操作系统:原理与实现

CONTENTS 目 录 丛书序言 序言一 序言二 前言 **部分 操作系统基础 第1章 操作系统概述 2 1.1 简约不简单?：从Hello World 说起 2 1.2 什么是操作系统 3 1.3 操作系统简史 5 1.3.1 GM-NAA I/O?：**个 （批处理）操作系统 5 1.3.2 OS/360?：从专用走向通用 6 1.3.3 Multics/UNIX/Linux?：分时与多任务 6 1.3.4 macOS/Windows?：以人 为本的人机交互 7 1.3.5 iOS/Android?：移动互联网 时代的操作系统 8 1.4 操作系统接口 10 1.5 思考题 12 参考文献 12 第2章 操作系统结构 13 2.1 操作系统的机制与策略 14 2.2 操作系统复杂性的管理方法 15 2.3 操作系统内核架构 17 2.3.1 简要结构 18 2.3.2 宏内核 18 2.3.3 微内核 20 2.3.4 外核 22 2.3.5 其他操作系统内核架构 24 2.4 操作系统框架结构 26 2.4.1 Android系统框架 26 2.4.2 ROS系统框架 28 2.5 操作系统设计?：Worse is better？ 29 2.6 ChCore?：教学科研型微内核操作系统 31 2.7 思考题 32 参考文献 32 第3章 硬件环境与软件抽象 35 3.1 应用程序的硬件运行环境 35 3.1.1 程序的运行?：用指令序列 控制处理器 36 3.1.2 处理数据?：寄存器、运算和访存 38 3.1.3 条件结构?：程序分支和 条件码 43 3.1.4 函数的调用、返回与栈 46 3.1.5 函数的调用惯例 50 3.1.6 小结?：应用程序依赖的 处理器状态 52 3.2 操作系统的硬件运行环境 54 3.2.1 特权级别与系统ISA 54 3.2.2 异常机制与异常向量表 57 3.2.3 案例分析?：ChCore启动与 异常向量表初始化 60 3.2.4 用户态与内核态的切换 61 3.2.5 系统调用 64 3.2.6 系统调用的优化 66 3.3 操作系统提供的基本抽象与 接口 67 3.3.1 进程?：对处理器的抽象 69 3.3.2 案例分析?：使用POSIX 进程接口实现shell 70 3.3.3 虚拟内存?：对内存的 抽象 73 3.3.4 进程的虚拟内存布局 75 3.3.5 文件?：对存储设备的 抽象 77 3.3.6 文件?：对所有设备的 抽象 79 3.4 思考题 80 3.5 练习答案 81 参考文献 82 第4章 虚拟内存管理 83 4.1 CPU的职责?：内存地址翻译 84 4.1.1 地址翻译 84 4.1.2 分页机制 85 4.1.3 多级页表 87 4.1.4 页表项与大页 91 4.1.5 TLB?：页表的缓存 93 4.2 操作系统的职责?：管理页表映射 96 4.2.1 操作系统为自己配置页表 96 4.2.2 如何填写进程页表 97 4.2.3 何时填写进程页表?：立即映射 101 4.2.4 何时填写进程页表?：延迟映射 104 4.2.5 常见的改变虚拟内存区域的接口 108 4.2.6 虚拟内存扩展功能 109 4.3 案例分析?：ChCore虚拟内存 管理 112 4.3.1 ChCore内核页表初始化 112 4.3.2 ChCore内存管理 115 4.4 思考题 118 4.5 练习答案 119 参考文献 121 第5章 物理内存管理 122 5.1 操作系统的职责?：管理物理 内存资源 122 5.1.1 目标与评价维度 122 5.1.2 基于位图的连续物理页 分配方法 123 5.1.3 伙伴系统原理 126 5.1.4 案例分析?：ChCore中伙伴 系统的实现 127 5.1.5 SLAB分配器的基本设计 131 5.1.6 常用的空闲链表 133 5.2 操作系统如何获得更多物理内存资源 134 5.2.1 换页机制 134 5.2.2 页替换策略 137 5.2.3 页表项中的访问位与 页替换策略实现 140 5.2.4 工作集模型 141 5.2.5 利用虚拟内存抽象节约物理内存资源 142 5.3 性能导向的内存分配扩展机制 143 5.3.1 物理内存与CPU缓存 144 5.3.2 物理内存分配与CPU 缓存 146 5.3.3 多核与内存分配 147 5.3.4 CPU缓存的硬件划分 147 5.3.5 非一致内存访问 （NUMA架构） 149 5.3.6 NUMA架构与内存分配 150 5.4 思考题 151 5.5 练习答案 152 参考文献 152 第6章 进程与线程 154 6.1 进程的内部表示与管理接口 154 6.1.1 进程的内部表示— PCB 154 6.1.2 进程创建的实现 155 6.1.3 进程退出的实现 159 6.1.4 进程等待的实现 160 6.1.5 exit与waitpid之间的信息传递 162 6.1.6 进程等待的范围与父子 进程关系 164 6.1.7 进程睡眠的实现 166 6.1.8 进程执行状态及其管理 166 6.2 案例分析?：ChCore微内核的 进程管理 169 6.2.1 进程管理器与分离式 PCB 169 6.2.2 ChCore的进程操作?： 以进程创建为例 170 6.3 案例分析?：Linux的进程创建 172 6.3.1 经典的进程创建方法?： fork 172 6.3.2 其他进程创建方法 175 6.4 进程切换 179 6.4.1 进程的处理器上下文 180 6.4.2 进程的切换节点 180 6.4.3 进程切换的全过程 181 6.4.4 案例分析?：ChCore的 进程切换实现 182 6.5 线程及其实现 191 6.5.1 为什么需要线程 191 6.5.2 用户视角看线程 192 6.5.3 线程的实现：内核数据 结构 194 6.5.4 线程的实现：管理接口 195 6.5.5 线程切换 200 6.5.6 内核态线程与用户态 线程 200 6.6 纤程 202