操作系统

第一篇基础原理篇

第1章操作系统导论

引子：智者的挑战

1?1人造与神造

1?2程序是如何运行的

1?3什么是操作系统

1?4魔术与管理

1?5用户程序与操作系统

1?6操作系统的范畴

1?7为什么学习操作系统

思考题

第2章操作系统历史

引子：不能承受之真

2?1第一阶段：状态机操作系统（1940年以前）

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）

2?3第三阶段：批处理操作系统（20世纪50年代）

2?4第四代：多道批处理操作系统（20世纪60年代）

2?5第五代之一：分时操作系统（20世纪70年代）

2?6第五代之二：实时操作系统

2?7第六代：现代操作系统（1980年以后）

2?8操作系统的演变过程

2?9操作系统的未来发展趋势

2?10讨论：操作系统虚拟化和虚拟化的操作系统

思考题

第3章操作系统基本概念

引子：软件师的尴尬

3?1计算机硬件基本知识

3?2抽象

3?3内核态和用户态

3?4操作系统结构

3?5进程、内存和文件

3?6系统调用

3?7壳

思考题

第二篇进程原理篇

第4章进程

引子：牛顿的困惑

4?1进程概论

4?2进程模型

4?3多道编程的好处

4?4进程的产生与消失

4?5进程的层次结构

4?6进程的状态

4?7进程与地址空间

4?8进程管理

4?9进程的缺陷

思考题

第5章进程调度

引子：恐怖分子的调度

5?1进程调度的定义

5?2进程调度的目标

5?3先来先服务调度算法

5?4时间片轮转算法

5?5短任务优先算法

5?6优先级调度算法

5?7混合调度算法

5?8其他调度算法

5?9实时调度算法

5?10进程调度的过程

5?11高级议题：调度异常之优先级倒挂

思考题

第6章进程通信

引子：孤独爆破手的自白

6?1为什么要通信

6?2进程对白：管道、记名管道、套接字

6?3进程电报：信号

6?4进程旗语：信号量

6?5进程拥抱：共享内存

6?6信件发送：消息队列

6?7其他通信机制

思考题

第三篇线程原理篇

第7章线程

引子：亚历山大的分身术

7?1进程的分身术——线程

7?2线程管理

7?3线程模型的实现

7?4现代操作系统的线程实现模型

7?5多线程的关系

7?6讨论：从用户态进入内核态

7?7讨论：线程的困惑——确定性与非确定性

思考题

第8章线程同步

引子：滑铁卢的同步

8?1为什么要同步

8?2线程同步的目的

8?3锁的进化：金鱼生存

8?4睡觉与叫醒：生产者与消费者问题

8?5信号量

8?6锁、睡觉与叫醒、信号量

8?7管程

8?8消息传递

8?9栅栏

思考题

第9章死锁应对之哲学原理

引子：迷雾笼罩的加拿大

9?1为什么会发生死锁

9?2死锁的描述

9?3死锁的4个必要条件

9?4哲学家就餐问题

9?5死锁的应对

9?6消除死锁的必要条件

9?7银行家算法：冒险的代价

9?8哲学家就餐问题之解

9?9讨论：死锁的思考——综合治理

9?10讨论：死锁、活锁与饥饿

思考题

第10章锁的实现

引子：高登绳结

10?1以中断启用与禁止来实现锁

10?2以测试与设置指令来实现锁

10?3以非繁忙等待、中断启用与禁止来实现锁

10?4以最少繁忙等待、测试与设置来实现锁

10?5中断禁止、测试与设置

思考题

第四篇内存原理篇

第11章基本内存管理

引子：让别人无路可走

11?1内存管理的环境

11?2内存管理的目标

11?3虚拟内存的概念

11?4操作系统在内存中的位置

11?5单道编程的内存管理

11?6多道编程的内存管理

11?7闲置空间管理

思考题

第12章页式内存管理

引子：虚拟概念的变现

12?1基址极限管理模式的问题

12?2分页内存管理

12?3分页系统的优缺点

12?4翻译速度

12?5缺页中断处理

12?6锁住页面

12?7页面尺寸

12?8内存抖动

思考题

第13章页面更换算法

引子：黑洞理论的替换

13?1页面需要更换

13?2页面更换的目标

13?3随机更换算法

13?4先进先出算法

13?5第二次机会算法

13?6时钟算法

13?7最优更换算法

13?8NRU算法

13?9LRU算法

13?10工作集算法

13?11工作集时钟算法

13?12页面替换策略

思考题

第14章段式内存管理

引子：否定之否定

14?1分页系统的缺点

14?2分段管理系统

14?3分段的优缺点

14?4段页式内存管理

14?5段号是否占用寻址字位

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

思考题

第五篇文件原理篇

第15章磁盘操作

引子：EMC——从不可能到可能

15?1磁盘组织与管理

15?2磁盘的结构

15?3盘面的结构

15?4磁盘驱动器的访问速度

15?5操作系统界面

15?6磁盘调度算法

15?7讨论：固态盘

15?8讨论：智能磁盘系统

思考题

第16章文件系统

引子：掩饰的极致

16?1为什么需要文件系统

16?2文件系统

16?3文件系统的目标

16?4文件的基本知识

16?5从用户角度看文件系统

16?6地址独立的实现机制：文件夹

16?7文件系统调用

16?8内存映射的文件访问

思考题

第17章文件系统实现

引子：成功中的失败

17?1文件系统的布局

17?2文件的实现

17?3目录实现：地址独立的实现

17?4闲置空间管理

思考题

第18章文件系统性能

引子：从不可能到可能

18?1文件授权管理

18?2主动控制：访问控制表

18?3能力表

18?4访问控制的实施

18?5其他文件安全措施

18?6文件系统性能

18?7文件系统效率性能

18?8文件系统设计分析：日志结构的文件系统

18?9海量数据文件系统

思考题

第六篇I/O原理篇

第19章输入输出

引子：约翰逊的输出——从没有到爆发

19?1输入输出

19?2输入输出的目的

19?3输入输出硬件

19?4I/O软件

19?5I/O软件分层

思考题

第七篇多核原理篇

第20章多核结构与内存

引子：不能承受之热

20?1以量取胜

20?2多核基本概念

20?3多核的内存结构

20?4对称多处理器计算机的启动过程

20?5多处理器之间的通信

20?6SMP缓存一致性

20?7多处理器、超线程和多核的比较

思考题

第21章多核环境下的进程同步与调度

引子：“多核”帝国的陨落

21?1多核环境下操作系统的修正

21?2多核环境下的进程同步与调度

21?3多核进程同步

21?4硬件原子操作

21?5总线锁

21?6多核环境下的软件同步原语

21?7旋锁

21?8其他同步原语

21?9多核环境下的进程调度

21?10多核环境下的能耗管理

21?11讨论：多核系统的性能

思考题

第八篇操作系统设计篇

第22章操作系统设计之哲学原理

引子：残缺心智的胜利

22?1操作系统设计的追求

22?2操作系统设计的第1条哲学原理：层次架构

22?3操作系统设计的第2条哲学原理：没有对错

22?4操作系统设计的第3条哲学原理：懒人哲学

22?5操作系统设计的第4条哲学原理：让困于人

22?6操作系统设计的第5条哲学原理：留有余地

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

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

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

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

22?11操作系统设计的第10条哲学原理：适可而止

思考题

结语：失望与希望

参考文献

操作系统是计算机系统的核心系统软件，负责控制和管理整个系统，使之协调工作。本书对操作系统的核心内容进行了全面分析，包括操作系统的发展历史和基本概念、进程与线程、内存管理、文件系统、输入与输出、多核环境下的进程调度和操作系统设计。本书用大量生活实例，生动地解释了操作系统中的主要难点和模糊点：锁的实现、同步机制的发展轴线、纯粹分段到段页式的演变、多核环境下的进程同步与调度和操作系统设计等内容。本书重点突出、逻辑清晰、内容连贯，便于学生顺利掌握操作系统的核心内容。 本书层次丰富、涵盖操作系统的所有核心内容，适合作为国内高校计算机及相关专业本科生操作系统课程的教材，也是了解计算机操作系统原理不可多得的参考书。