《操作系统导论》项目,作业,素材

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本书围绕虚拟化、并发和持久性这三个主要概念展开，介绍了所有现代系统的主要组件（包括调度、虚拟内存管理、磁盘和I/O子系统、文件系统）。全书共50章，分为3个部分，分别讲述虚拟化、并发和持久性的相关内容。作者以对话形式引入所介绍的主题概念，行文诙谐幽默却又鞭辟入里，力求帮助读者理解操作系统中虚拟化、并发和持久性的原理。 
本书内容全面，并给出了真实可运行的代码（而非伪代码），还提供了相应的练习，很适合高等院校相关专业的教师开展教学和高校学生进行自学。 
本书具有以下特色： 
● 主题突出，紧紧围绕操作系统的三大主题元素——虚拟化、并发和持久性。 
● 以对话的方式引入背景，提出问题，进而阐释原理，启发动手实践。 
● 包含众多“补充”和“提示”，拓展读者知识面，增加趣味性。 
● 使用真实代码而不是伪代码，让读者更加深入透彻地了解操作系统。 
● 提供作业、模拟和项目等众多学习方式，鼓励读者动手实践。 
● 为教师提供教学辅助资源。 
本书为教师提供如下教学辅助资源： 
● 教学PPT和听课笔记。 
● 考试题和参考答案。 
● 讨论题和作业。 
● 项目说明和指导。 
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内容简介

这是一本关于现代操作系统的书。全书围绕虚拟化、并发和持久性这3个主要概念展开，介绍了所有现代系统的主要组件（包括调度、虚拟内存管理、磁盘和I/O子系统、文件系统 ）。 
本书共50章，分为3个部分，分别讲述虚拟化、并发和持久性的相关内容。本书大部分章节均先提出特定的问题，然后通过书中介绍的技术、算法和思想来解决这些问题。笔者以对话形式引入所介绍的主题概念，行文诙谐幽默却又鞭辟入里，力求帮助读者理解操作系统中虚拟化、并发和持久性的原理。 
本书内容全面，并给出了真实可运行的代码（而非伪代码），还提供了相应的练习，适合高等院校相关专业教师教学和高校学生自学。

作者简介

雷姆兹·H.阿帕希杜塞尔（Remzi H.Arpaci-Dusseau）和安德莉亚·C.阿帕希杜塞尔 
（Andrea C.Arpaci-Dusseau）夫妇是美国威斯康星大学计算机科学教授。二人都从事计算机操作系统方面的教学和研究。

目录

• 第 1章 关于本书的对话 1 
• 第　2章 操作系统介绍　3 
• 2．1　虚拟化CPU　4 
• 2．2　虚拟化内存　6 
• 2．3　并发　7 
• 2．4　持久性　9 
• 2．5　设计目标　11 
• 2．6　简单历史　12 
• 2．7　小结　15 
• 参考资料　15 
•  
• 第　1部分 虚拟化 
•  
• 第3章　关于虚拟化的对话　18 
• 第4章　抽象：进程　19 
• 4．1　抽象：进程　20 
• 4．2　进程API　20 
• 4．3　进程创建：更多细节　21 
• 4．4　进程状态　22 
• 4．5　数据结构　24 
• 4．6　小结　25 
• 参考资料　25 
• 作业　26 
• 问题　26 
• 第5章　插叙：进程API　28 
• 5．1　fork()系统调用　28
• 5．2　wait()系统调用　29 
• 5．3　最后是exec()系统调用　30 
• 5．4　为什么这样设计API　32 
• 5．5　其他API　34 
• 5．6　小结　34 
• 参考资料　34 
• 作业（编码）　35 
• 问题　35 
• 第6章　机制：受限直接执行　37 
• 6．1　基本技巧：受限直接执行　37 
• 6．2　问题1：受限制的操作　38 
• 6．3　问题2：在进程之间切换　40 
• 6．4　担心并发吗　44 
• 6．5　小结　45 
• 参考资料　45 
• 作业（测量）　47 
• 第7章　进程调度：介绍　48 
• 7．1　工作负载假设　48 
• 7．2　调度指标　49 
• 7．3　先进先出（FIFO）　49
• 7．4　最短任务优先（SJF）　50 
• 7．5　最短完成时间优先（STCF）　51 
• 7．6　新度量指标：响应时间　52 
• 7．7　轮转　52 
• 7．8　结合I/O　54 
• 7．9　无法预知　54 
• 7．10　小结　55 
• 参考资料　55 
• 作业　56 
• 问题　56 
• 第8章　调度：多级反馈队列　57 
• 8．1　MLFQ：基本规则　57 
• 8．2　尝试 #1：如何改变优先级　58 
• 8．3　尝试 #2：提升优先级　60 
• 8．4　尝试 #3：更好的计时方式　61 
• 8．5　MLFQ调优及其他问题　61 
• 8．6　MLFQ：小结　62 
• 参考资料　63 
• 作业　64 
• 问题　64 
• 第9章　调度：比例份额　65 
• 9．1　基本概念：彩票数表示份额　65 
• 9．2　彩票机制　66 
• 9．3　实现　67 
• 9．4　一个例子　68 
• 9．5　如何分配彩票　68 
• 9．6　为什么不是确定的　69 
• 9．7　小结　70 
• 参考资料　70 
• 作业　71 
• 问题　71 
• 第　10章 多处理器调度（高级）　73 
• 10．1　背景：多处理器架构　73 
• 10．2　别忘了同步　75 
• 10．3　最后一个问题：缓存亲和度　76 
• 10．4　单队列调度　76 
• 10．5　多队列调度　77 
• 10．6　Linux 多处理器调度　79 
• 10．7　小结　79 
• 参考资料　79 
• 第　11章 关于CPU虚拟化的总结对话　81 
• 第　12章 关于内存虚拟化的对话　83 
• 第　13章 抽象：地址空间　85 
• 13．1　早期系统　85 
• 13．2　多道程序和时分共享　85 
• 13．3　地址空间　86 
• 13．4　目标　87 
• 13．5　小结　89 
• 参考资料　89 
• 第　14章 插叙：内存操作API　91 
• 14．1　内存类型　91 
• 14．2　malloc()调用　92 
• 14．3　free()调用　93 n
• 14．4　常见错误　93 n
• 14．5　底层操作系统支持　96 n
• 14．6　其他调用　97 n
• 14．7　小结　97 n
• 参考资料　97 n
• 作业（编码）　98 n
• 问题　98 n
• 第　15章 机制：地址转换　100 n
• 15．1　假设　101 n
• 15．2　一个例子　101 n
• 15．3　动态（基于硬件）重定位　103 n
• 15．4　硬件支持：总结　105 n
• 15．5　操作系统的问题　105 n
• 15．6　小结　108 n
• 参考资料　109 n
• 作业　110 n
• 问题　110 n
• 第　16章 分段　111 n
• 16．1　分段：泛化的基址/界限　111 n
• 16．2　我们引用哪个段　113 n
• 16．3　栈怎么办　114 n
• 16．4　支持共享　114 n
• 16．5　细粒度与粗粒度的分段　115 n
• 16．6　操作系统支持　115 n
• 16．7　小结　117 n
• 参考资料　117 n
• 作业　118 n
• 问题　119 n
• 第　17章 空闲空间管理　120 n
• 17．1　假设　120 n
• 17．2　底层机制　121 n
• 17．3　基本策略　126 n
• 17．4　其他方式　128 n
• 17．5　小结　130 n
• 参考资料　130 n
• 作业　131 n
• 问题　131 n
• 第　18章 分页：介绍　132 n
• 18．1　一个简单例子　132 n
• 18．2　页表存在哪里　134 n
• 18．3　列表中究竟有什么　135 n
• 18．4　分页：也很慢　136 n
• 18．5　内存追踪　137 n
• 18．6　小结　139 n
• 参考资料　139 n
• 作业　140 n
• 问题　140 n
• 第　19章 分页：快速地址转换（TLB）　142 n
• 19．1　TLB的基本算法　142 n
• 19．2　示例：访问数组　143 n
• 19．3　谁来处理TLB未命中　145 n
• 19．4　TLB的内容　146 n
• 19．5　上下文切换时对TLB的处理　147 n
• 19．6　TLB替换策略　149 n
• 19．7　实际系统的TLB表项　149 n
• 19．8　小结　150 n
• 参考资料　151 n
• 作业（测量）　152 n
• 问题　153 n
• 第　20章 分页：较小的表　154 n
• 20．1　简单的解决方案：更大的页　154 n
• 20．2　混合方法：分页和分段　155 n
• 20．3　多级页表　157 n
• 20．4　反向页表　162 n
• 20．5　将页表交换到磁盘　163 n
• 20．6　小结　163 n
• 参考资料　163 n
• 作业　164 n
• 问题　164 n
• 第　21章 超越物理内存：机制　165 n
• 21．1　交换空间　165 n
• 21．2　存在位　166 n
• 21．3　页错误　167 n
• 21．4　内存满了怎么办　168 n
• 21．5　页错误处理流程　168 n
• 21．6　交换何时真正发生　169 n
• 21．7　小结　170 n
• 参考资料　171 n
• 第　22章 超越物理内存：策略　172 n
• 22．1　缓存管理　172 n
• 22．2　最优替换策略　173 n
• 22．3　简单策略：FIFO　175 n
• 22．4　另一简单策略：随机　176 n
• 22．5　利用历史数据：LRU　177 n
• 22．6　工作负载示例　178 n
• 22．7　实现基于历史信息的算法　180 n
• 22．8　近似LRU　181 n
• 22．9　考虑脏页　182 n
• 22．10　其他虚拟内存策略　182 n
• 22．11　抖动　183 n
• 22．12　小结　183 n
• 参考资料　183 n
• 作业　185 n
• 问题　185 n
• 第　23章 VAX/VMS虚拟内存系统　186 n
• 23．1　背景　186 n
• 23．2　内存管理硬件　186 n
• 23．3　一个真实的地址空间　187 n
• 23．4　页替换　189 n
• 23．5　其他漂亮的虚拟内存技巧　190 n
• 23．6　小结　191 n
• 参考资料　191 n
• 第　24章 内存虚拟化总结对话　193 n
• n
• 第　2部分 并发 n
• n
• 第　25章 关于并发的对话　196 n
• 第　26章 并发：介绍　198 n
• 26．1　实例：线程创建　199 n
• 26．2　为什么更糟糕：共享数据　201 n
• 26．3　核心问题：不可控的调度　203 n
• 26．4　原子性愿望　205 n
• 26．5　还有一个问题：等待另一个 n
• 线程　206 n
• 26．6　小结：为什么操作系统课要研究 n
• 并发　207 n
• 参考资料　207 n
• 作业　208 n
• 问题　208 n
• 第　27章 插叙：线程API　210 n
• 27．1　线程创建　210 n
• 27．2　线程完成　211 n
• 27．3　锁　214 n
• 27．4　条件变量　215 n
• 27．5　编译和运行　217 n
• 27．6　小结　217 n
• 参考资料　218 n
• 第　28章 锁　219 n
• 28．1　锁的基本思想　219 n
• 28．2　Pthread锁　220 n
• 28．3　实现一个锁　220 n
• 28．4　评价锁　220 n
• 28．5　控制中断　221 n
• 28．6　测试并设置指令（原子交换）　222 n
• 28．7　实现可用的自旋锁　223 n
• 28．8　评价自旋锁　225 n
• 28．9　比较并交换　225 n
• 28．10　链接的加载和条件式存储指令　226 n
• 28．11　获取并增加　228 n
• 28．12　自旋过多：怎么办　229 n
• 28．13　简单方法：让出来吧，宝贝　229 n
• 28．14　使用队列：休眠替代自旋　230 n
• 28．15　不同操作系统，不同实现　232 n
• 28．16　两阶段锁　233 n
• 28．17　小结　233 n
• 参考资料　233 n
• 作业　235 n
• 问题　235 n
• 第　29章 基于锁的并发数据结构　237 n
• 29．1　并发计数器　237 n
• 29．2　并发链表　241 n
• 29．3　并发队列　244 n
• 29．4　并发散列表　245 n
• 29．5　小结　246 n
• 参考资料　247 n
• 第30章　条件变量　249 n
• 30．1　定义和程序　250 n
• 30．2　生产者/消费者（有界缓冲区） n
• 问题　252 n
• 30．3　覆盖条件　260 n
• 30．4　小结　261 n
• 参考资料　261 n
• 第31章　信号量　263 n
• 31．1　信号量的定义　263 n
• 31．2　二值信号量（锁）　264 n
• 31．3　信号量用作条件变量　266 n
• 31．4　生产者/消费者（有界缓冲区） n
• 问题　268 n
• 31．5　读者—写者锁　271 n
• 31．6　哲学家就餐问题　273 n
• 31．7　如何实现信号量　275 n
• 31．8　小结　276 n
• 参考资料　276 n
• 第32章　常见并发问题　279 n
• 32．1　有哪些类型的缺陷　279 n
• 32．2　非死锁缺陷　280 n
• 32．3　死锁缺陷　282 n
• 32．4　小结　288 n
• 参考资料　289 n
• 第33章　基于事件的并发（进阶）　291 n
• 33．1　基本想法：事件循环　291 n
• 33．2　重要API：select()（或poll()）　292 n
• 33．3　使用select()　293 n
• 33．4　为何更简单？无须锁　294 n
• 33．5　一个问题：阻塞系统调用　294 n
• 33．6　解决方案：异步I/O　294 n
• 33．7　另一个问题：状态管理　296 n
• 33．8　什么事情仍然很难　297 n
• 33．9　小结　298 n
• 参考资料　298 n
• 第34章　并发的总结对话　300 n
• n
• 第3部分　持久性 n
• n
• 第35章　关于持久性的对话　302 n
• 第36章　I/O设备　303 n
• 36．1　系统架构　303 n
• 36．2　标准设备　304 n
• 36．3　标准协议　304 n
• 36．4　利用中断减少CPU开销　305 n
• 36．5　利用DMA进行更高效的数据 n
• 传送　306 n
• 36．6　设备交互的方法　307 n
• 36．7　纳入操作系统：设备驱动程序　307 n
• 36．8　案例研究：简单的IDE磁盘驱动 n
• 程序　309 n
• 36．9　历史记录　311 n
• 36．10　小结　311 n
• 参考资料　312 n
• 第37章　磁盘驱动器　314 n
• 37．1　接口　314 n
• 37．2　基本几何形状　314 n
• 37．3　简单的磁盘驱动器　315 n
• 37．4　I/O时间：用数学　318 n
• 37．5　磁盘调度　320 n
• 37．6　小结　323 n
• 参考资料　323 n
• 作业　324 n
• 问题　324 n
• 第38章　廉价冗余磁盘阵列（RAID）　326 n
• 38．1　接口和RAID内部　327 n
• 38．2　故障模型　327 n
• 38．3　如何评估RAID　328 n
• 38．4　RAID 0级：条带化　328 n
• 38．5　RAID 1级：镜像　331 n
• 38．6　RAID 4级：通过奇偶校验节省 n
• 空间　333 n
• 38．7　RAID 5级：旋转奇偶校验　336 n
• 38．8　RAID比较：总结　337 n
• 38．9　其他有趣的RAID问题　338 n
• 38．10　小结　338 n
• 参考资料　339 n
• 作业　340 n
• 问题　340 n
• 第39章　插叙：文件和目录　342 n
• 39．1　文件和目录　342 n
• 39．2　文件系统接口　343 n
• 39．3　创建文件　343 n
• 39．4　读写文件　344 n
• 39．5　读取和写入，但不按顺序　346 n
• 39．6　用fsync()立即写入　346 n
• 39．7　文件重命名　347 n
• 39．8　获取文件信息　348 n
• 39．9　删除文件　349 n
• 39．10　创建目录　349 n
• 39．11　读取目录　350 n
• 39．12　删除目录　351 n
• 39．13　硬链接　351 n
• 39．14　符号链接　353 n
• 39．15　创建并挂载文件系统　354 n
• 39．16　总结　355 n
• 参考资料　355 n
• 作业　356 n
• 问题　356 n
• 第40章　文件系统实现　357 n
• 40．1　思考方式　357 n
• 40．2　整体组织　358 n
• 40．3　文件组织：inode　359 n
• 40．4　目录组织　363 n
• 40．5　空闲空间管理　364 n
• 40．6　访问路径：读取和写入　364 n
• 40．7　缓存和缓冲　367 n
• 40．8　小结　369 n
• 参考资料　369 n
• 作业　370 n
• 问题　371 n
• 第41章　局部性和快速文件系统　372 n
• 41．1　问题：性能不佳　372 n
• 41．2　FFS：磁盘意识是解决方案　373 n
• 41．3　组织结构：柱面组　373 n
• 41．4　策略：如何分配文件和目录　374 n
• 41．5　测量文件的局部性　375 n
• 41．6　大文件例外　376 n
• 41．7　关于FFS的其他几件事　377 n
• 41．8　小结　378 n
• 参考资料　378 n
• 第42章　崩溃一致性：FSCK和日志　380 n
• 42．1　一个详细的例子　380 n
• 42．2　解决方案＃1：文件系统检查 n
• 程序　383 n
• 42．3　解决方案＃2：日志 n
• （或预写日志）　384 n
• 42．4　解决方案＃3：其他方法　392 n
• 42．5　小结　393 n
• 参考资料　393 n
• 第43章　日志结构文件系统　395 n
• 43．1　按顺序写入磁盘　396 n
• 43．2　顺序而高效地写入　396 n
• 43．3　要缓冲多少　397 n
• 43．4　问题：查找inode　398 n
• 43．5　通过间接解决方案：inode映射　398 n
• 43．6　检查点区域　399 n
• 43．7　从磁盘读取文件：回顾　400 n
• 43．8　目录如何　400 n
• 43．9　一个新问题：垃圾收集　401 n
• 43．10　确定块的死活　402 n
• 43．11　策略问题：要清理哪些块， n
• 何时清理　403 n
• 43．12　崩溃恢复和日志　403 n
• 43．13　小结　404 n
• 参考资料　404 n
• 第44章　数据完整性和保护　407 n
• 44．1　磁盘故障模式　407 n
• 44．2　处理潜在的扇区错误　409 n
• 44．3　检测讹误：校验和　409 n
• 44．4　使用校验和　412 n
• 44．5　一个新问题：错误的写入　412 n
• 44．6　最后一个问题：丢失的写入　413 n
• 44．7　擦净　413 n
• 44．8　校验和的开销　414 n
• 44．9　小结　414 n
• 参考资料　414 n
• 第45章　关于持久的总结对话　417 n
• 第46章　关于分布式的对话　418 n
• 第47章　分布式系统　419 n
• 47．1　通信基础　420 n
• 47．2　不可靠的通信层　420 n
• 47．3　可靠的通信层　422 n
• 47．4　通信抽象　424 n
• 47．5　远程过程调用（RPC）　425 n
• 47．6　小结　428 n
• 参考资料　429 n
• 第48章　Sun的网络文件系统（NFS）　430 n
• 48．1　基本分布式文件系统　430 n
• 48．2　交出NFS　431 n
• 48．3　关注点：简单快速的服务器崩溃 n
• 恢复　431 n
• 48．4　快速崩溃恢复的关键：无状态　432 n
• 48．5　NFSv2协议　433 n
• 48．6　从协议到分布式文件系统　434 n
• 48．7　利用幂等操作处理服务器故障　435 n
• 48．8　提高性能：客户端缓存　437 n
• 48．9　缓存一致性问题　437 n
• 48．10　评估NFS的缓存一致性　439 n
• 48．11　服务器端写缓冲的隐含意义　439 n
• 48．12　小结　440 n
• 参考资料　440 n
• 第49章　Andrew文件系统（AFS）　442 n
• 49．1　AFS版本1　442 n
• 49．2　版本1的问题　443 n
• 49．3　改进协议　444 n
• 49．4　AFS版本2　444 n
• 49．5　缓存一致性　446 n
• 49．6　崩溃恢复　447 n
• 49．7　AFSv2的扩展性和性能　448 n
• 49．8　AFS：其他改进　450 n
• 49．9　小结　450 n
• 参考资料　451 n
• 作业　452 n
• 问题　452 n
• 第50章　关于分布式的总结对话　453 n
• 附录A　关于虚拟机监视器的对话　454 n
• 附录B　虚拟机监视器　455 n
• 附录C　关于监视器的对话　466 n
• 附录D　关于实验室的对话　467 n
• 附录E　实验室：指南　468 n
• 附录F　实验室：系统项目　478 n
• 附录G　实验室：xv6项目　480