操作系統(tǒng)

前言

　　譯者序　　操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，是計算機系統(tǒng)的核心和靈魂，是構(gòu)建在計算機硬件之上的第一層軟件，也是基礎(chǔ)軟件運行平臺的主要成分?！安僮飨到y(tǒng)”是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，一本好的教材可以使學(xué)生通過仔細閱讀、深入思考、不斷練習(xí)，循序漸進地提高自己的專業(yè)知識和技能水平?！　∫槐窘滩?，承載著什么？學(xué)生和教師對它的期望又是什么？WilliamStallings博士編寫的《操作系統(tǒng)——精髓與設(shè)計原理》第七版給出了完美的答案。WilliamStallings博士在教材的修訂過程中，將第六版交給了一批從事相關(guān)教學(xué)和研究的教授們審閱，使新一版的敘述更加清晰、緊湊，說明文字也進行了修正，使本書在教育學(xué)及用戶友善性方面有了新的改進。作為一本經(jīng)典的教材，在美國，多所大學(xué)采用本書的前幾個版本作為教材或參考書目；在中國，講授操作系統(tǒng)課程的教師和學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程的學(xué)生對“精髓”一書也是非常熟悉?！　∥覀冋嬲\地向廣大讀者推薦WilliamStallings博士的這本教材。本教材提供了操作系統(tǒng)原理的全景圖，對操作系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)和機制，進行了系統(tǒng)、全面的闡述，并清晰地展示了當(dāng)代操作系統(tǒng)的本質(zhì)和特點。特別是，由于本教材已經(jīng)出到第七版，每一版本都在多位教師使用、反饋建議的基礎(chǔ)上，對不足進行了更新，并結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展，增加了新內(nèi)容以反映操作系統(tǒng)的新進展?！　〗滩牡谄甙嬷饕獌?nèi)容分為八個部分。第一部分綜述了計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點講述與操作系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的主題。第二部分詳細分析了進程、多線程、對稱多處理（SMP）和微內(nèi)核，以及單一系統(tǒng)中的并發(fā)機制，重點講述互斥和死鎖。第三部分全面介紹了內(nèi)存管理技術(shù)，包括虛擬存儲器。第四部分討論了線程調(diào)度、SMP調(diào)度和實時調(diào)度，分析比較了多種進程調(diào)度方法。第五部分主要分析了操作系統(tǒng)中對I/O功能的控制，特別是磁盤I/O，給出了關(guān)于文件管理的綜述。第六部分討論了嵌入式操作系統(tǒng)的一般性原理，并介紹了兩個實例系統(tǒng)：TinyOS和eCos。第七部分概述了涉及計算機和網(wǎng)絡(luò)安全的威脅與機制。第八部分圍繞分布式系統(tǒng)，分析了計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的主要趨勢，同時還介紹了分布式系統(tǒng)開發(fā)中的一些主要設(shè)計領(lǐng)域?！　”緯廊贿x擇最流行、應(yīng)用最廣泛的Windows（Windows7）和Linux作為實例操作系統(tǒng)，并增補了多核操作系統(tǒng)、虛擬機、新的調(diào)度程序?qū)嵗?、面向服?wù)的架構(gòu)（SOA）、概率、統(tǒng)計和排隊分析、B樹等反映操作系統(tǒng)領(lǐng)域進展變化的新內(nèi)容。在講解操作系統(tǒng)每一功能的過程中，引入了實例操作系統(tǒng)，以加深讀者對原理的理解。本書配備有相應(yīng)的網(wǎng)站，包括一系列相關(guān)鏈接，包括作業(yè)題目和解答、編程項目、重要論文、支持文檔、在線章節(jié)、在線附錄等，并補充了大量的“現(xiàn)場測試”型作業(yè)練習(xí)。本書在每一章開始給出了學(xué)習(xí)目標(biāo)，還按章節(jié)給出了學(xué)生應(yīng)該在本章關(guān)注的主要概念。本書給教師提供了幾個教學(xué)大綱樣例，允許教師在有限的時間（如16周或12周）內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)。這些樣例是在一些教師們在第六版的真實教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上形成的。上述內(nèi)容為學(xué)生和教師提供豐富的輔助材料?！　榱伺浜匣诒緯牟僮飨到y(tǒng)教學(xué)，我們參照本書的重要知識點實現(xiàn)了一個教學(xué)用uCore操作系統(tǒng)，并基于uCore操作系統(tǒng)設(shè)計了8個增量式的操作系統(tǒng)實驗。有興趣的學(xué)生可在了解基本的操作系統(tǒng)概念和原理的基礎(chǔ)上，通過閱讀實驗指導(dǎo)書，分析uCore操作系統(tǒng)源碼，完成實驗中的練習(xí)，擴展uCore操作系統(tǒng)功能，來逐步體會一個操作系統(tǒng)是如何實現(xiàn)的，以及操作系統(tǒng)的概念原理和實際實現(xiàn)之間的緊密聯(lián)系與巨大差異。相關(guān)實驗指導(dǎo)書文檔和實驗代碼放在https：//github.com/chyyuu/ucore_pub上，且會持續(xù)更新。　　參加本書翻譯、審閱和校對的還有劉偉、杜圓圓、閻梵茜、徐淑琪、孔俊俊、閆林、張琳、馮濤、劉晗、王浩宇、周欣、陳剛、李小奇、劉夢馨、閆豐潤、袁鵬飛、陳昕、呂驍博等人，在此對他（她）們的貢獻表示誠摯的謝意?！　∮捎谧g者水平有限，本書的譯文中必定會存在一些不足或錯誤之處，歡迎各位專家和廣大讀者批評指正?！　∽g者　　2012年8月

內(nèi)容概要

　　本書是一本關(guān)于操作系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)和機制的教材，其目的是盡可能清楚和全面地展示現(xiàn)代操作系統(tǒng)的本質(zhì)和特點；同時，本書也是講解操作系統(tǒng)的經(jīng)典教材，不僅系統(tǒng)地講述了操作系統(tǒng)的基本概念、原理和方法，而且以當(dāng)代最流行的操作系統(tǒng)——Windows
7、UNIX和Linux為例，全面清楚地展現(xiàn)了當(dāng)代操作系統(tǒng)的本質(zhì)和特點。與本書配套的專用網(wǎng)站，為幫助教師和學(xué)生理解書中內(nèi)容，提供了及時、生動的材料。

作者簡介

作者:（美）William Stallings（威廉.斯托林斯） 譯者:陳向群

書籍目錄

第0章 讀者與教師指南
0.1 本書概述
0.2 實例系統(tǒng)
0.3 讀者和教師的學(xué)習(xí)路線圖
0.4 互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)站資源
第一部分 背景知識
第1章 計算機系統(tǒng)概述
1.1 基本構(gòu)成
1.2 微處理器的發(fā)展演化
1.3 指令的執(zhí)行
1.4 中斷
1.4.1 中斷和指令周期
1.4.2 中斷處理
1.4.3 多個中斷
1.5 存儲器的層次結(jié)構(gòu)
1.6 高速緩存
1.6.1 動機
1.6.2 高速緩存原理
1.6.3 高速緩存設(shè)計
1.7 直接內(nèi)存存取
1.8 多處理器和多核計算機組織結(jié)構(gòu)
1.8.1 對稱多處理器
1.8.2 多核計算機
1.9 推薦讀物和網(wǎng)站
1.10 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題
1.10.1 關(guān)鍵術(shù)語
1.10.2 復(fù)習(xí)題
1.10.3 習(xí)題
附錄1A 兩級存儲器的性能特征
第2章 操作系統(tǒng)概述
2.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能
2.1.1 作為用戶/計算機接口的操作系統(tǒng)
2.1.2 作為資源管理器的操作系統(tǒng)
2.1.3 操作系統(tǒng)的易擴展性
2.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展
2.2.1 串行處理
2.2.2 簡單批處理系統(tǒng)
2.2.3 多道批處理系統(tǒng)
2.2.4 分時系統(tǒng)
2.3 主要的成就
2.3.1 進程
2.3.2 內(nèi)存管理
2.3.3 信息保護和安全
2.3.4 調(diào)度和資源管理
2.4 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征
2.5 虛擬機
2.5.1 虛擬機和虛擬化
2.5.2 虛擬機架構(gòu)
2.6 針對多處理器和多核的操作系統(tǒng)設(shè)計考慮因素
2.6.1 對稱多處理器計算機的操作系統(tǒng)設(shè)計考慮因素
2.6.2 多核計算機的操作系統(tǒng)設(shè)計考慮因素
2.7 微軟Windows系統(tǒng)簡介
2.7.1 歷史
2.7.2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)
2.7.3 體系結(jié)構(gòu)
2.7.4 客戶/服務(wù)器模型
2.7.5 線程和SMP
2.7.6 Windows對象
2.7.7 Windows 7中的新特性
2.8 傳統(tǒng)的UNIX系統(tǒng)
2.8.1 歷史
2.8.2 描述
2.9 現(xiàn)代UNIX系統(tǒng)
2.9.1 System V版本4(簡稱SVR4)
2.9.2 BSD
2.9.3 Solaris 10
2.10 Linux操作系統(tǒng)
2.10.1 歷史
2.10.2 模塊結(jié)構(gòu)
2.10.3 內(nèi)核組件
2.11 Linux Vserver虛機器結(jié)構(gòu)
2.12 推薦讀物和網(wǎng)站
2.13 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題
2.13.1 關(guān)鍵術(shù)語
2.13.2 復(fù)習(xí)題
2.13.3 習(xí)題
第二部分 進程
第3章 進程描述和控制
3.1 什么是進程
3.1.1 背景
3.1.2 進程和進程控制塊
3.2 進程狀態(tài)
3.2.1 兩狀態(tài)進程模型
3.2.2 進程的創(chuàng)建和終止
3.2.3 五狀態(tài)模型
3.2.4 被掛起的進程
3.3 進程描述
3.3.1 操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
3.3.2 進程控制結(jié)構(gòu)
3.4 進程控制
3.4.1 執(zhí)行模式
3.4.2 進程創(chuàng)建
3.4.3 進程切換
3.5 操作系統(tǒng)的執(zhí)行
3.5.1 無進程的內(nèi)核
3.5.2 在用戶進程中執(zhí)行
3.5.3 基于進程的操作系統(tǒng)
3.6 安全問題
3.6.1 系統(tǒng)訪問威脅
3.6.2 對抗措施
3.7 UNIX SVR4進程管理
3.7.1 進程狀態(tài)
3.7.2 進程描述
3.7.3 進程控制
3.8 小結(jié)
3.9 推薦讀物
3.10 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題
3.10.1 關(guān)鍵術(shù)語
3.10.2 復(fù)習(xí)題
3.10.3 習(xí)題
第4章 線程
4.1 進程和線程
4.1.1 多線程
4.1.2 線程功能特性
4.2 線程分類
4.2.1 用戶級和內(nèi)核級線程
4.2.2 其他方案
4.3 多核和多線程
4.3.1 多核系統(tǒng)上的軟件性能
4.3.2 應(yīng)用示例：Valve游戲軟件
4.4 Windows 7線程和SMP管理
4.4.1 進程對象和線程對象
4.4.2 多線程
4.4.3 線程狀態(tài)
4.4.4 對OS子系統(tǒng)的支持
4.4.5 對稱多處理的支持
4.5 Solaris的線程和SMP管理
4.5.1 多線程體系結(jié)構(gòu)
4.5.2 動機
4.5.3 進程結(jié)構(gòu)
4.5.4 線程的執(zhí)行
4.5.5 把中斷當(dāng)做線程
4.6 Linux的進程和線程管理
4.6.1 Linux任務(wù)
4.6.2 Linux線程
4.7 Mac OS X的GCD技術(shù)
4.8 小結(jié)
4.9 推薦讀物
4.10 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題
4.10.1 關(guān)鍵術(shù)語
4.10.2 復(fù)習(xí)題
4.10.3 習(xí)題
第5章 并發(fā)性：互斥和同步
5.1 并發(fā)的原理
5.1.1 一個簡單的例子
5.1.2 競爭條件
5.1.3 操作系統(tǒng)關(guān)注的問題
5.1.4 進程的交互
5.1.5 互斥的要求
5.2 互斥：硬件的支持
5.2.1 中斷禁用
5.2.2 專用機器指令
5.3 信號量
5.3.1 互斥
5.3.2 生產(chǎn)者/消費者問題
5.3.3 信號量的實現(xiàn)
5.4 管程
5.4.1 使用信號的管程
5.4.2 使用通知和廣播的管程
5.5 消息傳遞
5.5.1 同步
5.5.2 尋址
5.5.3 消息格式
5.5.4 排隊原則
5.5.5 互斥
5.6 讀者/寫者問題
5.6.1 讀者優(yōu)先
5.6.2 寫者優(yōu)先
5.7 小結(jié)
5.8 推薦讀物
5.9 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題
5.9.1 關(guān)鍵術(shù)語
5.9.2 復(fù)習(xí)題
5.9.3 習(xí)題
第6章 并發(fā)：死鎖和饑餓
6.1 死鎖原理
6.1.1 可重用資源
6.1.2 可消耗資源
6.1.3 資源分配圖
6.1.4 死鎖的條件
6.2 死鎖預(yù)防
6.2.1 互斥
6.2.2 占有且等待
6.2.3 不可搶占
6.2.4 循環(huán)等待
6.3 死鎖避免
6.3.1 進程啟動拒絕
6.3.2 資源分配拒絕
6.4 死鎖檢測
6.4.1 死鎖檢測算法
6.4.2 恢復(fù)
6.5 一種綜合的死鎖策略
6.6 哲學(xué)家就餐問題
6.6.1 基于信號量解決方案
6.6.2 基于管程解決方案
6.7 UNIX的并發(fā)機制
6.7.1 管道
6.7.2 消息
6.7.3 共享內(nèi)存
6.7.4 信號量
6.7.5 信號
6.8 Linux內(nèi)核并發(fā)機制
6.8.1 原子操作
6.8.2 自旋鎖
6.8.3 信號量
6.8.4 屏障
6.9 Solaris線程同步原語
6.9.1 互斥鎖
6.9.2 信號量
6.9.3 多讀者/單寫者鎖
6.9.4 條件變量
6.10 Windows 7并發(fā)機制
6.10.1 等待函數(shù)
6.10.2 分派器對象
6.10.3 臨界區(qū)
6.10.4 輕量級讀者-寫者鎖和條件變量
6.10.5 鎖無關(guān)同步機制
6.11 小結(jié)
6.12 推薦讀物
6.13 關(guān)鍵術(shù)語、復(fù)習(xí)題和習(xí)題
6.13.1 關(guān)鍵術(shù)語
6.13.2 復(fù)習(xí)題
6.13.3 習(xí)題
第三部分 內(nèi)存
第7章 內(nèi)存管理
7.1 內(nèi)存管理的需求
7.1.1 重定位
7.1.2 保護
7.1.3 共享
7.1.4 邏輯組織
7.1.5 物理組織
7.2 內(nèi)存分區(qū)
7.2.1 固定分區(qū)
7.2.2 動態(tài)分區(qū)
7.2.3 伙伴系統(tǒng)
7.2.4 重定位
7.3 分頁
7.4 分段
7.5 安全問題
7.5.1 緩沖區(qū)溢出攻擊
……
第四部分 調(diào)度
第五部分 輸入/輸出和文件
第六部分 嵌入式系統(tǒng)
第七部分 計算機安全
第八部分 分布式系統(tǒng)
附錄A 并發(fā)主題
附錄B 編程和操作系統(tǒng)項目
術(shù)語表
參考書目

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   在查看包含兩個新掛起狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖之前，必須提到另一點。到現(xiàn)在為止的論述都假設(shè)沒有使用虛擬內(nèi)存，進程或者都在內(nèi)存中，或者都在內(nèi)存之外。在虛擬內(nèi)存方案中，可能會執(zhí)行到只有一部分內(nèi)容在內(nèi)存中的進程，如果訪問的進程地址不在內(nèi)存中，則進程的相應(yīng)部分可以被調(diào)入內(nèi)存。虛擬內(nèi)存的使用看上去會消除顯式交換的需要，這是因為通過處理器中的存儲管理硬件，任何期望的進程中的任何期望的地址都可以移入或移出內(nèi)存。但是，正如在第8章中將會看到的，如果有足夠多的活動進程，并且所有進程都有一部分在內(nèi)存中，則有可能導(dǎo)致虛擬內(nèi)存系統(tǒng)崩潰。因此，即使在虛擬存儲系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)也需要不時地根據(jù)執(zhí)行情況，顯式地、完全地換出進程。 現(xiàn)在來看圖3.9（b）中我們已開發(fā)的狀態(tài)變轉(zhuǎn)換型（圖中的虛線表示可能但并不是必需的轉(zhuǎn)換）。比較重要的新轉(zhuǎn)換如下： 阻塞→阻塞∕掛起：如果沒有就緒進程，則至少—個阻塞進程被換出，為另—個沒有阻塞的進程讓出空間。如果操作系統(tǒng)確定當(dāng)前正在運行的進程，或就緒進程為了維護基本的性能要求而需要更多的內(nèi)存空間，那么，即使有可用的就緒態(tài)進程也可能出現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 阻塞∕掛起→就緒∕掛起：如果等待的事件發(fā)生了，則處于阻塞∕掛起狀態(tài)的進程可轉(zhuǎn)換到就緒／掛起態(tài)。注意，這要求操作系統(tǒng)必須能夠得到掛起進程的狀態(tài)信息。 就緒∕掛起→就緒：如果內(nèi)存中沒有就緒態(tài)進程，操作系統(tǒng)需要調(diào)入—個進程繼續(xù)執(zhí)行。此外，當(dāng)處于就緒∕掛起態(tài)的進程比處于就緒態(tài)的任何進程的優(yōu)先級都要高時，也可以進行這種轉(zhuǎn)換。這種情況的產(chǎn)生是由于操作系統(tǒng)設(shè)計者規(guī)定，調(diào)入高優(yōu)先級的進程比減少交換量更重要。 就緒→就緒／掛起：通常，操作系統(tǒng)更傾向于掛起阻塞態(tài)進程而不是就緒態(tài)進程，因為就緒態(tài)進程可以立即執(zhí)行，而阻塞態(tài)進程占用了內(nèi)存空間但不能執(zhí)行。但如果釋放內(nèi)存以得到足夠空間的唯一方法是掛起—個就緒態(tài)進程，那么這種轉(zhuǎn)換也是必需的。并且，如果操作系統(tǒng)確信高優(yōu)先級的阻塞態(tài)進程很快將會就緒，那么它可能選擇掛起—個低優(yōu)先級的就緒態(tài)進程，而不是—個高優(yōu)先級的阻塞態(tài)進程。 還需要考慮的幾種其他轉(zhuǎn)換有： 新建→就緒∕掛起及新建→就緒：當(dāng)創(chuàng)建一個新進程時，該進程或者加入就緒隊列，或者加入就緒∕掛起隊列。不論哪種情況，操作系統(tǒng)都必須建立一些表以管理進程，并為進程分配地址空間。操作系統(tǒng)可能更傾向于在初期執(zhí)行這些輔助工作，這使得它可以維護大量的未阻塞的進程。通過這一策略，內(nèi)存中經(jīng)常會沒有足夠的空間分配給新進程，因此使用了（新建→就緒／掛起）轉(zhuǎn)換。另一方面，我們可以證明創(chuàng)建進程的適時（just-in-time）原理，即盡可能推遲創(chuàng)建進程以減少操作系統(tǒng)的開銷，并在系統(tǒng)被阻塞態(tài)進程阻塞時允許操作系統(tǒng)執(zhí)行進程創(chuàng)建任務(wù)。 阻塞∕掛起→阻塞：這種轉(zhuǎn)換在設(shè)計中比較少見，如果一個進程沒有準(zhǔn)備好執(zhí)行，并且不在內(nèi)存中，調(diào)入它又有什么意義？但是考慮到下面的情況：—個進程終止，釋放了一些內(nèi)存空間，阻塞∕掛起隊列中有—個進程比就緒∕掛隊列中任何進程的優(yōu)先級都要高，并且操作系統(tǒng)有理由相信阻塞進程的事件很快就會發(fā)生，這時，把阻塞進程而不是就緒進程調(diào)入內(nèi)存是合理的。 運行→就緒∕掛起：通常當(dāng)分配給一個運行進程的時間期滿時，它將轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)。

編輯推薦

《國外計算機科學(xué)教材系列?操作系統(tǒng):精髓與設(shè)計原理(第7版)》既注重對操作系統(tǒng)經(jīng)典知識的講解，又緊密結(jié)合當(dāng)代最新的操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢，全面清楚地展現(xiàn)了當(dāng)代操作系統(tǒng)的本質(zhì)和特點?？勺鳛榇髮W(xué)計算機專業(yè)學(xué)生的教材和參考書，也可供從事計算機專業(yè)研究方向的專業(yè)技術(shù)人員參考。

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