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(dāng)你在電腦上玩游戲、與朋友聊天或編寫一個(gè)程序并加載運(yùn)行的時(shí)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(yùn)行，計(jì)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?yàn)椴僮飨到y(tǒng)是掌控計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)算機(jī)上運(yùn)行的全景，或者說我們所認(rèn)為的全景（見圖1）。之所以這么說，是因?yàn)榫_了解程序圖1風(fēng)靡世界的游戲《第二生命》在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的全景是極其困難的（有人認(rèn)為這根本就是不可能的）。當(dāng)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(jì)算機(jī)在任意時(shí)刻所處的狀態(tài)。例如，在多流水線計(jì)算機(jī)上，如果發(fā)生中斷或異常, 我們根本就得不到一個(gè)精準(zhǔn)的狀態(tài)。唯一能做的就是推倒重來。計(jì)算機(jī)的心智人有心智嗎？我想所有人都會(huì)回答：有！人的心智就是人的靈氣。這是每一個(gè)人的生命之氣。就是這個(gè)靈氣賦予了人豐富的思維、感受和行動(dòng)能力（當(dāng)然，也有人認(rèn)為這是肉體進(jìn)化的結(jié)果，不過這不是本書要討論的問題）。那么計(jì)算機(jī)有心智嗎？這不是一個(gè)詭秘或者搞笑的問題。人們通常認(rèn)為能夠運(yùn)動(dòng)的生命都是有靈氣的，既然計(jì)算機(jī)能夠完成一些人腦才能夠完成的理性任務(wù)，它當(dāng)然也有心智！而這個(gè)心智就是操作系統(tǒng)（見圖2）。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)賦予了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)是運(yùn)轉(zhuǎn)不起來的（這里需排除遠(yuǎn)古時(shí)代的古老計(jì)算機(jī)）。操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的控制中心，稱其為計(jì)算機(jī)的心智可謂恰如其分。圖2計(jì)算機(jī)的心智就是操作系統(tǒng)眾所周知，理解或看透一個(gè)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(jì)算機(jī)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(shí)的共同感受。操作系統(tǒng)的奧秘記得小時(shí)候常常念過的一首詩是這樣的：從小時(shí)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(yuǎn)背負(fù)著固執(zhí)的謎……對于許多大學(xué)計(jì)算機(jī)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(gè)固執(zhí)的謎，永遠(yuǎn)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?yàn)闆]有看到其背后的奧秘。這個(gè)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(shí)到它，更別提計(jì)算機(jī)初學(xué)者了。

內(nèi)容概要

　　操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)程調(diào)度和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本書用大量生活實(shí)例，生動(dòng)地解釋了操作系統(tǒng)中的主要難點(diǎn)和模糊點(diǎn)：鎖的實(shí)現(xiàn)、同步機(jī)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(jìn)程同步與調(diào)度和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。本書重點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(chǔ)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(píng)中擔(dān)任軟件測評(píng)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(jì)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(yùn)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(jī)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(jì)40年代）
　　2.3 第三階段：批處理操作系統(tǒng)（20世紀(jì)50年代）
　　2.4 第四代：多道批處理操作系統(tǒng)（20世紀(jì)60年代）
　　2.5 第五代之一：分時(shí)操作系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代）
　　2.6 第五代之二：實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)硬件基本知識(shí)
　　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(jìn)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(jìn)程原理篇
　第4章 進(jìn)程
　　引子：牛頓的困惑
　　4.1 進(jìn)程概論
　　4.2 進(jìn)程模型
　　4.3 多道編程的好處
　　4.4 進(jìn)程的產(chǎn)生與消失
　　4.5 進(jìn)程的層次結(jié)構(gòu)
　　4.6 進(jìn)程的狀態(tài)
　　4.7 進(jìn)程與地址空間
　　4.8 進(jìn)程管理
　　4.9 進(jìn)程的缺陷
　　思考題
　第5章 進(jìn)程調(diào)度
　　引子：恐怖分子的調(diào)度
　　5.1 進(jìn)程調(diào)度的定義
　　5.2 進(jìn)程調(diào)度的目標(biāo)
　　5.3 先來先服務(wù)調(diào)度算法
　　5.4 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法
　　5.5 短任務(wù)優(yōu)先算法
　　5.6 優(yōu)先級(jí)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(shí)時(shí)調(diào)度算法
　　5.10 進(jìn)程調(diào)度的過程
　　5.11 高級(jí)議題：調(diào)度異常之優(yōu)先級(jí)倒掛
　　思考題
　第6章 進(jìn)程通信
　　引子：孤獨(dú)爆破手的自白
　　6.1 為什么要通信
　　6.2 進(jìn)程對白：管道、記名管道、套接字
　　6.3 進(jìn)程電報(bào)：信號(hào)
　　6.4 進(jìn)程旗語：信號(hào)量
　　6.5 進(jìn)程擁抱：共享內(nèi)存
　　6.6 信件發(fā)送：消息隊(duì)列
　　6.7 其他通信機(jī)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(jìn)程的分身術(shù)——線程
　　7.2 線程管理
　　7.3 線程模型的實(shí)現(xiàn)
　　7.4 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的線程實(shí)現(xiàn)模型
　　7.5 多線程的關(guān)系
　　7.6 討論：從用戶態(tài)進(jìn)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(jìn)化：金魚生存
　　8.4 睡覺與叫醒：生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題
　　8.5 信號(hào)量
　　8.6 鎖、睡覺與叫醒、信號(hào)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(huì)發(fā)生死鎖
　　9.2 死鎖的描述
　　9.3 死鎖的4個(gè)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(xiǎn)的代價(jià)
　　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(shí)現(xiàn)
　　引子：高登繩結(jié)
　　10.1 以中斷啟用與禁止來實(shí)現(xiàn)鎖
　　10.2 以測試與設(shè)置指令來實(shí)現(xiàn)鎖
　　10.3 以非繁忙等待、中斷啟用與禁止來實(shí)現(xiàn)鎖
　　10.4 以最少繁忙等待、測試與設(shè)置來實(shí)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(biāo)
　　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(diǎn)
　　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(dòng)
　　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(biāo)
　　13.3 隨機(jī)更換算法
　　13.4 先進(jìn)先出算法
　　13.5 第二次機(jī)會(huì)算法
　　13.6 時(shí)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(shí)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(diǎn)
　　14.2 分段管理系統(tǒng)
　　14.3 分段的優(yōu)缺點(diǎn)
　　14.4 段頁式內(nèi)存管理
　　14.5 段號(hào)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(dòng)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(biāo)
　　16.4 文件的基本知識(shí)
　　16.5 從用戶角度看文件系統(tǒng)
　　16.6 地址獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)
　　17.3 目錄實(shí)現(xiàn)：地址獨(dú)立的實(shí)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(dòng)控制：訪問控制表
　　18.3 能力表
　　18.4 訪問控制的實(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)的啟動(dòng)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(jìn)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(jìn)程同步與調(diào)度
　　21.3 多核進(jìn)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(jìn)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(jì)篇
　第22章 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的追求
　　22.2 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第1條哲學(xué)原理：層次架構(gòu)
　　22.3 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第2條哲學(xué)原理：沒有對錯(cuò)
　　22.4 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第3條哲學(xué)原理：懶人哲學(xué)
　　22.5 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第4條哲學(xué)原理：讓困于人
　　22.6 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第5條哲學(xué)原理：留有余地
　　22.7 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的第7條哲學(xué)原理：時(shí)空轉(zhuǎn)換——滄海桑田之變
　　22.9 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第8條哲學(xué)原理：策機(jī)分離與權(quán)利分離
　　22.10 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：12.第2個(gè)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(jí)賦予當(dāng)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(jìn)去，即使有男士在衛(wèi)生間外面等待。13.第3個(gè)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(jìn)入衛(wèi)生間。如果有男士等待，則新來的女士就不能進(jìn)去，而必須等待在男士后面。當(dāng)衛(wèi)生間里的最后一位女士離開時(shí)，等待的男士可全部進(jìn)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(jìn)行查詢、預(yù)訂和出票。由于旅行社數(shù)量眾多，在任意一個(gè)時(shí)間都可能有多個(gè)進(jìn)程對該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。所有讀寫數(shù)據(jù)庫的進(jìn)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(jìn)行更新。為保持?jǐn)?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(gè)讀者可以同時(shí)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行（讀）操作。b）如果有一個(gè)寫者進(jìn)程在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行（寫）操作，則其他進(jìn)程都不能對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。請寫出讀者和寫者的偽代碼程序。

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