现代体系结构上的UNIX系统 内核程序员的对称多处理和缓存技术 修订版2025|PDF|Epub|mobi|kindle电子书版本百度云盘下载

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第1章 回顾UNIX内核原理1

1.1 引言1

1.2 进程、程序和线程2

1.3 进程地址空间3

1.3.1 地址空间映射5

1.4 上下文切换6

1.5 内存管理和进程管理的系统调用6

1.5.1 系统调用fork7

1.5.2 系统调用exec9

1.5.3 系统调用exit9

1.5.4 系统调用sbrk和brk9

1.5.5 共享内存10

1.5.6 I/O操作10

1.5.7 映射文件11

1.6 小结11

1.7 习题11

1.8 进一步的读物12

第一部分 高速缓存存储系统17

第2章 高速缓存存储系统概述17

2.1 存储器层次结构17

2.2 高速缓存基本原理19

2.2.1 如何存取高速缓存19

2.2.2 虚拟地址还是物理地址21

2.2.3 搜索高速缓存21

2.2.4 替换策略22

2.2.5 写策略22

2.3 直接映射高速缓存24

2.3.1 直接映射高速缓存的散列算法25

2.3.2 直接映射高速缓存的实例27

2.3.3 直接映射高速缓存的缺失处理和替换策略30

2.3.4 直接映射高速缓存的总结31

2.4 双路组相联高速缓存31

2.5 n路组相联高速缓存33

2.6 全相联高速缓存33

2.7 n路组相联高速缓存的总结33

2.8 高速缓存冲洗34

2.9 无缓存的操作35

2.10 独立的指令高速缓存和数据高速缓存35

2.11 高速缓存的性能37

2.12 各种高速缓存体系的差异38

2.13 习题38

2.14 进一步的读物41

第3章 虚拟高速缓存45

3.1 虚拟高速缓存的操作45

3.2 虚拟高速缓存的问题47

3.2.1 歧义47

3.2.2 别名48

3.3 管理虚拟高速缓存50

3.3.1 上下文切换51

3.3.2 fork51

3.3.3 exec54

3.3.4 exit54

3.3.5 brk和sbrk54

3.3.6 共享内存和映射文件55

3.3.7 I/O55

3.3.8 用户－内核数据的歧义58

3.4 小结59

3.5 习题59

3.6 进一步的读物61

第4章 带有键的虚拟高速缓存63

4.1 带有键的虚拟高速缓存的操作63

4.2 管理带有键的虚拟高速缓存64

4.2.1 上下文切换64

4.2.2 fork65

4.2.3 exec67

4.2.4 exit68

4.2.5 brk和sbrk68

4.2.6 共享内存和映射文件68

4.2.7 I/O70

4.2.8 用户－内核数据的歧义71

4.3 在MMU中使用虚拟高速缓存71

4.4 小结72

4.5 习题72

4.6 进一步的读物74

第5章 带有物理地址标记的虚拟高速缓存75

5.1 带有物理标记的虚拟高速缓存的组成75

5.2 管理带有物理标记的虚拟高速缓存78

5.2.1 上下文切换78

5.2.2 fork78

5.2.3 exec79

5.2.4 exit79

5.2.5 brk和sbrk79

5.2.6 共享内存和映射文件80

5.2.7 I/O80

5.2.8 用户－内核数据的歧义80

5.3 小结81

5.4 习题81

5.5 进一步的读物82

第6章 物理高速缓存83

6.1 物理高速缓存的组成83

6.2 管理物理高速缓存85

6.2.1 上下文切换85

6.2.2 fork85

6.2.3 exee、exit、brk和sbrk85

6.2.4 共享内存和映射文件86

6.2.5 用户－内核数据的歧义86

6.2.6 I/O和总线监视86

6.3 多级高速缓存91

6.3.1 带有次级物理高速缓存的主虚拟高速缓存91

6.3.2 带有物理标记的主虚拟高速缓存和次级物理高速缓存93

6.4 小结94

6.5 习题95

6.6 进一步的读物96

第7章 高效的高速缓存管理技术97

7.1 引言97

7.2 地址空间布局97

7.2.1 虚拟索引的高速缓存97

7.2.2 动态地址绑定100

7.2.3 物理索引的高速缓存101

7.3 受限于高速缓存大小的冲洗操作102

7.4 滞后的高速缓存无效操作103

7.4.1 带有键的虚拟高速缓存104

7.4.2 没有总线监视机制的物理标记高速缓存104

7.5 缓存对齐的数据结构105

7.6 小结107

7.7 习题107

7.8 进一步的读物108

第二部分 多处理器系统111

第8章 多处理器系统概述111

8.1 引言111

8.2 紧密耦合、共享存储的对称多处理器113

8.3 MP存储器模型114

8.3.1 顺序存储模型115

8.3.2 原子读和原子写115

8.3.3 原子读－改－写操作117

8.4 互斥119

8.5 回顾单处理器UNIX系统上的互斥120

8.5.1 短期互斥121

8.5.2 带有中断处理器的互斥121

8.5.3 长期互斥122

8.6 在MP上使用UP互斥策略的问题124

8.7 小结125

8.8 习题125

8.9 进一步的读物127

第9章 主从内核129

9.1 引言129

9.2 自旋锁130

9.3 死锁131

9.4 主从内核的实现133

9.4.1 运行队列的实现133

9.4.2 从处理器的进程选择136

9.4.3 主处理器的进程选择137

9.4.4 时钟中断处理137

9.5 性能考虑137

9.6 小结139

9.7 习题140

9.8 进一步的读物142

第10章 采用自旋锁的内核145

10.1 引言145

10.2 巨型上锁145

10.3 不需要上锁的多线程情况147

10.4 粗粒度上锁148

10.5 细粒度上锁150

10.5.1 短期互斥150

10.5.2 长期互斥151

10.5.3 带有中断处理器的互斥152

10.5.4 锁的粒度153

10.5.5 性能154

10.5.6 内核抢占154

10.6 休眠和唤醒对多处理器的影响155

10.7 小结156

10.8 习题156

10.9 进一步的读物159

第11章 采用信号量的内核161

11.1 引言161

11.1.1 采用信号量的互斥162

11.1.2 采用信号量的同步162

11.1.3 采用信号量分配资源163

11.2 死锁163

11.3 实现信号量164

11.4 粗粒度信号量的实现167

11.5 采用信号量的多线程168

11.5.1 长期互斥168

11.5.2 短期互斥169

11.5.3 同步169

11.6 性能考虑170

11.6.1 测量锁争用170

11.6.2 结对171

11.6.3 多读锁173

11.7 小结177

11.8 习题177

11.9 进一步的读物178

第12章 其他MP原语181

12.1 引言181

12.2 管程181

12.3 事件计数和定序器183

12.4 SVR4.2 MP的MP原语185

12.4.1 自旋锁185

12.4.2 休眠锁187

12.4.3 同步变量188

12.4.4 多读锁190

12.5 比较MP同步原语191

12.6 小结193

12.7 习题193

12.8 进一步的读物194

第13章 其他存储模型197

13.1 引言197

13.2 Dekker算法198

13.3 其他存储模型199

13.4 完全存储定序201

13.5 部分存储定序204

13.6 作为存储层次结构一部分的保存缓冲区206

13.7 小结207

13.8 习题207

13.9 进一步的读物208

第三部分 带有高速缓存的多处理器系统213

第14章 MP高速缓存一致性概述213

14.1 引言213

14.2 高速缓存一致性问题214

14.3 软件高速缓存一致性217

14.3.1 共享数据不被缓存218

14.3.2 选择性的高速缓存冲洗219

14.3.3 处理其他存储模型222

14.4 小结223

14.5 习题223

14.6 进一步的读物224

第15章 硬件高速缓存一致性229

15.1 引言229

15.2 写－使无效协议231

15.2.1 写直通－使无效协议231

15.2.2 写一次协议231

15.2.3 MESI协议234

15.3 写－更新协议235

15.3.1 Firefly协议235

15.3.2 MIPS R4000更新协议236

15.4 读－改－写操作的一致性236

15.5 多级高速缓存的硬件一致性237

15.6 其他主要的存储体系结构238

15.6.1 交叉开关互连238

15.6.2 基于目录的硬件高速缓存一致性240

15.7 对软件的影响242

15.8 非顺序存储模型的硬件一致性243

15.9 软件的性能考虑244

15.9.1 数据结构在高速缓存内对齐244

15.9.2 在获得自旋锁时减少对高速缓存行的争用245

15.9.3 一致性协议与数据用途相匹配246

15.10 小结247

15.11 习题248

15.12 进一步的读物249

附录A 体系结构汇总255

附录B 部分习题的答案263