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第1章 简介（Introduction）1

1-1 什么是操作系统（What is an Operating System）2

1-1-1 用户观点（User View）2

1-1-2 系统观点（System View）3

1-1-3 系统目标（System Goals）3

1-1-4 系统特征迁移（System Feature Migration）4

1-2 单节点系统（Single-Node Systems）5

1-2-1 大型计算机系统（Mainframe Systems）5

1-2-2 个人计算机系统（Personal-Computer Systems）7

1-2-3 多处理器计算机系统（Multiprocessor Systems）7

1-3 多节点系统（Multiple-Node Systems）9

1-3-1 分布式系统（Distributed Systems）9

1-3-2 集群式系统（Clustered Systems）10

1-4-1 实时系统（Real-Time Systems）11

1-4 特殊目的系统（Special-Purpose Systems）11

1-4-2 掌上型系统（Handheld Systems）12

1-4-3 嵌入式系统（Embedded Systems）13

1-5 计算环境（Computing Environments）13

1-5-1 传统式计算（Traditional Computing）13

1-5-2 因特网式计算（Web-based Computing）14

1-5-3 嵌入式计算（Embedded Computing）14

1-6 小结15

1-7 作业（Homework）15

第2章 硬件结构（Hardware Structures）17

2-1 CPU(Central Processing Unit)18

2-1-1 寄存器（Register）19

2-1-2 冯诺依曼计算机（Von Neumann Machine）19

2-2-1 内存（Memory）20

2-2 存储设备（Storage Device）20

2-2-2 高速缓存（Caching）21

2-2-3 磁盘（Magnetic Disk）22

2-2-4 磁带（Magnetic Tape）22

2-3 I/O结构（I/O Structure）23

2-3-1 总线（Bus）23

2-3-2 控制器（Controller）24

2-3-3 I/O中断（I/O Interrupt）25

2-3-4 直接内存访问（Direct Memory Access,DMA）26

2-4 存储层次结构（Storage Hierarchy）27

2-4-1 连贯性（Coherency）28

2-4-2 一致性（Consistency）29

2-5 硬件保护（Hardware Protection）29

2-5-2 I/O保护（I/O Protection）30

2-5-1 双状态运行（Dual-Mode Operation）30

2-5-3 CPU保护（CPU Protection）31

2-5-4 内存保护（Memory Protection）31

2-6 小结32

2-7 作业（Homework）33

第3章 操作系统结构（Operating-System Structures）35

3-1 系统组成（System Components）36

3-1-1 进程管理（Process Management）36

3-1-2 主存储器管理（Main Memory Management）37

3-1-3 文件管理（File Management）37

3-1-4 I/O系统管理（I/O System Management）38

3-1-5 辅存管理（Secondary-Storage Management）38

3-1-6 网络（Networking）39

3-1-7 保护系统（Protection System）39

3-1-8 命令解释程序系统（Command-Interpreter System）39

3-2 操作系统服务（Operating-System Services）40

3-3 系统调用（System Call）41

3-3-1 进程控制（Process Control）42

3-3-2 内存管理（Memory Management）42

3-3-3 文件操作（File Manipulation）43

3-3-4 设备管理（Device Management）43

3-3-5 信息维护（Information Maintenance）43

3-3-6 进程间通信（Interprocess Communication）44

3-4 系统结构（System Structure）45

3-4-1 简单结构（Simple Structure）45

3-4-2 分层方法（Layered Approach）46

3-4-3 微内核（Microkernel）46

3-5 虚拟机（Virtual Machine）47

3-5-1 实现（Implementation）48

3-5-2 优点（Benefits）48

3-6-2 机制和策略（Mechanism and Policies）49

3-6 系统设计（System Design）49

3-6-1 设计目标（Design Goals）49

3-6-3 实现（Implementation）50

3-7 小结50

3-8 作业（Homework）51

第4章 进程（Processes）53

4-1 进程概念（Process Concept）54

4-1-1 简介（Introduction）54

4-1-2 进程的状态（Process State）54

4-1-3 进程控制块（Process Control Block）55

4-2 进程调度（Process Scheduling）56

4-2-1 调度队列（Scheduling Queue）56

4-2-2 调度器（Schedulers）57

4-3-1 进程的建立（Process Creation）58

4-2-3 上下文切换（Context Switch）58

4-3 进程的建立与结束（Process Creation and Termination）58

4-3-2 进程的结束（Process Termination）59

4-4 线程（Thread）60

4-4-1 线程概念（Thread Concept）60

4-4-2 线程的优点（Benefits of Thread）60

4-4-3 用户和内核线程（User and Kernel Thread）61

4-4-4 多线程的模型（Multithreading Models）61

4-5 进程合作（Processes Cooperation）62

4-5-1 缓冲区（Buffer）63

4-5-2 生产者（Producer）63

4-5-3 消费者（Consumer）64

4-6 进程间通信（InterProcess Communication）64

4-6-1 基本结构（Basic Structure）64

4-6-2 直接通信（Direct Communication）65

4-6-3 间接通信（Indirect Communication）66

4-6-4 同步（Synchronization）67

4-6-5 缓冲（Buffering）67

4-6-6 异常状况（Exception Conditions）68

4-7 小结69

4-8 作业（Homework）70

第5章 调度（Scheduling）71

5-1 调度概念（Scheduling Concept）72

5-1-1 进程行为（Process Behavior）72

5-1-2 CPU调度器（CPU Scheduler）73

5-1-3 调度时机（Schedule Occasion）73

5-1-4 分派器（Dispatcher）74

5-1-5 调度准则（Scheduling Criteria）74

5-2-1 先来先服务调度（FCFS Scheduling）75

5-2 调度方法（ Scheduling Method）75

5-2-2 最短工作优先调度（SJF Scheduling）76

5-2-3 优先级调度（Priority Scheduling）79

5-2-4 时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling）80

5-2-5 多级队列调度（Multilevel Queue Scheduling）81

5-2-6 多级反馈队列调度（Multilevel Feedback Queue Scheduling）82

5-3 特殊用途调度（Special Purpose Scheduling）83

5-3-1 多处理器调度（Multiple-Processor Scheduling）83

5-3-2 实时调度（Real-Time Scheduling）84

5-4 调度评估（Scheduling Evaluation）85

5-4-1 定性模式（Deterministic Modeling）85

5-4-2 排队模型（Queuing Models）86

5-4-4 实现（Implementation）87

5-4-3 仿真（Simulations）87

5-5 小结88

5-6 作业（Homework）89

第6章 同步与死锁（Synchronization and Deadlock）91

6-1 进程同步（Process Synchronization）92

6-2 临界区（Critical Section）93

6-2-1 交替算法（Turn Algorithm）94

6-2-2 标识算法（Flag Algorithm）94

6-2-3 综合算法（Combination Algorithm）95

6-2-4 面包店算法（Bakery Algorithm）96

6-2-5 硬件支持（Hardware Support）97

6-3 信号量（Semaphore）99

6-3-1 计数信号量（Counting Semaphore）99

6-4 同步的经典问题（Classical Problems of Synchronization）101

6-4-1 有限缓冲区问题（The Bounded-Buffer Problem）101

6-3-2 二元信号量（Binary Semaphore）101

6-4-2 读取者与写入者问题（The Readers and Writers Problem）102

6-4-3 哲学家晚餐问题（The Dining-Philosophers Problem）103

6-5 临界区域与监控程序（Critical Region and Monitor）104

6-5-1 临界区域（Critical Region）104

6-5-2 监控程序（Monitor）105

6-6 死锁简介（Deadlock Introduction）107

6-6-1 死锁特性（Deadlock Characterization）107

6-6-2 死锁检测（Deadlock Detection）108

6-6-3 死锁解除（Recovery from Deadlock）109

6-7 死锁预防（Deadlock Prevention）110

6-7-1 互斥（Mutual Exclusion）110

6-7-2 占用与等待（Hold and Wait）110

6-7-3 不可抢占（No Preemption）110

6-8-1 安全状态（Safe State）111

6-7-4 循环等待（Circular Wait）111

6-8 死锁避免（Deadlock Avoidance）111

6-8-2 资源分配图算法（Resource-Allocation Graph Algorithm）112

6-8-3 银行家算法（Banker's Algorithm）112

6-9 小结114

6-10 作业（Homework）114

第7章 与进程相关的实现（Process Related Implementation）117

7-1 数据结构（Data Structure）118

7-1-1 进程描述符（Process Descriptor）118

7-1-2 进程状态（Process State）119

7-1-3 进程链表（Process List）120

7-1-4 就绪队列（Ready Queue）120

7-2 进程运行（Process Operation）121

7-2-1 进程建立（Process Creation）121

7-2-2 上下文切换（Context Switch）124

7-2-3 进程结束（Process Termination）128

7-3 进程间的通信（Interprocess Communication）129

7-3-1 自旋锁（Spin Lock）129

7-3-2 信号量（Semaphore）131

7-3-3 消息队列（Message Queue）133

7-4 小结137

7-5 作业（Homework）138

第8章 内存管理（Memory Management）139

8-1 背景介绍（Background）140

8-1-1 地址空间（Address Space）140

8-1-2 地址绑定（Address Binding）141

8-1-3 重叠（Overlays）141

8-1-4 置换（Swapping）142

8-2-1 单一分割分配（Single-Partition Allocation）143

8-2 连续分配（Contiguous Allocation）143

8-2-2 多重分割分配（Multiple-Partition Allocation）144

8-2-3 碎片（Fragmentation）146

8-3 分页（Paging）147

8-3-1 基本方法（Basic Method）147

8-3-2 分页表的结构（Structure of Page Table）148

8-3-3 多层分页法（Multilevel Paging）151

8-3-4 反转分页表（Inverted Page Table）152

8-4 分段（Segmentation）153

8-4-1 基本方法（Basic Method）153

8-4-2 段页式（Segmentation with Paging）155

8-5 小结156

8-6 作业（Homework）157

第9章 虚拟内存（Virtual Memory）159

9-1-1 基本概念（Basic Concept）160

9-1 背景介绍（Background）160

9-1-2 需求分页（Demand Paging）161

9-1-3 需求分页的性能（Performance of Demand Paging）163

9-2 分页替换（Page Replacement）164

9-2-1 先进先出算法（FIFO Algorithm）165

9-2-2 优化算法（Optimal Algorithm）166

9-2-3 最近最久未使用淘汰算法（LRU Algorithm）167

9-2-4 最近最久未使用淘汰近似算法（LRU Approximation Algorithms）168

9-2-5 最不频繁使用淘汰算法（LFU Algorithm）170

9-2-6 最频繁使用淘汰算法（MFU Algorithm）170

9-2-7 分页缓冲算法（Page Buffering Algorithm）170

9-3 页框分配（Frame Allocation）171

9-3-1 最少页框数目（Minimum Number of Frames）171

9-3-3 全局与局部分配（Global and Local Allocation）172

9-3-2 分配算法（Allocation Algorithms）172

9-4 颠簸现象（Thrashing）173

9-4-1 颠簸现象的成因（Cause of Thrashing）173

9-4-2 工作集模型（Working Set Model）174

9-4-3 分页错误频率（Page Fault Frequency）175

9-5 实现问题（Implementation Issues）176

9-5-1 预先分页（Prepaging）176

9-5-2 程序结构（Program Structure）176

9-5-3 分页服务程序（Paging Daemons）177

9-5-4 分页上锁（Page Locking）177

9-5-5 分页大小（Page Size）178

9-5-6 其他考虑（Other Considerations）178

9-6 小结178

9-7 作业（Homework）179

第10章 内存管理实现（Memory Management Implementation）181

10-1 内存寻址（Memory Addressing）182

10-1-1 硬件分段支持（Segmentation in Hardware）182

10-1-2 Linux上的分段（Segmentation in Linux）185

10-1-3 硬件分页支持（Paging in Hardware）186

10-1-4 Linux上的分页（Paging in Linux）188

10-2 页框管理（Page Frame Management）190

10-2-1 页框运行（Operations of Page Frames）190

10-2-2 对偶式系统算法（Buddy System Algorithm）193

10-3 内存区域管理（Memory Area Management）195

10-3-1 Slab分配器（Slab Allocator）195

10-3-2 Slab运行（Slab Operations）196

10-4 小结197

10-5 作业（Homework）198

第11章 文件系统简介（File System Introduction）199

11-1 文件基本概念（File Concept）200

11-1-1 文件属性（File Attributes）200

11-1-2 文件操作（File Operations）201

11-1-3 文件类型（File Types）202

11-1-4 文件分配表（File Allocation Table）203

11-2 文件访问与保护（File Access and Protection）204

11-2-1 文件访问（File Access）204

11-2-2 访问权限（Access Type）205

11-2-3 访问组（Access Groups）206

11-3 目录结构（Directory Structure）207

11-3-1 单层目录（Single-Level Directory）208

11-3-2 双层目录（Double-Level Directory）209

11-3-3 树状目录（Tree-Structured Directory）210

11-3-4 非循环图状目录（Acyclic-Graph Directory）210

11-3-5 一般图状目录（General Graph Directory）211

11-4 目录访问与保护（Directory Access and Protection）212

11-4-1 目录访问指令（Directory Access Operation）212

11-4-2 目录与文件路径（Path）212

11-4-3 目录访问保护（Directory Protection）213

11-4-4 文件系统挂接（Mounting）214

11-5 一致性语义（Consistency Semantics）214

11-5-1 UNIX语义（UNIX Semantics）214

11-5-2 Session语义（Session Semantics）214

11-5-3 Immutable语义（Immutable Semantics）215

11-6 小结215

11-7 作业（Homework）216

第12章 文件系统实现（File System Implementation）217

12-1-1 文件访问（File Access）218

12-1 文件系统结构（File System Structure）218

12-1-2 打开文件表（Open File Table）219

12-1-3 共享文件（Shared Files）220

12-2 可用空间管理（Free Space Management）220

12-2-1 链表（Linked List）221

12-2-2 位向量（Bit Vector）222

12-2-3 计数（Counting）222

12-3 文件分配方法（File Allocation Method）223

12-3-1 连续式分配（Contiguous Allocation）223

12-3-2 链表式分配（Linked List Allocation）224

12-3-3 索引式分配（Indexed Allocation）226

12-4 文件目录实现（Directory Implementation）227

12-4-1 线性链表（Linear List）227

12-4-2 哈希表（Hash Table）228

12-5-1 性能（Performance）229

12-5 文件系统评估（File System Evaluation）229

12-5-2 效率（Efficiency）230

12-5-3 可靠性（Reliability）230

12-5-4 一致性（Consistency）231

12-6 小结232

12-7 作业（Homework）233

第13章 文件系统实例（File System Examples）235

13-1 UNIX文件系统（UNIX File System）236

13-1-1 架构（Framework）236

13-1-2 inode236

13-1-3 Superblock238

13-2 Linux文件系统（Linux File Systems）238

13-2-1 虚拟文件系统（Virtual File System）239

13-2-2 一般文件系统（General File Systems）240

13-2-3 目志式文件系统（Journaling File Systems）242

13-2-4 其他文件系统（Other File Systems）243

13-3 Windows文件系统（Windows File System）244

13-3-1 内部布局（Internal Layout）244

13-3-2 复原（Recovery）245

13-3-3 安全（Security）246

13-3-4 压缩（Compression）246

13-4 小结247

13-5 作业（Homework）248

第14章 输出／输入系统（I/O Systems）249

14-1 I/O硬件（I/O Hardware）250

14-1-1 轮询（Polling）251

14-1-2 中断（Interrupts）252

14-1-3 直接内存访问（Direct Memory Access）254

14-2 应用系统I/O接口（Application I/O Interface）255

14-2-1 块和字符设备（Block and Character Devices）257

14-2-2 网络设备（Network Devices）258

14-2-3 时钟与定时器（Clocks and Timers）258

14-2-4 阻塞与非阻塞I/O（Blocking and Nonblocking I/O）259

14-3 内核I/O子系统（Kernel I/O Subsystem）259

14-3-1 I/O调度（I/O Scheduling）259

14-3-2 缓冲（Buffering）260

14-3-3 高速缓存（Caching）261

14-3-4 假脱机和设备预留（Spooling and Device Reservation）261

14-3-5 错误处理（Error Handling）262

14-3-6 内核数据结构（Kernel Data Structures）262

14-4 实现问题（Implementation Issues）264

14-4-1 操作转换（Operations Transforming）264

14-4-2 驱动流（STREAMS）266

14-4-3 性能（Performance）267

14-5 小结269

14-6 作业（Homework）270

第15章 大容量存储结构（Mass-Storage Structure）271

15-1 磁盘调度（Disk Scheduling）272

15-1-1 磁盘结构（Disk Structure）272

15-1-2 FCFS调度（FCFS Scheduling）272

15-1-3 SSTF调度（SSTF Scheduling）273

15-1-4 SCAN与C-SCAN调度（SCAN and C-SCAN Scheduling）273

15-1-5 LOOK与C-LOOK调度（LOOK and C-LOOK Scheduling）274

15-1-6 算法选择（Algorithm Selection）275

15-2 磁盘管理（Disk Management）275

15-2-1 磁盘格式化（Disk Formatting）275

15-2-2 启动块（Boot Block）276

15-3 RAID结构（RAID Structure）277

15-2-3 损坏块（Bad Blocks）277

15-3-1 可靠性和性能（Reliability and Performance）278

15-3-2 RAID层次结构（RAID Levels）278

15-3-3 选择RAID层次结构（Selecting a RAID Level）281

15-4 存储设备附加方式（Storage Attachment）281

15-4-1 主机附加存储设备（Host-Attached Storage）281

15-4-2 附网存储设备（Network-Attached Storage）282

15-4-3 存储区域网（Storage-Area Network）282

15-5 其他存储问题（Other Storage Issues）283

15-5-1 稳定存储体（Stable Storage）283

15-5-2 第三存储设备（Tertiary Storage Devices）283

15-5-3 操作系统问题（Operating-System Issues）284

15-5-4 性能问题（Performance Issues）285

15-6 小结287

15-7 作业（Homework）288

第16章 系统服务程序（System Service Routines）289

16-1 中断简介（Interrupt Introduction）290

16-1-1 中断描述表（Interrupt Descriptor Table）291

16-1-2 异常处理（Exception Handling）291

16-1-3 中断处理（Interrupt Handling）292

16-2 软件中断（Software Interrupts）294

16-2-1 底半部（Bottom Half）294

16-2-2 Softirq295

16-2-3 Tasklet296

16-3 系统调用（System Calls）299

16-3-1 执行系统调用（Invoking System Calls）299

16-3-2 参数传递（Parameter Passing）300

16-3-3 封装程序（Wrapper Routines）300

16-4-1 字符与块设备（Character and Block Device）302

16-4 设备驱动程序（Device Driver）302

16-4-3 编写设备驱动程序（Write a Device Driver）303

16-4-2 内核程序环境（Kernel Programming Environment）303

16-5 小结307

16-6 作业（Homework）308

第17章 分布式系统简介（Introduction to Distributed Systems）309

17-1 简介（Introduction）310

17-1-1 系统优点（Advantages）310

17-1-2 系统缺点（Disadvantages）311

17-2 系统结构（Architecture）311

17-2-1 网络式操作系统（Network Operating System）311

17-2-2 分布式操作系统（Distributed Operating System）312

17-3 系统通信（Communication）313

17-3-1 寻址（Addressing）314

17-3-3 缓冲（Buffering）315

17-3-2 阻塞（Blocking）315

17-3-4 可靠性（Reliability）316

17-3-5 包发送（Packet Delivery）317

17-4 远程服务（Remote Service）319

17-4-1 远程过程调用模型（RPC Model）319

17-4-2 动态绑定（Dynamic Binding）321

17-5 设计考虑（Design Issues）322

17-5-1 透明性（Transparency）322

17-5-2 可伸缩性（Flexibility）323

17-5-3 可靠性（Reliability）324

17-5-4 性能（Performance）324

17-5-5 可扩展性（Scalability）325

17-6 小结325

17-7 作业（Homework）326

第18章 分布式文件系统（Distributed File Systems）327

18-1 系统设计（System Design）328

18-1-1 文件服务接口（File Service Interface）328

18-1-2 目录服务接口（Directory Service Interface）329

18-1-3 命名透明性（Naming Transparency）331

18-1-4 文件共享（File Sharing）332

18-2 系统实现（Implementation）334

18-2-1 文件与目录结构（File and Directory Organization）334

18-2-2 服务类型（Service Types）335

18-3 高速缓存（Cache）337

18-3-1 高速缓存机制（Caching Scheme）337

18-3-2 高速缓存一致性（Cache Consistency）338

18-4 文件拷贝（File Replication）339

18-4-1 基本概念（Basic Concepts）340

18-4-2 拷贝方法（Replication Methods）340

18-5 小结341

18-6 作业（Homework）342

第19章 分布式协调（Distributed Coordination）343

19-1 事件顺序（Event Ordering）344

19-1-1 先发生于（Happened—Before）344

19-1-2 全局排序（Global Ordering）344

19-2 互斥（Mutual Exclusion）345

19-2-1 集中式算法（Centralized Algorithm）346

19-2-2 分布式算法（Distributed Algorithm）346

19-2-3 令牌环算法（Token Ring Algorithm）348

19-3 推选算法（Election Algorithms）348

19-3-1 强势算法（The Bully Algorithm）349

19-3-2 环状算法（Ring Algorithm）349

19-4 原子事务（Atomic Transactions）350

19-4-2 两段式交付协议的错误处理（Failure Handling in 2PC）351

19-4-1 两段式交付协议（Two-Phase Commit Protocol）351

19-5 并发控制（Concurrency Control）353

19-5-1 上锁（Locking）353

19-5-2 乐观并发控制（Optimistic Concurrency Control）353

19-5-3 时间戳（Timestamps）354

19-6 死锁处理（Deadlocks）355

19-6-1 死锁预防（Deadlock Prevention）355

19-6-2 死锁检测（Deadlock Detection）357

19-7 小结359

19-8 作业（Homework）360

第20章 分布式系统实例（Distributed System Examples）361

20-1 Java RMI362

20-1-1 RMI结构（RMI Architecture）362

20-1-2 RMI服务端程序设计（RMI Server Programming）363

20-1-3 RMI客户端程序设计（RMI Client Program）365

20-2 CORBA366

20-2-1 CORBA结构（CORBA Architecture）366

20-2-2 ORB简介（ORB Introduction）368

20-2-3 对象服务（Object Service）369

20-3 网络文件系统（Network File System）371

20-3-1 NFS简介（NFS Introduction）371

20-3-2 NFS实现（NFS Implementation）373

20-3-3 NFS协议（NFS Protocol）374

20-4 小结375

20-5 作业（Homework）376

附录A Linux汇编语言简介377

A-1 汇编语言的语法378

A-2 Inline Assembly378

A-3 相关参考数据380