目　录
第0章　读者和教师指南　1
0.1　本书概述　2
0.2　实例系统　2
0.3　读者和教师学习路线图　3
0.4　互联网和网站资源　4
本书配套的网站　4
其他网站　4
第 1部分　背景
第 1章　计算机系统概述　5
1.1　基本组成　6
1.2　微处理器的发展　7
1.3　指令的执行　8
1.4　中断　10
1.4.1　中断和指令周期　11
1.4.2　中断处理　15
1.4.3　多个中断　17
1.5　分级存储体系　19
1.6　高速缓存　22
1.6.1　动机　22
1.6.2　高速缓存的原理　22
1.6.3　高速缓存的设计　24
1.7　直接内存访问　25
1.8　多处理器和多核组织结构　26
1.8.1　对称多处理器　27
1.8.2　组织结构　27
1.8.3　多核计算机　28
1.9　推荐阅读　29
1.10　关键术语、复习题与习题　30
附录1A　两级存储器的性能特征　33
第 2章　操作系统概述　39
2.1　操作系统的目标和功能　40
2.1.1　作为用户与系统交互
接口的操作系统　40
2.1.2　作为资源管理器的
操作系统　42
2.1.3　操作系统的易
发展性　43
2.2　操作系统的发展　44
2.2.1　串行处理　44
2.2.2　简单批处理系统　44
2.2.3　多道批处理系统　47
2.2.4　分时系统　49
2.3　主要成就　51
2.3.1　进程　52
2.3.2　内存管理　55
2.3.3　信息保护和安全　56
2.3.4　调度和资源管理　57
2.4　现代操作系统的发展　58
2.5　容错　61
2.5.1　基本概念　61
2.5.2　故障　62
2.5.3　操作系统中的机制　63
2.6　多处理器和多核操作系统设计要
考虑的因素　63
2.6.1　对称多处理器操作
系统设计上的考虑　63
2.6.2　多核操作系统
设计上的考虑　64
2.7　微软Windows简介　66
2.7.1　背景　66
2.7.2　体系结构　66
2.7.3　客户/服务器模式　69
2.7.4　线程和SMP　70
2.7.5　Windows对象　70
2.8　传统UNIX系统　72
2.8.1　发展历史　72
2.8.2　系统概述　72
2.9　现代UNIX系统　74
2.9.1　System V第4版
（SVR4）　74
2.9.2　BSD　75
2.9.3　Solaris 10　75
2.10　Linux系统　76
2.10.1　发展历史　76
2.10.2　模块结构　76
2.10.3　内核组件　78
2.11　Android系统　80
2.11.1　安卓软件架构　81
2.11.2　安卓系统架构　83
2.11.3　活动　83
2.11.4　电源管理　84
2.12　推荐阅读和配套演示　85
2.13　关键术语、复习题与习题　86
第 2部分　进程
第3章　进程的描述与控制　89
3.1　什么是进程？　90
3.1.1　背景　90
3.1.2　进程和进程控制块　91
3.2　进程状态　92
3.2.1　双状态模型　94
3.2.2　进程的创建和结束　95
3.2.3　五状态模型　97
3.2.4　进程挂起　100
3.3　进程描述符　104
3.3.1　操作系统中控制
资源的结构　105
3.3.2　进程控制块　106
3.4　进程控制　112
3.4.1　（处理器的）执行的
模式　112
3.4.2　进程创建　113
3.4.3　进程切换　114
3.5　操作系统的执行　116
3.5.1　独立内核　116
3.5.2　嵌套于用户进程　117
3.5.3　基于进程的操作
系统　118
3.6　UNIX SVR4中的进程管理　118
3.6.1　进程状态　118
3.6.2　进程描述　120
3.6.3　进程控制　122
3.7　总结　122
3.8　推荐阅读与动画　123
3.9　关键术语、复习题与习题　123
第4章　线程　128
4.1　进程和线程　129
4.1.1　多线程　129
4.1.2　线程功能　132
4.2　线程的类型　134
4.2.1　用户级和内核级
线程　134
4.2.2　其他设计　138
4.3　多核和多线程　140
4.3.1　多核环境下应用的
性能　140
4.3.2　应用示例：Valve的
游戏软件　143
4.4　Windows 8的进程和线程
管理　144
4.4.1　Windows 8所带来的
改变　145
4.4.2　Windows进程　146
4.4.3　进程和线程对象　147
4.4.4　多线程　149
4.4.5　线程状态　149
4.4.6　操作系统子系统的
支持　150
4.5　Solaris的线程和多处理器
管理　150
4.5.1　多线程结构　150
4.5.2　设计目标　151
4.5.3　进程结构　152
4.5.4　线程执行　153
4.5.5　用线程处理中断　153
4.6　Linux的进程和线程管理　154
4.6.1　Linux进程　154
4.6.2　Linux线程　156
4.6.3　Linux命名空间　157
4.7　Android的进程和线程管理　158
4.7.1　Android应用　158
4.7.2　活动　159
4.7.3　进程和线程　161
4.8　Mac OS X的Grand Central
Dispatch　161
4.9　总结　164
4.10　推荐阅读　164
4.11　关键术语、复习题与习题　164
第5章　并发：互斥与同步　169
5.1　并发的原理　171
5.1.1　一个简单例子　172
5.1.2　竞态（Race
Condition）　173
5.1.3　操作系统的设计
挑战　174
5.1.4　进程交互　174
5.1.5　实现互斥的条件　177
5.2　互斥：硬件的支撑方案　178
5.2.1　关中断　178
5.2.2　特殊机器指令　178
5.3　信号灯（Semaphore）　181
5.3.1　互斥的实现　184
5.3.2　生产者/消费者
问题　186
5.3.3　信号灯的实现　191
5.4　管程（Monitor）　192
5.4.1　管程和信号　192
5.4.2　采用通知和广播的
管程模型　196
5.5　消息通信　197
5.5.1　同步（Synchroni-
zation）　198
5.5.2　寻址（Addres-
sing）　199
5.5.3　消息格式　201
5.5.4　队列组织　201
5.5.5　互斥的实现　201
5.6　读者/写者问题　203
5.6.1　读者优先　203
5.6.2　写者优先　204
5.7　总结　207
5.8　推荐阅读　207
5.9　关键术语、复习题与习题　208
第6章　并发：死锁与饥饿　221
6.1　死锁的原理　222
6.1.1　可重用资源　225
6.1.2　消耗性资源　226
6.1.3　资源分配图　227
6.1.4　死锁发生的条件　228
6.2　死锁预防（Deadlock
Prevention）　229
6.2.1　互斥条件　229
6.2.2　占有并等待条件　230
6.2.3　不可抢占条件　230
6.2.4　环路等待条件　230
6.3　死锁避免（Deadlock
Avoidance）　230
6.3.1　拒绝创建进程　231
6.3.2　拒绝分配资源　232
6.4　死锁检测（Deadlock
Detection）　235
6.4.1　死锁检测算法　236
6.4.2　死锁恢复　237
6.5　解决死锁的综合方案　237
6.6　哲学家进餐问题　238
6.6.1　使用信号灯的解决
方案　238
6.6.2　使用管程的解决
方案　240
6.7　UNIX系统的并发控制机制　241
6.7.1　管道　242
6.7.2　消息　242
6.7.3　共享内存　242
6.7.4　信号灯　242
6.7.5　信号　243
6.8　Linux内核的并发控制机制　244
6.8.1　原子操作　245
6.8.2　自旋锁
（Spinlocks）　246
6.8.3　信号灯　248
6.8.4　屏障点
（Barriers）　249
6.9　Solaris线程同步原语　250
6.9.1　互斥锁　251
6.9.2　信号灯　251
6.9.3　读者/写者锁　252
6.9.4　条件变量（Condition
Variable）　252
6.10　Windows 7的并发控制机制　252
6.10.1　Wait函数　252
6.10.2　调度对象（Dispatcher
Object）　253
6.10.3　临界区　254
6.10.4　瘦读者-写者锁和
条件变量　254
6.10.5　无锁同步　255
6.11　Android系统中的进程间
通信　255
6.12　总结　256
6.13　推荐阅读　256
6.14　关键术语、复习题与习题　257
第3部分　内存
第7章　内存管理　265
7.1　内存管理的需求　266
7.1.1　内存重定位　266
7.1.2　内存保护　267
7.1.3　内存共享　268
7.1.4　逻辑结构　268
7.1.5　物理结构　268
7.2　内存分区　269
7.2.1　固定分区　270
7.2.2　分区大小　270
7.2.3　放置策略　271
7.2.4　动态分区　272
7.2.5　放置策略　273
7.2.6　置换策略　275
7.2.7　伙伴系统　275
7.2.8　重定位　277
7.3　分页　278
7.4　分段　282
7.5　小结　282
7.6　推荐阅读和配套演示　283
7.7　关键术语、复习题与习题　283
附录7A　加载和链接　286
第8章　虚拟内存　292
8.1　硬件和控制结构　293
8.1.1　局部性和虚拟
内存　295
8.1.2　分页　296
8.1.3　页表结构　297
8.1.4　分段　305
8.1.5　段页式　306
8.1.6　保护和共享　307
8.2　操作系统软件　308
8.2.1　读取策略　309
8.2.2　放置策略　309
8.2.3　置换策略　310
8.2.4　页缓冲　314
8.2.5　置换策略和高速
缓冲的大小　315
8.2.6　清除策略　321
8.2.7　加载控制　321
8.3　UNIX和SOLARIS的内存
管理　323
8.3.1　分页系统　323
8.3.2　内核内存分配器　326
8.4　Linux内存管理　327
8.4.1　Linux虚拟内存　327
8.4.2　内核内存分配　329
8.5　Windows内存管理　330
8.5.1　Windows虚拟地址
映射　330
8.5.2　Windows分页　331
8.5.3　Windows 8交换　332
8.6　Android内存管理　332
8.7　小结　332
8.8　推荐阅读和配套演示　333
8.9　关键术语、复习题与习题　334
第4部分　调度
第9章　单处理器调度　339
9.1　处理器调度的类型　340
9.1.1　长期调度　342
9.1.2　中期调度　343
9.1.3　短期调度　343
9.2　调度算法　343
9.2.1　短期调度准则　343
9.2.2　优先级的使用　345
9.2.3　可选的调度策略　345
9.2.4　性能比较　355
9.2.5　公平共享调度　360
9.3　传统的UNIX调度　362
9.4　总结　363
9.5　推荐阅读和动画　364
9.6　关键术语、复习题与习题　364
第 10章　多处理器、多核调度与实时
调度　369
10.1　多处理器和多核调度　370
10.1.1　粒度　370
10.1.2　设计问题　371
10.1.3　进程调度　373
10.1.4　线程调度　374
10.1.5　多核线程调度　379
10.2　实时调度　380
10.2.1　背景　380
10.2.2　实时操作系统的
特点　381
10.2.3　实时调度　384
10.2.4　截止期限调度　385
10.2.5　单调速率调度　388
10.2.6　优先级反转　391
10.3　Linux调度　393
10.3.1　实时调度　393
10.3.2　非实时调度　394
10.4　UNIX SVR4调度　396
10.5　UNIX FreeBSD调度　397
10.5.1　优先级类　398
10.5.2　对SMP和多核的
支持　398
10.6　Windows调度　400
10.6.1　进程和线程
优先级　400
10.6.2　多处理器调度　401
10.7　总结　402
10.8　推荐阅读　403
10.9　关键术语、复习题与习题　403
第5部分　输入/输出与文件
第 11章　I/O管理和磁盘调度　407
11.1　I/O设备　408
11.2　I/O功能的组织　409
11.2.1　I/O功能的发展
历程　410
11.2.2　直接内存访问　411
11.3　操作系统设计问题　412
11.3.1　设计目标　412
11.3.2　I/O功能的逻辑
结构　413
11.4　I/O缓冲　414
11.4.1　单缓冲区　415
11.4.2　双缓冲区　416
11.4.3　环形缓冲区　417
11.4.4　缓冲区的作用　417
11.5　磁盘调度　417
11.5.1　磁盘性能参数　417
11.5.2　磁盘调度策略　419
11.6　RAID　423
11.6.1　0级RAID　426
11.6.2　1级RAID　427
11.6.3　2级RAID　428
11.6.4　3级RAID　428
11.6.5　4级RAID　429
11.6.6　5级RAID　430
11.6.7　6级RAID　430
11.7　磁盘高速缓存　430
11.7.1　设计考虑　431
11.7.2　性能考虑　432
11.8　UNIX SVR4 I/O　434
11.8.1　缓冲区高速
缓存　434
11.8.2　字符队列　435
11.8.3　无缓冲的I/O　435
11.8.4　UNIX设备　436
11.9　Linux I/O　436
11.9.1　磁盘调度　436
11.9.2　Linux页面缓存　438
11.10　Windows I/O　439
11.10.1　基本I/O机制　439
11.10.2　异步I/O和同步
I/O　439
11.10.3　软件RAID　440
11.10.4　卷影拷贝　441
11.10.5　卷加密　441
11.11　总结　441
11.12　推荐阅读和动画　441
11.13　关键术语、复习题与习题　443
第 12章　文件管理　445
12.1　概述　446
12.1.1　文件和文件
系统　446
12.1.2　文件结构　447
12.1.3　文件管理系统　448
12.2　文件组织与访问　451
12.2.1　堆　452
12.2.2　顺序文件　453
12.2.3　索引顺序文件　453
12.2.4　索引文件　454
12.2.5　直接文件或哈希
文件　455
12.3　B树　455
12.4　文件目录　458
12.4.1　内容　458
12.4.2　结构　459
12.4.3　命名　460
12.5　文件共享　461
12.5.1　访问权限　462
12.5.2　同时访问　462
12.6　记录组块　463
12.7　辅存管理　464
12.7.1　文件分配　464
12.7.2　空闲空间管理　469
12.7.3　卷　471
12.7.4　可靠性　471
12.8　UNIX文件管理　472
12.8.1　i节点　472
12.8.2　文件分配　474
12.8.3　目录　475
12.8.4　卷结构　475
12.9　Linux虚拟文件系统　475
12.9.1　超级块对象　477
12.9.2　i节点对象　478
12.9.3　目录项对象　478
12.9.4　文件对象　478
12.9.5　高速缓存　479
12.10　Windows文件系统　479
12.10.1　NTFS的关键
特性　479
12.10.2　NTFS的卷和文件
结构　480
12.10.3　可恢复性　482
12.11　Android文件管理　483
12.11.1　文件系统　483
12.11.2　SQLite　484
12.12　总结　485
12.13　推荐阅读　485
12.14　关键术语、复习题与习题　486
第6部分　嵌入式系统
第 13章　嵌入式系统　489
13.1　嵌入式系统　490
13.2　嵌入式操作系统的特征　491
13.2.1　移植现有的商用
操作系统　492
13.2.2　专用嵌入式操作
系统　492
13.3　嵌入式Linux　493
13.3.1　内核大小　493
13.3.2　编译　493
13.3.3　嵌入式Linux文件
系统　493
13.3.4　嵌入式Linux的
优势　494
13.3.5　Android　494
13.4　TinyOS　495
13.4.1　无线传感器
网络　495
13.4.2　TinyOS的目标　496
13.4.3　TinyOS组件　497
13.4.4　TinyOS调度器　499
13.4.5　配置实例　500
13.4.6　TinyOS资源
接口　501
13.5　推荐阅读　503
13.6　关键术语、复习题与习题　503
第 14章　虚拟机　506
14.1　虚拟化方法　508
14.2　处理器问题　511
14.3　内存管理　513
14.4　I/O管理　514
14.5　VMware ESXi　515
14.6　微软Hyper-V和Xen变体　517
14.7　Java VM　518
14.8　Linux VServer虚拟机架构　519
14.8.1　体系结构　519
14.8.2　进程调度　520
14.9　Android虚拟机　521
14.9.1　Dex文件格式　522
14.9.2　Zygote　523
14.10　总结　523
14.11　推荐阅读　523
14.12　关键术语、复习题与习题　524
第7部分　安全
第 15章　操作系统安全　527
15.1　入侵者和恶意软件　528
15.1.1　系统访问威胁　528
15.1.2　对策　529
15.2　缓冲区溢出　531
15.2.1　缓冲区溢出
攻击　531
15.2.2　编译时防御　534
15.2.3　运行时防御　536
15.3　访问控制　537
15.3.1　文件系统访问
控制　537
15.3.2　访问控制策略　539
15.4　UNIX访问控制　544
15.4.1　传统UNIX文件访问
控制　544
15.4.2　UNIX中的访问控制
列表　546
15.5　操作系统强化　546
15.5.1　操作系统安装：初次
安装与修补　547
15.5.2　移除不必要的服务、
应用和协议　548
15.5.3　配置用户、组和身份
验证　548
15.5.4　配置资源控制　549
15.5.5　安装额外的安全
控制　549
15.5.6　测试系统安全性　549
15.6　安全维护　550
15.6.1　用户登入　550
15.6.2　数据备份和存档　550
15.7　Windows安全　551
15.7.1　访问控制模式　551
15.7.2　访问令牌　552
15.7.3　安全描述符　552
15.8　总结　555
15.9　推荐阅读　555
15.10　关键术语、复习题与习题　556
第8部分　分布式系统
第 16章　分布式处理、客户/服务器和
集群　559
16.1　客户/服务器计算　560
16.1.1　什么是客户/服务器
计算？　560
16.1.2　客户/服务器
应用　562
16.1.3　中间件　567
16.2　分布式消息传递　569
16.2.1　可靠性与不可
靠性　571
16.2.2　阻塞与非阻塞　571
16.3　远程过程调用　571
16.3.1　参数传递　572
16.3.2　参数表示　573
16.3.3　客户/服务器
绑定　573
16.3.4　同步与异步　573
16.3.5　面向对象机制　574
16.4　集群　574
16.4.1　集群的配置　575
16.4.2　操作系统的设计
问题　577
16.4.3　集群计算机的体系
结构　578
16.4.4　集群与SMP的
对比　579
16.5　Windows集群服务器　579
16.6　Beowulf和Linux集群　581
16.6.1　Beowulf特性　581
16.6.2　Beowulf软件　582
16.7　总结　582
16.8　推荐阅读　583
16.9　关键术语、复习题与习题　583
参考文献　586