面需要更换169

13.2页面更换的目标169

13.3随机更换算法170

13.4先进先出算法170

13.5第二次机会算法171

13.6时钟算法172

13.7最优更换算法172

13.8 NRU算法173

13.9 LRU算法174

13.10工作集算法179

13.11工作集时钟算法181

13.12页面替换策略181

思考题182

第14章 段式内存管理184

引子184

14.1分页系统的缺点185

14.2分段管理系统186

14.3分段的优缺点188

14.4段页式内存管理189

14.5段号是否占用寻址字位190

14.6讨论：否定之否定的嵌套——纯粹分段与逻辑分段、分页与段页191

思考题192

第四篇 文件原理篇194

第15章 磁盘操作194

引子194

15.1磁盘组织与管理195

15.2磁盘的结构195

15.3盘面的结构196

15.4磁盘驱动器的访问速度197

15.5操作系统界面198

15.6磁盘调度算法199

思考题202

第16章 文件基础203

引子203

16.1为什么需要文件系统203

16.2什么是文件系统204

16.3文件系统的目标205

16.4文件的基本知识205

16.5从用户角度看文件系统205

16.6地址独立的实现机制：文件夹212

16.7文件系统调用214

16.8内存映射的文件访问215

思考题216

第17章 文件系统实现217

引子217

17.1文件系统的布局218

17.2文件的实现219

17.3目录实现：地址独立的实现226

17.4闲置空间管理231

思考题232

第18章 文件系统233

引子233

18.1文件系统访问控制234

18.2主动控制：访问控制表235

18.3能力表236

18.4访问控制的实施238

18.5文件系统性能239

18.6提高系统性能的方法245

18.7文件系统设计分析：日志结构的文件系统248

18.8海量数据文件系统250

思考题251

第五篇I／O原理篇254

第19章 输入输出254

引子254

19.1什么是输入输出255

19.2输入输出的目的256

19.3输入输出硬件256

19.4输入输出软件262

19.5 I/O软件分层266

思考题269

第六篇 多核原理篇272

第20章 多核结构与内存272

引子272

20.1以量取胜273

20.2多核基本概念273

20.3多核的内存结构277

20.4对称多处理器计算机的启动过程279

20.5多处理器之间的通信279

20.6 SMP缓存一致性281

20.7多处理器、超线程和多核的比较281

思考题282

第21章 多核环境下的进程同步与调度283

引子283

21.1多核环境下操作系统的修正284

21.2多核环境下的进程同步与调度284

21.3多核进程同步284

21.4硬件原子操作285

21.5总线锁285

21.6多核环境下的软件同步原语286

21.7旋锁286

21.8其他同步原语289

21.9多核环境下的进程调度289

21.10多核环境下的能耗管理292

21.11讨论：多核系统的性能293

思考题295

第七篇 操作系统设计原理篇298

第22章 操作系统设计之原理298

引子298

22.1操作系统设计的追求300

22.2操作系统设计的第1条哲学原理：层次架构300

22.3操作系统设计的第2条哲学原理：没有对错301

22.4操作系统设计的第3条哲学原理：懒人哲学302

22.5操作系统设计的第4条哲学原理：让困于人303

22.6操作系统设计的第5条哲学原理：留有余地304

22.7操作系统设计的第6条哲学原理：子虚乌有——海市蜃楼之美305

22.8操作系统设计的第7条哲学原理：时空转换——沧海桑田之变305

22.9操作系统设计的第8条哲学原理：策机分离与权利分离305

22.10操作系统设计的第9条哲学原理：简单为美——求于至简、归于永恒306

22.11操作系统设计的第10条哲学原理：适可而止306

思考题307

结语308

参考文献310