操作系統(tǒng)：原理與實現(xiàn)

CONTENTS
目　　錄
叢書序言
序言一
序言二
前言
第一部分　操作系統(tǒng)基礎(chǔ)
第1章　操作系統(tǒng)概述　2
1.1　簡約不簡單?：從Hello World
說起　2
1.2　什么是操作系統(tǒng)　3
1.3　操作系統(tǒng)簡史　5
1.3.1　GM-NAA I/O?：第一個
（批處理）操作系統(tǒng)　5
1.3.2　OS/360?：從專用走向通用　6
1.3.3　Multics/UNIX/Linux?：分時與多任務(wù)　6
1.3.4　macOS/Windows?：以人
為本的人機交互　7
1.3.5　iOS/Android?：移動互聯(lián)網(wǎng)
時代的操作系統(tǒng)　8
1.4　操作系統(tǒng)接口　10
1.5　思考題　12
參考文獻　12
第2章　操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　13
2.1　操作系統(tǒng)的機制與策略　14
2.2　操作系統(tǒng)復(fù)雜性的管理方法　15
2.3　操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)　17
2.3.1　簡要結(jié)構(gòu)　18
2.3.2　宏內(nèi)核　18
2.3.3　微內(nèi)核　20
2.3.4　外核　22
2.3.5　其他操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)　24
2.4　操作系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)　26
2.4.1　Android系統(tǒng)框架　26
2.4.2　ROS系統(tǒng)框架　28
2.5　操作系統(tǒng)設(shè)計?：Worse is better？　29
2.6　ChCore?：教學(xué)科研型微內(nèi)核操作系統(tǒng)　31
2.7　思考題　32
參考文獻　32
第3章　硬件環(huán)境與軟件抽象　35
3.1　應(yīng)用程序的硬件運行環(huán)境　35
3.1.1　程序的運行?：用指令序列
控制處理器　36
3.1.2　處理數(shù)據(jù)?：寄存器、運算和訪存　38
3.1.3　條件結(jié)構(gòu)?：程序分支和
條件碼　43
3.1.4　函數(shù)的調(diào)用、返回與?！?6
3.1.5　函數(shù)的調(diào)用慣例　50
3.1.6　小結(jié)?：應(yīng)用程序依賴的
處理器狀態(tài)　52
3.2　操作系統(tǒng)的硬件運行環(huán)境　54
3.2.1　特權(quán)級別與系統(tǒng)ISA　54
3.2.2　異常機制與異常向量表　57
3.2.3　案例分析?：ChCore啟動與
異常向量表初始化　60
3.2.4　用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換　61
3.2.5　系統(tǒng)調(diào)用　64
3.2.6　系統(tǒng)調(diào)用的優(yōu)化　66
3.3　操作系統(tǒng)提供的基本抽象與
接口　67
3.3.1　進程?：對處理器的抽象　69
3.3.2　案例分析?：使用POSIX
進程接口實現(xiàn)shell　70
3.3.3　虛擬內(nèi)存?：對內(nèi)存的
抽象　73
3.3.4　進程的虛擬內(nèi)存布局　75
3.3.5　文件?：對存儲設(shè)備的
抽象　77
3.3.6　文件?：對所有設(shè)備的
抽象　79
3.4　思考題　80
3.5　練習(xí)答案　81
參考文獻　82
第4章　虛擬內(nèi)存管理　83
4.1　CPU的職責(zé)?：內(nèi)存地址翻譯　84
4.1.1　地址翻譯　84
4.1.2　分頁機制　85
4.1.3　多級頁表　87
4.1.4　頁表項與大頁　91
4.1.5　TLB?：頁表的緩存　93
4.2　操作系統(tǒng)的職責(zé)?：管理頁表映射　96
4.2.1　操作系統(tǒng)為自己配置頁表　96
4.2.2　如何填寫進程頁表　97
4.2.3　何時填寫進程頁表?：立即映射　101
4.2.4　何時填寫進程頁表?：延遲映射　104
4.2.5　常見的改變虛擬內(nèi)存區(qū)域的接口　108
4.2.6　虛擬內(nèi)存擴展功能　109
4.3　案例分析?：ChCore虛擬內(nèi)存
管理　112
4.3.1　ChCore內(nèi)核頁表初始化　112
4.3.2　ChCore內(nèi)存管理　115
4.4　思考題　118
4.5　練習(xí)答案　119
參考文獻　121
第5章　物理內(nèi)存管理　122
5.1　操作系統(tǒng)的職責(zé)?：管理物理
內(nèi)存資源　122
5.1.1　目標(biāo)與評價維度　122
5.1.2　基于位圖的連續(xù)物理頁
分配方法　123
5.1.3　伙伴系統(tǒng)原理　126
5.1.4　案例分析?：ChCore中伙伴
系統(tǒng)的實現(xiàn)　127
5.1.5　SLAB分配器的基本設(shè)計　131
5.1.6　常用的空閑鏈表　133
5.2　操作系統(tǒng)如何獲得更多物理內(nèi)存資源　134
5.2.1　換頁機制　134
5.2.2　頁替換策略　137
5.2.3　頁表項中的訪問位與
頁替換策略實現(xiàn)　140
5.2.4　工作集模型　141
5.2.5　利用虛擬內(nèi)存抽象節(jié)約物理內(nèi)存資源　142
5.3　性能導(dǎo)向的內(nèi)存分配擴展機制　143
5.3.1　物理內(nèi)存與CPU緩存　144
5.3.2　物理內(nèi)存分配與CPU
緩存　146
5.3.3　多核與內(nèi)存分配　147
5.3.4　CPU緩存的硬件劃分　147
5.3.5　非一致內(nèi)存訪問
（NUMA架構(gòu)）　149
5.3.6　NUMA架構(gòu)與內(nèi)存分配　150
5.4　思考題　151
5.5　練習(xí)答案　152
參考文獻　152
第6章　進程與線程　154
6.1　進程的內(nèi)部表示與管理接口　154
6.1.1　進程的內(nèi)部表示—
PCB　154
6.1.2　進程創(chuàng)建的實現(xiàn)　155
6.1.3　進程退出的實現(xiàn)　159
6.1.4　進程等待的實現(xiàn)　160
6.1.5　exit與waitpid之間的信息傳遞　162
6.1.6　進程等待的范圍與父子
進程關(guān)系　164
6.1.7　進程睡眠的實現(xiàn)　166
6.1.8　進程執(zhí)行狀態(tài)及其管理　166
6.2　案例分析?：ChCore微內(nèi)核的
進程管理　169
6.2.1　進程管理器與分離式
PCB　169
6.2.2　ChCore的進程操作?：
以進程創(chuàng)建為例　170
6.3　案例分析?：Linux的進程創(chuàng)建　172
6.3.1　經(jīng)典的進程創(chuàng)建方法?：
fork　172
6.3.2　其他進程創(chuàng)建方法　175
6.4　進程切換　179
6.4.1　進程的處理器上下文　180
6.4.2　進程的切換節(jié)點　180
6.4.3　進程切換的全過程　181
6.4.4　案例分析?：ChCore的
進程切換實現(xiàn)　182
6.5　線程及其實現(xiàn)　191
6.5.1　為什么需要線程　191
6.5.2　用戶視角看線程　192
6.5.3　線程的實現(xiàn)?：內(nèi)核數(shù)據(jù)
結(jié)構(gòu)　194
6.5.4　線程的實現(xiàn)?：管理接口　195
6.5.5　線程切換　200
6.5.6　內(nèi)核態(tài)線程與用戶態(tài)
線程　200
6.6　纖程　202
6.6.1　對纖