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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
* P5 E5 ?4 U$ M/ l% f: d4 k* r j C
) l; ]. S2 G( O8 R$ z W7 B6 P* ]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
, F' @+ d6 i) A: e! Q7 r: ?
& r# V# I: @3 m# q' p1 b; j编号：166-Java吧资源免费-X0097【Java吧 java8.com】
) C3 w% q$ b: q9 K/ n2 m$ t2 ~8 B5 l* `# _" }, j; s% O1 S* q
% }4 o% [/ Z) l8 @
! D3 j% ?6 V2 B/ _8 I7 M目录：5 S; [" M! V8 i( Z1 |) t8 F1 Y
序言一- m, L# |; D5 h& g- w6 ]
序言二' Q( e) v# T2 s: I/ s6 s
前言
+ x# u% J# B) K) Y: Q部分 操作系统基础 b5 I, F/ X, w+ R$ N
章 操作系统概述 2
% [6 V8 f2 h% F* U: d1.1 简约但不简单：从Hello World说起 2
( D/ I2 h* @7 ]2 }' g1 l8 c, u' Z1.2 什么是操作系统 3
% f( N! s8 {8 N! a. m5 ^0 U1.3 操作系统简史 6( V$ N" b' G( s6 O9 v
1.3.1 GM-NAA I/O：个（批处理）操作系统 6) I8 _) U9 B8 V1 b$ ]4 c
1.3.2 OS/360：从专用走向通用 6' D- W0 K% X' K0 f4 q+ |* s+ W
1.3.3 Multics/UNIX/Linux：分时与多任务 7% L, X5 H$ c0 }; l
1.3.4 macOS/Windows：以人为本的人机交互 8& b. H( t; O m" |
1.4 操作系统接口 94 z9 H8 [ [1 M8 E# A' P+ g
1.5 ChCore：一个简单的实验操作系统 11+ ]" E" J. M0 f4 }
参考文献 121 {) G i7 M6 q8 A9 q
第2章 硬件结构 13
/ o( Z. y% `0 M* x" b2.1 CPU与指令集架构 14
! R, a% ?2 O9 l+ h& i6 T2 R2.1.1 指令集 14
, \8 d0 j1 t1 Y) I) l. M2.1.2 特权级 153 a1 g. r, ]9 N1 j/ K* K
2.1.3 寄存器 17
% [3 }" t) R: V: j; @/ q2.2 物理内存与CPU缓存 17
5 b/ ?: x& K9 I% z: R- u. M2.2.1 缓存结构 18
) K+ g! Q0 w1 x$ h2.2.2 缓存寻址 19+ {! S3 r3 @% w+ I
2.3 设备与中断 20
3 P' D& C* L$ t( G1 W2.3.1 内存映射输入输出 20
2 n$ C; Y( p6 O; Y" i9 t2.3.2 轮询与中断 21+ V5 f$ j! l6 Q# l4 a! B3 A
2.4 思考题 228 G2 P$ S" n e/ l" L
参考文献 22
; Y2 N9 ^- P+ z( D1 `* m第3章 操作系统结构 23( P2 _, c1 o2 M& `+ U' d
3.1 操作系统的机制与策略 242 P& m6 e* _* w
3.2 操作系统复杂度管理方法 253 n( \" E; A0 R
3.3 操作系统内核架构 27; z n( Y- d x% d! L% X7 Q+ L
3.3.1 简要结构 27# D7 }% |4 U& y9 ^) L
3.3.2 宏内核架构 28
/ y u! D# Z' v6 |$ z% ?8 h' Q3.3.3 微内核架构 30
5 W0 \' @7 R) n/ W3.3.4 外核架构 32
& v3 |3 p1 I/ V2 i3 R, k3.3.5 其他操作系统内核架构 34( D$ K) M- _1 C8 I& M4 o
3.4 操作系统框架结构 35+ x7 C! R E4 C' ?! I
3.4.1 Android系统框架 35
0 p' L; ~) g; W( w' b6 V8 n3.4.2 ROS系统框架 37
5 c. N; t7 e8 q2 O( S) q3.5 思考题 39" i& r' j# n8 z/ @( g5 f9 L' a
参考文献 40 java8.com
2 O6 ^7 S. d7 p0 x第4章 内存管理 42
, }" `3 Z$ z* {2 a$ \9 H* B+ x4.1 虚拟地址与物理地址 43% M- h9 L5 x6 a7 _
4.1.1 初识物理地址与虚拟地址 43, C. M2 ~2 w7 }( a; s& x- p
4.1.2 使用虚拟地址访问物理内存 44
" t+ {! u) x' ?; B& U4.1.3 分段与分页机制 44
. C% A8 Y. a n* G9 ]4.2 基于分页的虚拟内存 46/ s3 ]; v, p4 ]& _* P! X4 P$ a* s
4.2.1 AArch64架构下的4级页表 47
/ k( I; [ F4 j4.2.2 加速地址翻译的重要硬件：TLB 490 M% A B9 c& p& K: X8 ]0 ]
4.2.3 换页与缺页异常 52/ I4 K1 U' T' U* m
4.2.4 页替换策略 546 N' i& \# X b. Z4 r) K9 I" Z6 \
4.2.5 工作集模型 57
( ~2 w- b5 W6 \3 J) ?' W4.3 虚拟内存功能 584 U- R; ]# u/ `5 q: W- v1 }( e
4.3.1 共享内存 587 q6 D8 e" t! E4 w! x2 X# l3 e
4.3.2 写时拷贝 58% v3 g) R, R+ i9 r
4.3.3 内存去重 60
* n. `& a6 d& l, b3 B4.3.4 内存压缩 60
. ?/ P) |. g i0 ~& D' e6 z' [& H4.3.5 大页 61
; _( t6 X! T9 ]* k6 S' o& K4.4 物理内存分配与管理 628 i: W* c7 F1 j# O* T$ }
4.4.1 目标与评价维度 62
; V' E( l5 L U6 m4.4.2 伙伴系统 63+ x, I) ^6 g8 P1 F
4.4.3 SLAB分配器 65. u* N1 m$ N# k0 Z# |) D$ Y& q
4.4.4 常用的空闲链表 66
; r; U( }8 O6 K4 D4.4.5 物理内存与CPU缓存 683 i# d- ~) Y) o
4.5 案例分析：ChCore内存管理机制 70
8 q% t0 F4 y) s4.6 思考题 73& n" {7 a/ j/ W! e/ R @
参考文献 74
( A9 t Q7 A6 g2 H& l# r第5章 进程与线程 764 T' Z0 J- S/ p$ ?6 Q
5.1 进程 76
/ L5 k0 [+ E7 J1 {1 l- y, k5.1.1 进程的状态 76
0 z: c" }( f; Z% x- w1 R& ]5.1.2 进程的内存空间布局 78
% U+ X$ ~7 N; o8 C5.1.3 进程控制块和上下文切换 79- w, } c4 Q8 }1 {$ U2 p
5.2 案例分析：Linux的进程操作 806 a$ [# |1 ?& Z1 q6 B7 P
5.2.1 进程的创建：fork 80
: x7 u" v, N2 r3 X, T& c5.2.2 进程的执行：exec 84
+ y# v( O, z6 t/ R5.2.3 进程管理 85
2 d& N$ @) N" ~& |% ^5.2.4 讨论：fork过时了吗 89% v9 e2 `& W7 | M: p6 P
5.3 线程 92 G2 \% }3 H+ k, i# @' S! o1 Z
5.3.1 多线程的地址空间布局 93
/ G1 R4 Z& i1 x7 o5.3.2 用户态线程与内核态线程 93
1 `; @9 ^; ?3 q" G0 ~% U7 z* B: C5.3.3 线程控制块与线程本地存储 94% j. s _- t: E8 w4 W
5.3.4 线程的基本接口：以POSIX线程库为例 95( h8 A2 k$ i' t% [
5.4 案例分析：ChCore的线程上下文 99" p) R* n6 O' a
5.4.1 线程的上下文和TCB 99" B8 d4 r; s8 P
5.4.2 ChCore中上下文切换的实现 100
- v5 z8 j! B, \5.5 纤程 102
( N8 s" s; p8 p2 D5.5.1 对纤程的需求：一个简单的例子 103( [* k7 E4 j: ] y: y+ E
5.5.2 POSIX的纤程支持：ucontext 1035 ^" ]4 R$ r- S& w7 a0 q8 T# p: ~
5.5.3 纤程的上下文切换 105
/ C9 j9 W8 Z4 r% p5.6 思考题 106+ Y) f6 X1 [+ G/ a, d! M. D* [. h
参考文献 1073 Q, T. h8 t" o
第6章 操作系统调度 108. I4 D a) [* H G$ ?' A3 G
6.1 计算机调度简介 108
. {6 I* G* T" t: K4 W/ I- g' \. Q6.1.1 操作系统调度 110
! T! a4 r# n8 W* Z8 R Y6.1.2 调度指标 111
: B- x5 g4 m U( S0 [' ~6.2 调度机制 113
3 D+ B! L: u% M7 {0 P9 g6.2.1 长期、中期与短期调度 114
' g) M" G/ T! {% d6 k9 `$ V6.2.2 任务调度总览 116
7 I" O6 w' y* d+ `9 K6.3 单核调度策略 117" `+ W. E1 e H" ] f
6.3.1 经典调度 118
" O) F% l4 T, r. [# {& M& b5 H6.3.2 优先级调度 122& @) I/ b$ @! w9 r
6.3.3 公平共享调度 127
9 \9 P: \" Q8 V0 ~: x O2 @: `- ]6.3.4 实时调度 133; m6 D3 K; y/ E6 C
6.3.5 其他调度 1389 m$ P" J4 }' ^" e# b, o; T- A2 h- O
6.4 多核调度策略 141
/ \, }5 h, y- U% E/ f# c [6.4.1 负载分担 141
' W5 U. r/ L6 \6.4.2 协同调度 1427 O) }$ u( \& b) `
6.4.3 两级调度 144: G6 T4 k( u% I3 l* L
6.4.4 负载追踪与负载均衡 145
3 V4 C6 F: S/ c! @3 Q; U P6 N( o6.4.5 能耗感知调度 148/ E7 S% f% M- V
6.5 调度进阶机制 1515 W6 b" S9 D' R$ q$ c% P2 ^3 R8 s
6.5.1 处理器亲和性 1521 n! b$ J; f* q+ |& J5 z! P$ k0 H
6.5.2 调度策略设置 153$ u* q X' f; ?! D. s
6.6 案例分析：现代调度器 155
( c; V, R: [* R/ i6.6.1 Linux调度器 1554 b0 i: _' u) n) c3 S/ _9 l
6.6.2 macOS/iOS调度器 1601 Z2 K$ d$ B/ d8 j' r3 B8 \: }- s
6.7 思考题 162
4 y' z: O( [* n7 }1 n6 j参考文献 163
. m$ Z/ f- R. n, f7 I第7章 进程间通信 165
# F) g; ?' e0 c7 f& s6 A7.1 进程间通信基础 165 V# m7 ?" T5 E \2 c0 W$ v0 X
7.1.1 一个简单的进程间通信设计 166
7 d; Q6 \5 Q! P+ V) e) _7.1.2 数据传递 1679 @8 \% J0 Z& T1 |
7.1.3 控制流转移 169& c! b* i5 N& A4 e+ d
7.1.4 单向和双向 170
5 r3 T8 r6 W- \5 z7.1.5 同步和异步 170
: y! S/ t8 E9 ]8 n2 z4 b8 c7.1.6 超时机制 171) P* q5 ?) T) k2 q0 q, O
7.1.7 通信连接管理 172
( h8 v2 Y% [* X R0 p& ]( s7.1.8 权限检查 173
% `* }' ?& l. R4 A4 Z, J7.1.9 命名服务 174
) f0 t# r# A& t9 Q7.2 宏内核进程间通信 175
+ h& n- T) @ q8 c& G. S! L7.2.1 管道进程间通信 1750 u3 l. K% r$ x8 O) L! o
7.2.2 System V消息队列 178
- s+ c& Q7 m& Q7.2.3 System V信号量 179% V5 D; l, V2 w% P# C5 n |
7.2.4 System V共享内存 180
3 C! [* e. |+ O' t5 i' M7.2.5 信号进程间通信 1818 U/ q- W% G4 n( {. g
7.2.6 套接字进程间通信 185# A; n4 S/ n- G5 u1 O7 \% P7 x
7.3 微内核进程间通信 186
+ j2 \7 J: l7 w3 Q) }+ H9 c7.3.1 Mach：早期的微内核进程间通信设计 1865 n( t$ x2 c; H% ^9 i) o
7.3.2 L4：围绕进程间通信优化而设计的微内核系统 1888 C( j6 _) ~5 R: n8 b; S' k
7.3.3 LRPC：迁移线程模型 193
7 Z) b. H4 L3 r6 t" l' ~- H2 X7.4 案例分析：Android Binder 1955 ^0 u. M8 I- Z8 ]
7.4.1 背景 195
. D9 K6 m# X1 I {7.4.2 Binder IPC总览 196
" s$ ^! ?) s5 J) b0 @7.4.3 Binder IPC内核设计 196
1 W9 ^0 I# F5 D2 x' K d" f7.4.4 匿名共享内存 199" R E8 }- w8 w: ^7 `
7.5 案例分析：ChCore 进程间通信机制 2015 E/ m) ~) P* d: f8 l
7.6 思考题 203* [: w( n' G) `+ E
参考文献 203
7 X1 w) D/ M- X6 R" e" ?第8章 同步原语 206
8 }; t7 O7 z: V. O# @9 G8.1 互斥锁 209
. o3 q/ J8 l \" g* c4 G& }8.1.1 临界区问题 2091 T- m: c! |, @7 N% t& N2 Z- u
8.1.2 硬件实现：关闭中断 211' Z. j, j1 F& ^/ {8 F; B1 g
8.1.3 软件实现：皮特森算法 211
# ]' H* \5 x4 z3 {7 J( e8.1.4 软硬件协同：使用原子操作实现互斥锁 2135 `) T# w4 @9 @ r+ x( i
8.2 条件变量 219, k% P! G, e; h f7 k& I
8.2.1 条件变量的使用 219/ I) H' u; `3 n/ G) I
8.2.2 条件变量的实现 222
: k1 F* y9 o0 F/ f' e" l8.3 信号量 223
; U0 L: L7 d. R+ k" q8.3.1 信号量的使用 2242 H8 @ n8 Q' L$ R5 Q9 R( Y
8.3.2 信号量的实现 225
, g# b5 h+ {7 u& z$ l/ X8.4 读写锁 229
0 x" R( X' e( i! Q, k: j+ \) M8.4.1 读写锁的使用 2294 Q3 E: Q4 P. t' |) g6 M: ]; }0 M
8.4.2 读写锁的实现 230
: J T/ w+ |8 U' S! |3 c8 u( A) h8.5 RCU 2335 h# h" P ~1 ~1 o4 i: l
8.5.1 订阅/发布机制 234, v! ~: {( S V/ q2 \$ P+ C$ o! z
8.5.2 宽限期 236; q* t {$ e j
8.6 管程 237
5 r4 g5 T/ _" U9 f: v3 Z0 k8.7 同步带来的问题 2393 S* a! [: j5 G1 C' e, S e/ l1 D
8.7.1 死锁 239
. O6 b) q7 D/ w! V) ^- @% I6 g8.7.2 活锁 245
! k* a& |! \/ T+ {8 S8.7.3 优先级反转 246
8 S, }/ Y- X8 I, O2 m8.8 案例分析：Linux中的futex 249/ u2 s' S) d7 s& A( d2 e
8.9 案例分析：ChCore中的同步原语 251 {; V; _6 o: g
8.10 思考题 252
7 h) i; h1 ^8 @6 F0 x! U5 R参考文献 254
Q1 X& v2 P) ?3 [第9章 文件系统 256% k9 z% C' p) a8 o+ a) f# m/ i
9.1 基于inode的文件系统 257
1 g1 x8 }, d) ^ P' t9.1.1 inode与文件 258
$ t, c& r: f" B4 l9.1.2 文件名与目录 260, V; v' l9 }2 y. z% a: Z; P
9.1.3 硬链接与符号链接 263$ C0 B0 i* q" j7 p$ V, @
9.1.4 存储布局 264" j2 M( f2 d! a$ U T# R4 R
9.2 虚拟文件系统 266
8 Y3 _4 R* w5 Q, B/ J8 L W: ~& ^9.2.1 面向文件系统的接口 266
o2 L+ r# K! {+ M9.2.2 面向应用程序的接口 270: }9 [( G1 h0 t7 ?, z$ X& o9 R! r
9.2.3 页缓存、直接I/O与内存映射 277
; c2 P: B0 I3 {( Q' g1 ]) i( B9.2.4 多种文件系统的组织和管理 280
: N, @2 L! v# B) W) }' [9.2.5 伪文件系统 2821 c) r5 Z, E' g
9.3 其他文件系统 284
3 J( }# |9 y2 J; B9.3.1 FAT文件系统 2844 E0 d3 D2 u3 G3 t' { |
9.3.2 NTFS 288. I% d* c. u( N5 e( V
9.3.3 FUSE与用户态文件系统 292" V/ Y- O7 J0 t% T2 G
9.4 案例分析：ChCore文件系统 294. m, B- C( z- r* J8 o* f3 ^0 Q
9.4.1 ChCore的文件系统架构 294
; @, r* ?# q8 g' {4 F8 ^9.4.2 内存文件系统 295
" H D+ o0 C" I& v. i2 l" b9.5 思考题 296% _$ X7 z3 E6 k( l, ^
参考文献 297+ `# p/ n a5 L* s
0章 设备管理 2997 A7 ?4 u. p0 o4 x' G2 y+ Z( ]. m
10.1 计算机设备的连接和通信 300
E Q! u1 _2 M; \10.1.1 设备的连接：总线 300
$ w$ p4 I! h; k4 O10.1.2 可编程I/O 301: R& \/ J' z) y
10.1.3 高效数据传输：DMA 301
( l+ P6 W1 J6 M10.1.4 设备地址翻译：IOMMU 302: Z: p4 F! t; j" v
10.2 设备的识别 303
& T! r$ L' }" P' s1 p; \ N2 }6 N10.2.1 设备树 303
) z, d1 b' C/ z+ a v; k; Z10.2.2 ACPI 304! ?' D9 i* Y9 j( h, J% O
10.3 设备的中断处理 3056 K7 Y9 P. U5 J# T L9 |
10.3.1 中断控制器 305' M3 }$ j9 n3 `$ U
10.3.2 中断的基本概念 306
4 ?2 A/ b1 w) m$ a2 W) Q' V10.3.3 中断处理：以Linux上下半部的机制为例 308# E' F2 _' t3 g( _) w
10.4 设备驱动与设备驱动模型 313
# O6 X* T4 ]/ t$ v& ]! g10.4.1 设备驱动 313
2 ~8 Y( U8 Y h6 E10.4.2 设备驱动模型 3156 x( v! A+ G' ]) n: e& A/ O
10.5 案例分析：Linux设备驱动模型 3155 P7 q+ n$ F& `& k. N: _5 d
10.5.1 Linux的设备抽象 315! i4 J; }2 a) [( r1 [) `% P
10.5.2 Linux的设备驱动模型 318: o6 ~" t- E* i+ X5 J
10.5.3 Linux驱动的动态管理 319/ d9 F) p7 H4 i% y; B& t
10.5.4 Linux的sysfs文件系统 321# d7 K! S: T5 p4 p
10.6 案例分析：L4设备驱动模型 322/ @0 r- D, d( [ S+ n! n: x* d2 Y
10.7 案例分析：Linux的用户态驱动框架 323
( U# J7 _, m2 Y) y) T& I# k10.8 思考题 327- x: p* J1 @, q0 O1 [: V2 @
参考文献 327$ E. h* G0 |$ x6 U
1章 系统虚拟化 329
' a( @0 {" U Z. X! E11.1 系统虚拟化技术概述 330
0 s- V, C/ Y5 C6 F11.1.1 系统虚拟化及其组成部分 330
5 j5 J* a$ u! M' G11.1.2 虚拟机监控器的类型 3310 C% C. [. w5 g7 Y# y* F
11.2 CPU虚拟化 3326 X( w8 {9 ?) ^8 k8 U ^! ~3 I
11.2.1 下陷和模拟 333
+ x) l Z; l/ z& m+ |11.2.2 可虚拟化架构与不可虚拟化架构 333
, I K6 t% x& u# K. h11.2.3 解释执行 334
% O( u4 x2 K0 X, O+ ]11.2.4 动态二进制翻译 335
# r' H3 o% E& E! y4 w; x# a- D/ M" e11.2.5 扫描和翻译 3367 I+ g( i' k) }' q0 [# L, j
11.2.6 半虚拟化技术 3370 t5 i, M& s! J5 ?
11.2.7 硬件虚拟化技术 3387 s' V' ?- V2 D4 F9 J |* i, [. A
11.2.8 小结 340
0 \# {2 A3 W# {) t; b+ Y/ ]11.3 内存虚拟化 341
) r( q( i' l" C( {11.3.1 影子页表机制 343
% S! H; k+ I) z5 H11.3.2 影子页表的缺页异常处理流程 345
7 n7 E# f* v: ] R1 {11.3.3 直接页表映射机制 345
' }" j2 _! c9 [, H! Y: K, Z( i11.3.4 两阶段地址翻译机制 346
7 T, Q) n4 H; j0 D/ W, G% r& L( e11.3.5 换页和内存气球机制 349
/ j3 e' r0 Y4 N6 J3 _/ s6 K11.3.6 小结 351 l0 h+ {8 _7 }5 Y1 t0 h
11.4 I/O虚拟化 351
3 V: { C2 M( P ?$ y11.4.1 软件模拟方法 352
8 {: k+ E r' R! l11.4.2 半虚拟化方法 354 j) N& g9 L# \: x
11.4.3 设备直通：IOMMU和SR-IOV 356
" z# T* B$ w+ k' r' U11.4.4 小结 359- M% F0 U) o9 O# {3 e$ d( ~
11.5 中断虚拟化 3609 c- J! c& P0 g1 Z
11.6 案例分析：QEMU/KVM 361
0 N% X6 {# z' q8 q% y/ r- D6 t, h11.6.1 KVM API和一个简单的虚拟机监控器 362% `4 a1 `& W9 E: O
11.6.2 KVM与QEMU 364; e/ X( }( Y4 f z+ d' Y
11.6.3 KVM内部实现简介 366; ~: u" F2 D; M5 d/ f
11.7 思考题 367$ f: u7 [. c/ h4 q
参考文献 367& e# ^; K! s# T) }% g/ G
缩略语 369
+ }( _- z( y# ]! L: w7 D在线章节一
- U5 i! W1 ~5 g& z: K- b) c第二部分 操作系统进阶
' e/ A! N9 L8 s* G0 k ]9 t. I2章 多核与多处理器7 d, f1 A; n( M: R3 J
3章 文件系统崩溃一致性5 h: G4 [- O: \# ?
4章 网络协议栈与系统
; k& A7 B2 J, w5章 轻量级虚拟化% q6 D) H# n; j& d$ K4 }
6章 操作系统安全
1 T i* p; Y' K; r! O7章 操作系统调测5 V- F u. h" m l( F
8章 形式化证明
% Z7 _ n* a4 W1 }; W0 P第三部分 ChCore课程实验- d1 f0 T3 C' `9 O' ^; p
9章 实验1：机器启动
& u2 z: {5 W9 L) ~第20章 实验2：内存管理! m- s6 Z" {! J2 _8 X
第21章 实验3：用户进程与异常处理% f& G# Q i1 L( b5 s3 f9 y$ q
第22章 实验4：多核处理3 M3 ~" C( J; X; c
第23章 实验5：文件系统与Shell* K5 N: B$ y4 S+ G+ G4 h
第24章 实验6：进阶实践0 f+ D n/ k4 g; P8 E
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2023-12-14
