操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理

前言

In Pursuit of Absolute Simplicity求于至簡，歸于永恒當你在電腦上玩游戲、與朋友聊天或編寫一個程序并加載運行的時候，你有沒有一種像在觀看魔術(shù)的感覺？編寫好的程序能夠編譯運行，計算出結(jié)果，并顯示或打印出來。你有沒有覺得它很神秘？ 如果想揭開這層神秘的面紗，你就得學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)。因為操作系統(tǒng)是掌控計算機運行的系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)它的過程中，讀者能夠了解程序在計算機上運行的全景，或者說我們所認為的全景（見圖1）。之所以這么說，是因為精確了解程序圖1風(fēng)靡世界的游戲《第二生命》在計算機上運行的全景是極其困難的（有人認為這根本就是不可能的）。當然，這里的程序指的是有一定規(guī)模的程序，而不是那種只有幾行代碼的小程序（trivial program）。從某種程度上說，沒有人敢肯定自己清楚計算機在任意時刻所處的狀態(tài)。例如，在多流水線計算機上，如果發(fā)生中斷或異常, 我們根本就得不到一個精準的狀態(tài)。唯一能做的就是推倒重來。計算機的心智人有心智嗎？我想所有人都會回答：有！人的心智就是人的靈氣。這是每一個人的生命之氣。就是這個靈氣賦予了人豐富的思維、感受和行動能力（當然，也有人認為這是肉體進化的結(jié)果，不過這不是本書要討論的問題）。那么計算機有心智嗎？這不是一個詭秘或者搞笑的問題。人們通常認為能夠運動的生命都是有靈氣的，既然計算機能夠完成一些人腦才能夠完成的理性任務(wù)，它當然也有心智！而這個心智就是操作系統(tǒng)（見圖2）。因為操作系統(tǒng)賦予了計算機活力。雖然讀者有可能尚不明白操作系統(tǒng)是怎么一回事兒，但也許知道若沒有操作系統(tǒng)，現(xiàn)代計算機是運轉(zhuǎn)不起來的（這里需排除遠古時代的古老計算機）。操作系統(tǒng)作為計算機賴以運轉(zhuǎn)的控制中心，稱其為計算機的心智可謂恰如其分。圖2計算機的心智就是操作系統(tǒng)眾所周知，理解或看透一個人的心智是很困難的，所謂畫虎畫皮難畫骨，知人知面難知心。依此類推，既然操作系統(tǒng)是計算機的心智，恐怕理解起來也是困難重重的了。而這正是許多人在學(xué)習(xí)和研究操作系統(tǒng)時的共同感受。操作系統(tǒng)的奧秘記得小時候常常念過的一首詩是這樣的：從小時候就開始數(shù)了。數(shù)到懂事、數(shù)到成熟，還沒有數(shù)清。天上的星星為什么數(shù)不清呢？像記憶和幻想，永遠背負著固執(zhí)的謎……對于許多大學(xué)計算機及相關(guān)專業(yè)的同學(xué)來說，操作系統(tǒng)就像天上的星星（見圖3），隱藏著一個固執(zhí)的謎，永遠學(xué)不清楚。不過，操作系統(tǒng)真的學(xué)不清楚嗎？不是的。學(xué)不清楚是因為沒有看到其背后的奧秘。這個奧秘不是所有的人都知道的。即使是研究操作系統(tǒng)的人也不一定意識到它，更別提計算機初學(xué)者了。

內(nèi)容概要

　　操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心系統(tǒng)軟件，負責(zé)控制和管理整個系統(tǒng)，使之協(xié)調(diào)工作。本書對操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容進行了全面分析，包括操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史和基本概念、進程與線程、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、輸入與輸出、多核環(huán)境下的進程調(diào)度和操作系統(tǒng)設(shè)計。本書用大量生活實例，生動地解釋了操作系統(tǒng)中的主要難點和模糊點：鎖的實現(xiàn)、同步機制的發(fā)展軸線、純粹分段到段頁式的演變、多核環(huán)境下的進程同步與調(diào)度和操作系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。本書重點突出、邏輯清晰、內(nèi)容連貫，便于學(xué)生順利掌握操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容。
　　本書層次豐富、涵蓋操作系統(tǒng)的所有核心內(nèi)容，適合作為國內(nèi)高校計算機及相關(guān)專業(yè)本科生操作系統(tǒng)課程的教材，也是了解計算機操作系統(tǒng)原理不可多得的參考書。

作者簡介

　　鄒恒明，美國密歇根大學(xué)博士。曾任職美國IBM、國家數(shù)據(jù)公司、朗訊、EMC公司8年多。在IBM和EMC分別從事AIX操作系統(tǒng)和Engenity存儲操作系統(tǒng)的研發(fā)，其中包括911中挽摩根斯坦利公司于既倒的、美國唯一的“英雄軟件”SRDF。2007年在中國金融期貨交易系統(tǒng)（股指期貨）專家測評中擔(dān)任軟件測評組長。2004年以來在上海交大研究、執(zhí)教操作系統(tǒng)和算法設(shè)計等14門課程多年。

書籍目錄

前言
第一篇 基礎(chǔ)原理篇
　第1章 操作系統(tǒng)導(dǎo)論
　　引子：智者的挑戰(zhàn)
　　1.1 人造與神造
　　1.2 程序是如何運行的
　　1.3 什么是操作系統(tǒng)
　　1.4 魔術(shù)與管理
　　1.5 用戶程序與操作系統(tǒng)
　　1.6 操作系統(tǒng)的范疇
　　1.7 為什么學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)
　　思考題
　第2章操 作系統(tǒng)歷史
　　引子：不能承受之真
　　2.1 第一階段：狀態(tài)機操作系統(tǒng)（1940年以前）
　　2.2 第二階段：單一操作員單一控制端操作系統(tǒng)（20世紀40年代）
　　2.3 第三階段：批處理操作系統(tǒng)（20世紀50年代）
　　2.4 第四代：多道批處理操作系統(tǒng)（20世紀60年代）
　　2.5 第五代之一：分時操作系統(tǒng)（20世紀70年代）
　　2.6 第五代之二：實時操作系統(tǒng)
　　2.7 第六代：現(xiàn)代操作系統(tǒng)（1980年以后）
　　2.8 操作系統(tǒng)的演變過程
　　2.9 操作系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢
　　2.10 討論：操作系統(tǒng)虛擬化和虛擬化的操作系統(tǒng)
　　思考題
　第3章 操作系統(tǒng)基本概念
　　引子：軟件師的尷尬
　　3.1 計算機硬件基本知識
　　3.2 抽象
　　3.3 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)
　　3.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　3.5 進程、內(nèi)存和文件
　　3.6 系統(tǒng)調(diào)用
　　3.7 殼
　　思考題
第二篇 進程原理篇
　第4章 進程
　　引子：牛頓的困惑
　　4.1 進程概論
　　4.2 進程模型
　　4.3 多道編程的好處
　　4.4 進程的產(chǎn)生與消失
　　4.5 進程的層次結(jié)構(gòu)
　　4.6 進程的狀態(tài)
　　4.7 進程與地址空間
　　4.8 進程管理
　　4.9 進程的缺陷
　　思考題
　第5章 進程調(diào)度
　　引子：恐怖分子的調(diào)度
　　5.1 進程調(diào)度的定義
　　5.2 進程調(diào)度的目標
　　5.3 先來先服務(wù)調(diào)度算法
　　5.4 時間片輪轉(zhuǎn)算法
　　5.5 短任務(wù)優(yōu)先算法
　　5.6 優(yōu)先級調(diào)度算法
　　5.7 混合調(diào)度算法
　　5.8 其他調(diào)度算法
　　5.9 實時調(diào)度算法
　　5.10 進程調(diào)度的過程
　　5.11 高級議題：調(diào)度異常之優(yōu)先級倒掛
　　思考題
　第6章 進程通信
　　引子：孤獨爆破手的自白
　　6.1 為什么要通信
　　6.2 進程對白：管道、記名管道、套接字
　　6.3 進程電報：信號
　　6.4 進程旗語：信號量
　　6.5 進程擁抱：共享內(nèi)存
　　6.6 信件發(fā)送：消息隊列
　　6.7 其他通信機制
　　思考題
第三篇 線程原理篇
　第7章 線程
　　引子：亞歷山大的分身術(shù)
　　7.1 進程的分身術(shù)——線程
　　7.2 線程管理
　　7.3 線程模型的實現(xiàn)
　　7.4 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的線程實現(xiàn)模型
　　7.5 多線程的關(guān)系
　　7.6 討論：從用戶態(tài)進入內(nèi)核態(tài)
　　7.7 討論：線程的困惑——確定性與非確定性
　　思考題
　第8章 線程同步
　　引子：滑鐵盧的同步
　　8.1 為什么要同步
　　8.2 線程同步的目的
　　8.3 鎖的進化：金魚生存
　　8.4 睡覺與叫醒：生產(chǎn)者與消費者問題
　　8.5 信號量
　　8.6 鎖、睡覺與叫醒、信號量
　　8.7 管程
　　8.8 消息傳遞
　　8.9 柵欄
　　思考題
　第9章 死鎖應(yīng)對之哲學(xué)原理
　　引子：迷霧籠罩的加拿大
　　9.1 為什么會發(fā)生死鎖
　　9.2 死鎖的描述
　　9.3 死鎖的4個必要條件
　　9.4 哲學(xué)家就餐問題
　　9.5 死鎖的應(yīng)對
　　9.6 消除死鎖的必要條件
　　9.7 銀行家算法：冒險的代價
　　9.8 哲學(xué)家就餐問題之解
　　9.9 討論：死鎖的思考——綜合治理
　　9.10 討論：死鎖、活鎖與饑餓
　　思考題
　第10章 鎖的實現(xiàn)
　　引子：高登繩結(jié)
　　10.1 以中斷啟用與禁止來實現(xiàn)鎖
　　10.2 以測試與設(shè)置指令來實現(xiàn)鎖
　　10.3 以非繁忙等待、中斷啟用與禁止來實現(xiàn)鎖
　　10.4 以最少繁忙等待、測試與設(shè)置來實現(xiàn)鎖
　　10.5 中斷禁止、測試與設(shè)置
　　思考題
第四篇 內(nèi)存原理篇
　第11章 基本內(nèi)存管理
　　引子：讓別人無路可走
　　11.1 內(nèi)存管理的環(huán)境
　　11.2 內(nèi)存管理的目標
　　11.3 虛擬內(nèi)存的概念
　　11.4 操作系統(tǒng)在內(nèi)存中的位置
　　11.5 單道編程的內(nèi)存管理
　　11.6 多道編程的內(nèi)存管理
　　11.7 閑置空間管理
　　思考題
　第12章 頁式內(nèi)存管理
　　引子：虛擬概念的變現(xiàn)
　　12.1 基址極限管理模式的問題
　　12.2 分頁內(nèi)存管理
　　12.3 分頁系統(tǒng)的優(yōu)缺點
　　12.4 翻譯速度
　　12.5 缺頁中斷處理
　　12.6 鎖住頁面
　　12.7 頁面尺寸
　　12.8 內(nèi)存抖動
　　思考題
　第13章 頁面更換算法
　　引子：黑洞理論的替換
　　13.1 頁面需要更換
　　13.2 頁面更換的目標
　　13.3 隨機更換算法
　　13.4 先進先出算法
　　13.5 第二次機會算法
　　13.6 時鐘算法
　　13.7 最優(yōu)更換算法
　　13.8 NRU算法
　　13.9 LRU算法
　　13.10 工作集算法
　　13.11 工作集時鐘算法
　　13.12 頁面替換策略
　　思考題
　第14章 段式內(nèi)存管理
　　引子：否定之否定
　　14.1 分頁系統(tǒng)的缺點
　　14.2 分段管理系統(tǒng)
　　14.3 分段的優(yōu)缺點
　　14.4 段頁式內(nèi)存管理
　　14.5 段號是否占用尋址字位
　　14.6 討論：否定之否定的嵌套——純粹分段與邏輯分段、分頁與段頁
　　思考題
第五篇 文件原理篇
　第15章 磁盤操作
　　引子：EMC——從不可能到可能
　　15.1 磁盤組織與管理
　　15.2 磁盤的結(jié)構(gòu)
　　15.3 盤面的結(jié)構(gòu)
　　15.4 磁盤驅(qū)動器的訪問速度
　　15.5 操作系統(tǒng)界面
　　15.6 磁盤調(diào)度算法
　　15.7 討論：固態(tài)盤
　　15.8 討論：智能磁盤系統(tǒng)
　　思考題
　第16章 文件系統(tǒng)
　　引子：掩飾的極致
　　16.1 為什么需要文件系統(tǒng)
　　16.2 文件系統(tǒng)
　　16.3 文件系統(tǒng)的目標
　　16.4 文件的基本知識
　　16.5 從用戶角度看文件系統(tǒng)
　　16.6 地址獨立的實現(xiàn)機制：文件夾
　　16.7 文件系統(tǒng)調(diào)用
　　16.8 內(nèi)存映射的文件訪問
　　思考題
　第17 章文件系統(tǒng)實現(xiàn)
　　引子：成功中的失敗
　　17.1 文件系統(tǒng)的布局
　　17.2 文件的實現(xiàn)
　　17.3 目錄實現(xiàn)：地址獨立的實現(xiàn)
　　17.4 閑置空間管理
　　思考題
　第18章 文件系統(tǒng)性能
　　引子：從不可能到可能
　　18.1 文件授權(quán)管理
　　18.2 主動控制：訪問控制表
　　18.3 能力表
　　18.4 訪問控制的實施
　　18.5 其他文件安全措施
　　18.6 文件系統(tǒng)性能
　　18.7 文件系統(tǒng)效率性能
　　18.8 文件系統(tǒng)設(shè)計分析：日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)
　　18.9 海量數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)
　　思考題
第六篇 I/O原理篇
　第19章 輸入輸出
　　引子：約翰遜的輸出——從沒有到爆發(fā)
　　19.1 輸入輸出
　　19.2 輸入輸出的目的
　　19.3 輸入輸出硬件
　　19.4 I/O軟件
　　19.5 I/O軟件分層
　　思考題
第七篇 多核原理篇
　第20章 多核結(jié)構(gòu)與內(nèi)存
　　引子：不能承受之熱
　　20.1 以量取勝
　　20.2 多核基本概念
　　20.3 多核的內(nèi)存結(jié)構(gòu)
　　20.4 對稱多處理器計算機的啟動過程
　　20.5 多處理器之間的通信
　　20.6 SMP緩存一致性
　　20.7 多處理器、超線程和多核的比較
　　思考題
　第21章 多核環(huán)境下的進程同步與調(diào)度
　　引子：“多核”帝國的隕落
　　21.1 多核環(huán)境下操作系統(tǒng)的修正
　　21.2 多核環(huán)境下的進程同步與調(diào)度
　　21.3 多核進程同步
　　21.4 硬件原子操作
　　21.5 總線鎖
　　21.6 多核環(huán)境下的軟件同步原語
　　21.7 旋鎖
　　21.8 其他同步原語
　　21.9 多核環(huán)境下的進程調(diào)度
　　21.10 多核環(huán)境下的能耗管理
　　21.11 討論：多核系統(tǒng)的性能
　　思考題
第八篇 操作系統(tǒng)設(shè)計篇
　第22章 操作系統(tǒng)設(shè)計之哲學(xué)原理
　　引子：殘缺心智的勝利
　　22.1 操作系統(tǒng)設(shè)計的追求
　　22.2 操作系統(tǒng)設(shè)計的第1條哲學(xué)原理：層次架構(gòu)
　　22.3 操作系統(tǒng)設(shè)計的第2條哲學(xué)原理：沒有對錯
　　22.4 操作系統(tǒng)設(shè)計的第3條哲學(xué)原理：懶人哲學(xué)
　　22.5 操作系統(tǒng)設(shè)計的第4條哲學(xué)原理：讓困于人
　　22.6 操作系統(tǒng)設(shè)計的第5條哲學(xué)原理：留有余地
　　22.7 操作系統(tǒng)設(shè)計的第6條哲學(xué)原理：子虛烏有——海市蜃樓之美
　　22.8 操作系統(tǒng)設(shè)計的第7條哲學(xué)原理：時空轉(zhuǎn)換——滄海桑田之變
　　22.9 操作系統(tǒng)設(shè)計的第8條哲學(xué)原理：策機分離與權(quán)利分離
　　22.10 操作系統(tǒng)設(shè)計的第9條哲學(xué)原理：簡單為美——求于至簡,歸于永恒
　　22.11 操作系統(tǒng)設(shè)計的第10條哲學(xué)原理：適可而止
　　思考題
結(jié)語：失望與希望
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：12.第2個版本的衛(wèi)生間共享重做第10題的衛(wèi)生間共享問題。這次把優(yōu)先級賦予當前使用衛(wèi)生間的性別。例如，如果衛(wèi)生間里面已經(jīng)有女士在使用，新來的女士即可以直接進去，即使有男士在衛(wèi)生間外面等待。13.第3個版本的衛(wèi)生間共享重做第10題。這次需要保證公平，并防止饑餓：如果女士在衛(wèi)生間，則只要沒有男士等待在外面，新來的女士皆可以進入衛(wèi)生間。如果有男士等待，則新來的女士就不能進去，而必須等待在男士后面。當衛(wèi)生間里的最后一位女士離開時，等待的男士可全部進入。14.讀者寫者問題中國航信的航空訂票數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是中國國內(nèi)所有航空公司的共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。所有的旅行社訂票均使用該系統(tǒng)進行查詢、預(yù)訂和出票。由于旅行社數(shù)量眾多，在任意一個時間都可能有多個進程對該數(shù)據(jù)庫進行操作。所有讀寫數(shù)據(jù)庫的進程分為讀者和寫者：讀者讀數(shù)據(jù)庫而已，寫者則對數(shù)據(jù)庫進行更新。為保持數(shù)據(jù)一致性，該數(shù)據(jù)庫的訪問需滿足如下限制：a）多個讀者可以同時對數(shù)據(jù)庫進行（讀）操作。b）如果有一個寫者進程在對數(shù)據(jù)庫進行（寫）操作，則其他進程都不能對數(shù)據(jù)庫進行操作。請寫出讀者和寫者的偽代碼程序。

編輯推薦

《操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》編輯推薦：《操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理》自第1版出版以來，受到了讀者廣泛關(guān)注與好評！第2版以最新發(fā)展為內(nèi)容、以融會貫通為著眼、以邏輯演繹為主線、以生活實例為解說，將生活哲學(xué)與操作系統(tǒng)發(fā)展的來龍去脈進行了完美的結(jié)合，并融匯了最新的知識點。帶給讀者更豐富的內(nèi)容和更深刻的思考。所見的暫時的，所不見的是永遠的?！队嬎銠C的心智操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》從生活哲學(xué)的視角對操作系統(tǒng)進行了獨到的闡述。從人類自然的行為規(guī)范推演到操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以一條邏輯軸線將整個操作系統(tǒng)的各種原理精彩呈現(xiàn)到讀者面前。《計算機的心智操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》以操作系統(tǒng)的最新發(fā)展為內(nèi)容、以融會貫通為著眼點、以邏輯演繹為主線、以生活實例為解說，融匯了許多新的知識點，如鎖的實現(xiàn)、虛擬內(nèi)存的四大抽象、多核環(huán)境下的進程與內(nèi)存管理、操作系統(tǒng)設(shè)計的哲學(xué)原理等?！队嬎銠C的心智操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》在論述上保持章節(jié)獨立，同時打破條塊分割和模塊離散，對操作系統(tǒng)進行了有趣、新穎、獨特、深刻的闡述。例如：《計算機的心智操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》以程序是如何運行為主線，貫穿介紹操作系統(tǒng)的所有功能；進程部分提出了處理器調(diào)度是操作系統(tǒng)實現(xiàn)進程抽象的根本手段；線程部分闡述了同步機制的發(fā)展軸線：內(nèi)存管理部分提出了虛擬內(nèi)存所實現(xiàn)的四大抽象；文件部分提出了文件管理和內(nèi)存管理的一脈相承關(guān)系等。《計算機的心智操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》特點：抽象提升（從哲學(xué)原理上闡述操作系統(tǒng)的各種原理與設(shè)計）。聯(lián)系生活（通過普通人熟知的生活實例來分析操作系統(tǒng)）。模塊整合（將操作系統(tǒng)的各個模塊通過舉例聯(lián)結(jié)起來）。邏輯貫通（將操作系統(tǒng)的各種機制以一條邏輯軸線的發(fā)展依次講解）。系統(tǒng)關(guān)聯(lián)（將涉及的其他學(xué)科知識點如體系結(jié)構(gòu)和編譯器等嵌入進來）《計算機的心智操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理(第2版)》綜合上述特點，達到了內(nèi)容上更加新穎、系統(tǒng)上更加完整、邏輯上更加連貫、解說上更加清楚和層次上更加豐富的效果。形而上著謂之道，形而下著謂之器。——《易經(jīng)》

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