操作系統導論（簡體書）

這是一本關於現代操作系統的書。全書圍繞虛擬化、併發和持久性這3個主要概念展開，介紹了所有現代系統的主要組件（包括調度、虛擬內存管理、磁盤和I/O子系統、文件系統 ）。
本書共50章，分為3個部分，分別講述虛擬化、併發和持久性的相關內容。本書大部分章節均先提出特定的問題，然後通過書中介紹的技術、算法和思想來解決這些問題。筆者以對話形式引入所介紹的主題概念，行文詼諧幽默卻又鞭辟入裡，力求幫助讀者理解操作系統中虛擬化、併發和持久性的原理。
本書內容給出了真實可運行的代碼（而非偽代碼），還提供了相應的練習，適合高等院校相關專業教師教學和高校學生自學。

雷姆茲·H.阿帕希杜塞爾（Remzi H.Arpaci-Dusseau）和安德莉亞·C.阿帕希杜塞爾
（Andrea C.Arpaci-Dusseau）夫婦是美國威斯康星大學計算機科學教授。二人都從事計算機操作系統方面的教學和研究。

第 1章 關於本書的對話 1
第 2章 操作系統介紹 3
2.1 虛擬化CPU 4
2.2 虛擬化內存 6
2.3 併發 7
2.4 持久性 9
2.5 設計目標 11
2.6 簡單歷史 12
2.7 小結 15
參考資料 15

第 1部分 虛擬化

第3章 關於虛擬化的對話 18
第4章 抽象：進程 19
4.1 抽象：進程 20
4.2 進程API 20
4.3 進程創建：更多細節 21
4.4 進程狀態 22
4.5 數據結構 24
4.6 小結 25
參考資料 25
作業 26
問題 26
第5章 插敘：進程API 28
5.1 fork()系統調用 28
5.2 wait()系統調用 29
5.3 最後是exec()系統調用 30
5.4 為什麼這樣設計API 32
5.5 其他API 34
5.6 小結 34
參考資料 34
作業(編碼) 35
問題 35
第6章 機制：受限直接執行 37
6.1 基本技巧：受限直接執行 37
6.2 問題1：受限制的操作 38
6.3 問題2：在進程之間切換 40
6.4 擔心併發嗎 44
6.5 小結 45
參考資料 45
作業(測量) 47
第7章 進程調度：介紹 48
7.1 工作負載假設 48
7.2 調度指標 49
7.3 先進先出(FIFO) 49
7.4 最短任務優先(SJF) 50
7.5 最短完成時間優先(STCF) 51
7.6 新度量指標：響應時間 52
7.7 輪轉 52
7.8 結合I/O 54
7.9 無法預知 54
7.10 小結 55
參考資料 55
作業 56
問題 56
第8章 調度：多級反饋隊列 57
8.1 MLFQ：基本規則 57
8.2 嘗試 #1：如何改變優先級 58
8.3 嘗試 #2：提升優先級 60
8.4 嘗試 #3：更好的計時方式 61
8.5 MLFQ調優及其他問題 61
8.6 MLFQ：小結 62
參考資料 63
作業 64
問題 64
第9章 調度：比例份額 65
9.1 基本概念：彩票數表示份額 65
9.2 彩票機制 66
9.3 實現 67
9.4 一個例子 68
9.5 如何分配彩票 68
9.6 為什麼不是確定的 69
9.7 小結 70
參考資料 70
作業 71
問題 71
第 10章 多處理器調度(高級) 73
10.1 背景：多處理器架構 73
10.2 別忘了同步 75
10.3 最後一個問題：緩存親和度 76
10.4 單隊列調度 76
10.5 多隊列調度 77
10.6 Linux 多處理器調度 79
10.7 小結 79
參考資料 79
第 11章 關於CPU虛擬化的總結對話 81
第 12章 關於內存虛擬化的對話 83
第 13章 抽象：地址空間 85
13.1 早期系統 85
13.2 多道程序和時分共享 85
13.3 地址空間 86
13.4 目標 87
13.5 小結 89
參考資料 89
第 14章 插敘：內存操作API 91
14.1 內存類型 91
14.2 malloc()調用 92
14.3 free()調用 93
14.4 常見錯誤 93
14.5 底層操作系統支持 96
14.6 其他調用 97
14.7 小結 97
參考資料 97
作業(編碼) 98
問題 98
第 15章 機制：地址轉換 100
15.1 假設 101
15.2 一個例子 101
15.3 動態(基於硬件)重定位 103
15.4 硬件支持：總結 105
15.5 操作系統的問題 105
15.6 小結 108
參考資料 109
作業 110
問題 110
第 16章 分段 111
16.1 分段：泛化的基址/界限 111
16.2 我們引用哪個段 113
16.3 棧怎麼辦 114
16.4 支持共享 114
16.5 細粒度與粗粒度的分段 115
16.6 操作系統支持 115
16.7 小結 117
參考資料 117
作業 118
問題 119
第 17章 空閒空間管理 120
17.1 假設 120
17.2 底層機制 121
17.3 基本策略 126
17.4 其他方式 128
17.5 小結 130
參考資料 130
作業 131
問題 131
第 18章 分頁：介紹 132
18.1 一個簡單例子 132
18.2 頁表存在哪裡 134
18.3 列表中究竟有什麼 135
18.4 分頁：也很慢 136
18.5 內存追蹤 137
18.6 小結 139
參考資料 139
作業 140
問題 140
第 19章 分頁：快速地址轉換(TLB) 142
19.1 TLB的基本算法 142
19.2 示例：訪問數組 143
19.3 誰來處理TLB未命中 145
19.4 TLB的內容 146
19.5 上下文切換時對TLB的處理 147
19.6 TLB替換策略 149
19.7 實際系統的TLB表項 149
19.8 小結 150
參考資料 151
作業(測量) 152
問題 153
第 20章 分頁：較小的表 154
20.1 簡單的解決方案：更大的頁 154
20.2 混合方法：分頁和分段 155
20.3 多級頁表 157
20.4 反向頁表 162
20.5 將頁表交換到磁盤 163
20.6 小結 163
參考資料 163
作業 164
問題 164
第 21章 超越物理內存：機制 165
21.1 交換空間 165
21.2 存在位 166
21.3 頁錯誤 167
21.4 內存滿了怎麼辦 168
21.5 頁錯誤處理流程 168
21.6 交換何時真正發生 169
21.7 小結 170
參考資料 171
第 22章 超越物理內存：策略 172
22.1 緩存管理 172
22.2 最優替換策略 173
22.3 簡單策略：FIFO 175
22.4 另一簡單策略：隨機 176
22.5 利用歷史數據：LRU 177
22.6 工作負載示例 178
22.7 實現基於歷史信息的算法 180
22.8 近似LRU 181
22.9 考慮髒頁 182
22.10 其他虛擬內存策略 182
22.11 抖動 183
22.12 小結 183
參考資料 183
作業 185
問題 185
第 23章 VAX/VMS虛擬內存系統 186
23.1 背景 186
23.2 內存管理硬件 186
23.3 一個真實的地址空間 187
23.4 頁替換 189
23.5 其他漂亮的虛擬內存技巧 190
23.6 小結 191
參考資料 191
第 24章 內存虛擬化總結對話 193

第 2部分 併發

第 25章 關於併發的對話 196
第 26章 併發：介紹 198
26.1 實例：線程創建 199
26.2 為什麼更糟糕：共享數據 201
26.3 核心問題：不可控的調度 203
26.4 原子性願望 205
26.5 還有一個問題：等待另一個
線程 206
26.6 小結：為什麼操作系統課要研究
併發 207
參考資料 207
作業 208
問題 208
第 27章 插敘：線程API 210
27.1 線程創建 210
27.2 線程完成 211
27.3 鎖 214
27.4 條件變量 215
27.5 編譯和運行 217
27.6 小結 217
參考資料 218
第 28章 鎖 219
28.1 鎖的基本思想 219
28.2 Pthread鎖 220
28.3 實現一個鎖 220
28.4 評價鎖 220
28.5 控制中斷 221
28.6 測試並設置指令(原子交換) 222
28.7 實現可用的自旋鎖 223
28.8 評價自旋鎖 225
28.9 比較並交換 225
28.10 鏈接的加載和條件式存儲指令 226
28.11 獲取並增加 228
28.12 自旋過多：怎麼辦 229
28.13 簡單方法：讓出來吧，寶貝 229
28.14 使用隊列：休眠替代自旋 230
28.15 不同操作系統，不同實現 232
28.16 兩階段鎖 233
28.17 小結 233
參考資料 233
作業 235
問題 235
第 29章 基於鎖的併發數據結構 237
29.1 併發計數器 237
29.2 併發鏈表 241
29.3 併發隊列 244
29.4 並發散列表 245
29.5 小結 246
參考資料 247
第30章 條件變量 249
30.1 定義和程序 250
30.2 生產者/消費者(有界緩衝區)
問題 252
30.3 覆蓋條件 260
30.4 小結 261
參考資料 261
第31章 信號量 263
31.1 信號量的定義 263
31.2 二值信號量(鎖) 264
31.3 信號量用作條件變量 266
31.4 生產者/消費者(有界緩衝區)
問題 268
31.5 讀者―寫者鎖 271
31.6 哲學家就餐問題 273
31.7 如何實現信號量 275
31.8 小結 276
參考資料 276
第32章 常見併發問題 279
32.1 有哪些類型的缺陷 279
32.2 非死鎖缺陷 280
32.3 死鎖缺陷 282
32.4 小結 288
參考資料 289
第33章 基於事件的併發(進階) 291
33.1 基本想法：事件循環 291
33.2 重要API：select()(或poll()) 292
33.3 使用select() 293
33.4 為何更簡單？無須鎖 294
33.5 一個問題：阻塞系統調用 294
33.6 解決方案：異步I/O 294
33.7 另一個問題：狀態管理 296
33.8 什麼事情仍然很難 297
33.9 小結 298
參考資料 298
第34章 併發的總結對話 300

第3部分 持久性

第35章 關於持久性的對話 302
第36章 I/O設備 303
36.1 系統架構 303
36.2 標準設備 304
36.3 標準協議 304
36.4 利用中斷減少CPU開銷 305
36.5 利用DMA進行更高效的數據
傳送 306
36.6 設備交互的方法 307
36.7 納入操作系統：設備驅動程序 307
36.8 案例研究：簡單的IDE磁盤驅動
程序 309
36.9 歷史記錄 311
36.10 小結 311
參考資料 312
第37章 磁盤驅動器 314
37.1 接口 314
37.2 基本幾何形狀 314
37.3 簡單的磁盤驅動器 315
37.4 I/O時間：用數學 318
37.5 磁盤調度 320
37.6 小結 323
參考資料 323
作業 324
問題 324
第38章 廉價冗餘磁盤陣列(RAID) 326
38.1 接口和RAID內部 327
38.2 故障模型 327
38.3 如何評估RAID 328
38.4 RAID 0級：條帶化 328
38.5 RAID 1級：鏡像 331
38.6 RAID 4級：通過奇偶校驗節省
空間 333
38.7 RAID 5級：旋轉奇偶校驗 336
38.8 RAID比較：總結 337
38.9 其他有趣的RAID問題 338
38.10 小結 338
參考資料 339
作業 340
問題 340
第39章 插敘：文件和目錄 342
39.1 文件和目錄 342
39.2 文件系統接口 343
39.3 創建文件 343
39.4 讀寫文件 344
39.5 讀取和寫入，但不按順序 346
39.6 用fsync()立即寫入 346
39.7 文件重命名 347
39.8 獲取文件信息 348
39.9 刪除文件 349
39.10 創建目錄 349
39.11 讀取目錄 350
39.12 刪除目錄 351
39.13 硬鏈接 351
39.14 符號鏈接 353
39.15 創建並掛載文件系統 354
39.16 總結 355
參考資料 355
作業 356
問題 356
第40章 文件系統實現 357
40.1 思考方式 357
40.2 整體組織 358
40.3 文件組織：inode 359
40.4 目錄組織 363
40.5 空閒空間管理 364
40.6 訪問路徑：讀取和寫入 364
40.7 緩存和緩衝 367
40.8 小結 369
參考資料 369
作業 370
問題 371
第41章 局部性和快速文件系統 372
41.1 問題：性能不佳 372
41.2 FFS：磁盤意識是解決方案 373
41.3 組織結構：柱面組 373
41.4 策略：如何分配文件和目錄 374
41.5 測量文件的局部性 375
41.6 大文件例外 376
41.7 關於FFS的其他幾件事 377
41.8 小結 378
參考資料 378
第42章 崩潰一致性：FSCK和日誌 380
42.1 一個詳細的例子 380
42.2 解決方案＃1：文件系統檢查
程序 383
42.3 解決方案＃2：日誌
(或預寫日誌) 384
42.4 解決方案＃3：其他方法 392
42.5 小結 393
參考資料 393
第43章 日誌結構文件系統 395
43.1 按順序寫入磁盤 396
43.2 順序而高效地寫入 396
43.3 要緩衝多少 397
43.4 問題：查找inode 398
43.5 通過間接解決方案：inode映射 398
43.6 檢查點區域 399
43.7 從磁盤讀取文件：回顧 400
43.8 目錄如何 400
43.9 一個新問題：垃圾收集 401
43.10 確定塊的死活 402
43.11 策略問題：要清理哪些塊，
何時清理 403
43.12 崩潰恢復和日誌 403
43.13 小結 404
參考資料 404
第44章 數據完整性和保護 407
44.1 磁盤故障模式 407
44.2 處理潛在的扇區錯誤 409
44.3 檢測訛誤：校驗和 409
44.4 使用校驗和 412
44.5 一個新問題：錯誤的寫入 412
44.6 最後一個問題：丟失的寫入 413
44.7 擦淨 413
44.8 校驗和的開銷 414
44.9 小結 414
參考資料 414
第45章 關於持久的總結對話 417
第46章 關於分布式的對話 418
第47章 分布式系統 419
47.1 通信基礎 420
47.2 不可靠的通信層 420
47.3 可靠的通信層 422
47.4 通信抽象 424
47.5 遠程過程調用(RPC) 425
47.6 小結 428
參考資料 429
第48章 Sun的網絡文件系統(NFS) 430
48.1 基本分布式文件系統 430
48.2 交出NFS 431
48.3 關注點：簡單快速的服務器崩潰
恢復 431
48.4 快速崩潰恢復的關鍵：無狀態 432
48.5 NFSv2協議 433
48.6 從協議到分布式文件系統 434
48.7 利用冪等操作處理服務器故障 435
48.8 提高性能：客戶端緩存 437
48.9 緩存一致性問題 437
48.10 評估NFS的緩存一致性 439
48.11 服務器端寫緩衝的隱含意義 439
48.12 小結 440
參考資料 440
第49章 Andrew文件系統(AFS) 442
49.1 AFS版本1 442
49.2 版本1的問題 443
49.3 改進協議 444
49.4 AFS版本2 444
49.5 緩存一致性 446
49.6 崩潰恢復 447
49.7 AFSv2的擴展性和性能 448
49.8 AFS：其他改進 450
49.9 小結 450
參考資料 451
作業 452
問題 452
第50章 關於分布式的總結對話 453
附錄A 關於虛擬機監視器的對話 454
附錄B 虛擬機監視器 455
附錄C 關於監視器的對話 466
附錄D 關於實驗室的對話 467
附錄E 實驗室：指南 468
附錄F 實驗室：系統項目 478
附錄G 實驗室：xv6項目 480