#书籍赠送

操作系统一直是比较难学的知识，要学好操作系统的相关内容，需要对硬件、软件、宏观、微观、有非常深刻的理解，而能找到一本讲解比较好的书籍也是非常难得的，恰好，最近有出版社的朋友推荐了这样的一本书籍，这里推荐给大家。

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推荐语：

本书是操作系统和系统安全领域国际知名学者、上海交通大学陈海波、夏虞斌领衔撰写；

由浅入深介绍现代操作系统经典理论与方法，面向经典基础理论与方法，面向国际前沿研究，面向工业界实践；

全新打造ChCore微内核系列课程实验，建立对操作系统的第一手实践经验

#为什么写这样一本书籍？

操作系统是现代计算平台的基础与核心支撑系统，负责管理硬件资源、控制程序运行、改善人机交互以及为应用软件提供运行环境等。长期以来，我国信息产业处于“缺芯少魂”的状态，作为信息产业之“魂”的操作系统是释放硬件能力、构筑应用生态的基础，也是关键的“卡脖子”技术之一。当前，以华为海思麒麟与鲲鹏处理器、银河飞腾处理器等为代表的ARM平台在智能终端和服务器等应用场景的崛起，以及以开源为特色的RISC-V指令集架构的出现与其生态的蓬勃发展，逐步改变了x86处理器在我国一统天下的局面。因此，需要结合ARM等指令集架构与体系结构来构筑新的操作系统或深入优化现有操作系统，从而充分发挥硬件资源的能力并给用户提供更流畅的体验。

操作系统自20世纪50年代诞生以来，经历了从专用操作系统（每个主机与应用场景均需要一个新的操作系统）到通用操作系统（如Windows、UNIX、Linux等，即一个操作系统覆盖很多场景）的转变。在PC时代，由于Windows操作系统的广泛应用与部署，微软于20世纪90年代成为全球市值最高的公司，苹果研制的macOS也支撑苹果一度成为全球最赚钱的科技公司。在数据中心时代，在IBM、Intel等企业的支持下，Linux操作系统又逐步在服务器等场景占据主体地位。在移动互联网时代，苹果在乔布斯回归后基于NeXTSTEP操作系统构筑的iOS、新型macOS、iPadOS、watchOS、tvOS等操作系统支撑苹果又成为当时全球市值最高的科技公司。谷歌于2005年收购了Andrew Rubin于2003年创立的Android公司，并通过持续不断的压强投入逐步将Android操作系统打造成世界上发行量最大的移动智能操作系统。

当前，随着智能终端的多样化，5G带来的大连接、低时延、高吞吐，以及异构硬件设备的繁荣发展，我们正在逐步进入万物互联的智能世界，覆盖所有场景的单一操作系统已经很难发挥出硬件的处理能力并满足应用越来越高的极限需求。当前，华为、阿里、微软、谷歌、Facebook等各大企业纷纷在操作系统领域投入重兵。例如，微软在Windows 10之后开始研制Windows CoreOS，谷歌从2016年开始投入Fuchsia项目，Facebook从2019年开始研制面向AR/VR等的新OS，华为也于2019年发布鸿蒙操作系统并与合作伙伴一起构建openEuler、openHarmony开源社区和华为移动服务（Huawei Mobile Service，HMS）生态。

操作系统的复兴也对教学科研与产业实践提出了新的要求。首先，操作系统教材需要体现操作系统的核心原理与设计，从而帮助读者建立对操作系统的系统性认识；其次，操作系统教材需要反映国际的研究前沿，当前操作系统技术仍在迅猛发展，很多新的问题随着新处理器、新加速器架构、新应用场景的出现而不断涌现，同样，很多经典的问题也会出现新的解决方法，这些都给操作系统的设计与实现提供了新的思路；最后，操作系统教材需要反映工业界实践，操作系统是一门系统性与实践性非常强的学科，脱离实现来谈设计很容易陷入纸上谈兵的陷阱。当前操作系统领域的前沿研究与工业界实践结合得越来越紧密，在工业界新应用场景与需求的推动下，研究人员将前沿研究应用到工业界实践，再由工业界实践反馈进一步推动前沿研究，从而形成了良好的循环，并且循环的速度越来越快。

#书籍目录

看一本好书，就要从看它的目录开始

书籍的目录可以决定你是不是想要这本书，读书需要一种愉快的心情，我也从来不要求一本书籍可以解答我所有的疑惑，它能解答我一部分，或者几个疑惑已经非常不错了。

第一部分 操作系统基础
第1章  操作系统概述  2
1.1  简约但不简单：从Hello World说起  2
1.2  什么是操作系统  3
1.3  操作系统简史  6
1.3.1  GM-NAA I/O：第一个（批处理）操作系统  6
1.3.2  OS/360：从专用走向通用  6
1.3.3  Multics/UNIX/Linux：分时与多任务  7
1.3.4  macOS/Windows：以人为本的人机交互  8
1.4  操作系统接口  9
1.5  ChCore：一个简单的实验操作系统  11
参考文献  12
第2章  硬件结构  13
2.1  CPU与指令集架构  14
2.1.1  指令集  14
2.1.2  特权级  15
2.1.3  寄存器  17
2.2  物理内存与CPU缓存  17
2.2.1  缓存结构  18
2.2.2  缓存寻址  19
2.3  设备与中断  20
2.3.1  内存映射输入输出  20
2.3.2  轮询与中断  21
2.4  思考题  22
参考文献  22
第3章  操作系统结构  23
3.1  操作系统的机制与策略  24
3.2  操作系统复杂度管理方法  25
3.3  操作系统内核架构  27
3.3.1  简要结构  27
3.3.2  宏内核架构  28
3.3.3  微内核架构  30
3.3.4  外核架构  32
3.3.5  其他操作系统内核架构  34
3.4  操作系统框架结构  35
3.4.1  Android系统框架  35
3.4.2  ROS系统框架  37
3.5  思考题  39
参考文献  40
第4章  内存管理  42
4.1  虚拟地址与物理地址  43
4.1.1  初识物理地址与虚拟地址  43
4.1.2  使用虚拟地址访问物理内存  44
4.1.3  分段与分页机制  44
4.2  基于分页的虚拟内存  46
4.2.1  AArch64架构下的4级页表  47
4.2.2  加速地址翻译的重要硬件：TLB  49
4.2.3  换页与缺页异常  52
4.2.4  页替换策略  54
4.2.5  工作集模型  57
4.3  虚拟内存功能  58
4.3.1  共享内存  58
4.3.2  写时拷贝  58
4.3.3  内存去重  60
4.3.4  内存压缩  60
4.3.5  大页  61
4.4  物理内存分配与管理  62
4.4.1  目标与评价维度  62
4.4.2  伙伴系统  63
4.4.3  SLAB分配器  65
4.4.4  常用的空闲链表  66
4.4.5  物理内存与CPU缓存  68
4.5  案例分析：ChCore内存管理机制  70
4.6  思考题  73
参考文献  74
第5章  进程与线程  76
5.1  进程  76
5.1.1  进程的状态  76
5.1.2  进程的内存空间布局  78
5.1.3  进程控制块和上下文切换  79
5.2  案例分析：Linux的进程操作  80
5.2.1  进程的创建：fork  80
5.2.2  进程的执行：exec  84
5.2.3  进程管理  85
5.2.4  讨论：fork过时了吗  89
5.3  线程  92
5.3.1  多线程的地址空间布局  93
5.3.2  用户态线程与内核态线程  93
5.3.3  线程控制块与线程本地存储  94
5.3.4  线程的基本接口：以POSIX线程库为例  95
5.4  案例分析：ChCore的线程上下文  99
5.4.1  线程的上下文和TCB  99
5.4.2  ChCore中上下文切换的实现  100
5.5  纤程  102
5.5.1  对纤程的需求：一个简单的例子  103
5.5.2  POSIX的纤程支持：ucontext  103
5.5.3  纤程的上下文切换  105
5.6  思考题  106
参考文献  107
第6章  操作系统调度  108
6.1  计算机调度简介  108
6.1.1  操作系统调度  110
6.1.2  调度指标  111
6.2  调度机制  113
6.2.1  长期、中期与短期调度  114
6.2.2  任务调度总览  116
6.3  单核调度策略  117
6.3.1  经典调度  118
6.3.2  优先级调度  122
6.3.3  公平共享调度  127
6.3.4  实时调度  133
6.3.5  其他调度  138
6.4  多核调度策略  141
6.4.1  负载分担  141
6.4.2  协同调度  142
6.4.3  两级调度  144
6.4.4  负载追踪与负载均衡  145
6.4.5  能耗感知调度  148
6.5  调度进阶机制  151
6.5.1  处理器亲和性  152
6.5.2  调度策略设置  153
6.6  案例分析：现代调度器  155
6.6.1  Linux调度器  155
6.6.2  macOS/iOS调度器  160
6.7  思考题  162
参考文献  163
第7章  进程间通信  165
7.1  进程间通信基础  165
7.1.1  一个简单的进程间通信设计  166
7.1.2  数据传递  167
7.1.3  控制流转移  169
7.1.4  单向和双向  170
7.1.5  同步和异步  170
7.1.6  超时机制  171
7.1.7  通信连接管理  172
7.1.8  权限检查  173
7.1.9  命名服务  174
7.2  宏内核进程间通信  175
7.2.1  管道进程间通信  175
7.2.2  System V消息队列  178
7.2.3  System V信号量  179
7.2.4  System V共享内存  180
7.2.5  信号进程间通信  181
7.2.6  套接字进程间通信  185
7.3  微内核进程间通信  186
7.3.1  Mach：早期的微内核进程间通信设计  186
7.3.2  L4：围绕进程间通信优化而设计的微内核系统  188
7.3.3  LRPC：迁移线程模型  193
7.4  案例分析：Android Binder  195
7.4.1  背景  195
7.4.2  Binder IPC总览  196
7.4.3  Binder IPC内核设计  196
7.4.4  匿名共享内存  199
7.5  案例分析：ChCore 进程间通信机制  201
7.6  思考题  203
参考文献  203
第8章  同步原语  206
8.1  互斥锁  209
8.1.1  临界区问题  209
8.1.2  硬件实现：关闭中断  211
8.1.3  软件实现：皮特森算法  211
8.1.4  软硬件协同：使用原子操作实现互斥锁  213
8.2  条件变量  219
8.2.1  条件变量的使用  219
8.2.2  条件变量的实现  222
8.3  信号量  223
8.3.1  信号量的使用  224
8.3.2  信号量的实现  225
8.4  读写锁  229
8.4.1  读写锁的使用  229
8.4.2  读写锁的实现  230
8.5  RCU  233
8.5.1  订阅/发布机制  234
8.5.2  宽限期  236
8.6  管程  237
8.7  同步带来的问题  239
8.7.1  死锁  239
8.7.2  活锁  245
8.7.3  优先级反转  246
8.8  案例分析：Linux中的futex  249
8.9  案例分析：ChCore中的同步原语  251
8.10  思考题  252
参考文献  254
第9章  文件系统  256
9.1  基于inode的文件系统  257
9.1.1  inode与文件  258
9.1.2  文件名与目录  260
9.1.3  硬链接与符号链接  263
9.1.4  存储布局  264
9.2  虚拟文件系统  266
9.2.1  面向文件系统的接口  266
9.2.2  面向应用程序的接口  270
9.2.3  页缓存、直接I/O与内存映射  277
9.2.4  多种文件系统的组织和管理  280
9.2.5  伪文件系统  282
9.3  其他文件系统  284
9.3.1  FAT文件系统  284
9.3.2  NTFS  288
9.3.3  FUSE与用户态文件系统  292
9.4  案例分析：ChCore文件系统  294
9.4.1  ChCore的文件系统架构  294
9.4.2  内存文件系统  295
9.5  思考题  296
参考文献  297
第10章  设备管理  299
10.1  计算机设备的连接和通信  300
10.1.1  设备的连接：总线  300
10.1.2  可编程I/O  301
10.1.3  高效数据传输：DMA  301
10.1.4  设备地址翻译：IOMMU  302
10.2  设备的识别  303
10.2.1  设备树  303
10.2.2  ACPI  304
10.3  设备的中断处理  305
10.3.1  中断控制器  305
10.3.2  中断的基本概念  306
10.3.3  中断处理：以Linux上下半部的机制为例  308
10.4  设备驱动与设备驱动模型  313
10.4.1  设备驱动  313
10.4.2  设备驱动模型  315
10.5  案例分析：Linux设备驱动模型  315
10.5.1  Linux的设备抽象  315
10.5.2  Linux的设备驱动模型  318
10.5.3  Linux驱动的动态管理  319
10.5.4  Linux的sysfs文件系统  321
10.6  案例分析：L4设备驱动模型  322
10.7  案例分析：Linux的用户态驱动框架  323
10.8  思考题  327
参考文献  327
第11章  系统虚拟化  329
11.1  系统虚拟化技术概述  330
11.1.1  系统虚拟化及其组成部分  330
11.1.2  虚拟机监控器的类型  331
11.2  CPU虚拟化  332
11.2.1  下陷和模拟  333
11.2.2  可虚拟化架构与不可虚拟化架构  333
11.2.3  解释执行  334
11.2.4  动态二进制翻译  335
11.2.5  扫描和翻译  336
11.2.6  半虚拟化技术  337
11.2.7  硬件虚拟化技术  338
11.2.8  小结  340
11.3  内存虚拟化  341
11.3.1  影子页表机制  343
11.3.2  影子页表的缺页异常处理流程  345
11.3.3  直接页表映射机制  345
11.3.4  两阶段地址翻译机制  346
11.3.5  换页和内存气球机制  349
11.3.6  小结  351
11.4  I/O虚拟化  351
11.4.1  软件模拟方法  352
11.4.2  半虚拟化方法  354
11.4.3  设备直通：IOMMU和SR-IOV  356
11.4.4  小结  359
11.5  中断虚拟化  360
11.6  案例分析：QEMU/KVM  361
11.6.1  KVM API和一个简单的虚拟机监控器  362
11.6.2  KVM与QEMU  364
11.6.3  KVM内部实现简介  366
11.7  思考题  367
参考文献  367
缩略语  369
在线章节一
第二部分  操作系统进阶
第12章  多核与多处理器
第13章  文件系统崩溃一致性
第14章  网络协议栈与系统
第15章  轻量级虚拟化
第16章  操作系统安全
第17章  操作系统调测
第18章  形式化证明
第三部分  ChCore课程实验
第19章  实验1：机器启动
第20章  实验2：内存管理
第21章  实验3：用户进程与异常处理
第22章  实验4：多核处理
第23章  实验5：文件系统与Shell
第24章  实验6：进阶实践

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