第1章xv6安裝使用1
1.1運行於QEMU的xv61
1.1.1CentOS 7 QEMU xv61
1.1.2Ubuntu 18 QEMU xv62
1.2調試觀察4
1.2.1xv6 shell命令4
1.2.2QEMU gdb調試6
1.2.3多核調試10
1.3本章小結12
練習13

第2章入門實驗14
2.1新增可執行程序15
2.1.1磁盤映像的生成15
2.1.2添加簡單程序16
2.2新增繫統調用18
2.2.1繫統調用示例19
2.2.2添加繫統調用20
2.2.3驗證新繫統調用22
2.3觀察調度過程23
2.4本章小結25
練習25

第3章xv6概述26
3.1xv6代碼總覽26
3.2xv6二進制代碼與鏡像27
3.2.1啟動扇區27
3.2.2內核代碼31
3.2.3磁盤鏡像40
3.2.4xv6的Makefile43
3.3xv6內核簡介51
3.3.1進程管理52
3.3.2內存管理56
3.3.3文件繫統57
3.3.4設備59
3.4本章小結59
練習59
操作繫統原型——xv6分析與實驗目錄
第4章繫統啟動60
4.1全局性信息60
4.1.1xv6繫統常數（param.h）60
4.1.2x86.h硬件相關代碼61
4.2bootblock70
4.2.116位/32位模式71
4.2.2bootasm.S72
4.2.3bootmain.c83
4.2.4ELF文件格式87
4.3kernel啟動89
4.3.1啟動分頁90
4.3.2main()95
4.4多核啟動100
4.4.1檢測多核信息100
4.4.2激活其他處理器107
4.5通用代碼111
4.6QEMU仿真命令114
4.7本章小結115
練習116

第5章內存管理118
5.1物理內存初始化（PI）119
5.1.1早期布局119
5.1.2物理頁幀的初始化120
5.1.3kalloc.c和mmu.h122
5.2頁幀的分配與回收（PR）126
5.3內核空間126
5.3.1內核頁表（KI）127
5.3.2內核頁表切換（KR）129
5.3.3vm.c131
5.4進程用戶空間149
5.4.1用戶空間映像（UI）150
5.4.2分配與回收（UR）152
5.4.3用戶進程空間切換153
5.4.4內核空間與用戶空間交換數據153
5.5本章小結154
練習155

第6章進程管理與同步156
6.1進程管理156
6.1.1調度狀態與執行現場156
6.1.2進程控制175
6.1.3執行流的切換184
6.2內核同步——自旋鎖190
6.2.1spinlock.h190
6.2.2spinlock.c191
6.3用戶應用程序195
6.3.1運行程序195
6.3.2個用戶進程init200
6.3.3sh.c203
6.3.4xv6測試（usertests.c）218
6.3.5用戶進程的ELF220
6.3.6ULIB庫221
6.4本章小結230
練習231

第7章中斷/異常/繫統調用232
7.1中斷及其處理233
7.1.1中斷整體描述233
7.2繫統調用245
7.2.1繫統調用框架246
7.2.2數據傳遞254
7.2.3用戶態接口255
7.3本章小結259
練習260

第8章中級實驗261
8.1調度實驗261
8.1.1調整時間片長度261
8.1.2優先級調度264
8.2實現信號量273
8.2.1共享變量及其訪問273
8.2.2信號量數據結構275
8.2.3信號量操作的繫統調用276
8.2.4用戶測試代碼280
8.3實現進程間通信的實驗282
8.3.1共享內存的實現282
8.3.2消息隊列的實現299
8.4內存管理實驗317
8.4.1實現myfree()和myalloc()繫統調用317
8.4.2代碼與數據隔離324
8.5本章小結331
練習331

第9章xv6fs文件管理333
9.1xv6fs文件繫統333
9.1.1xv6fs概述334
9.2文件繫統操作344
9.2.1盤塊操作345
9.2.2索引節點操作356
9.2.3目錄操作372
9.2.4文件378
9.2.5繫統調用386
9.3非核心功能401
9.3.1日志層401
9.3.2特殊文件411
9.4本章小結415
練習416

第10章設備管理417
10.1終端設備417
10.1.1console/tty/terminal/shell417
10.1.2終端及CGA顯示器418
10.1.3鍵盤430
10.1.4串口439
10.2其他硬件442
10.2.1定時器442
10.2.2IDE磁盤/塊設備443
10.3中斷控制器449
10.3.1APIC450
10.3.2IOAPIC451
10.3.3LAPIC457
10.4本章小結468
練習468

第11章高級實驗469
11.1實現xv6內核線程469
11.1.1修改PCB469
11.1.2sys_clone和sys_join繫統調用470
11.1.3線程庫的實現474
11.1.4測試樣例476
11.2文件繫統實驗478
11.2.1文件權限478
11.2.2恢復被刪除的文件484
11.2.3磁盤裸設備的讀寫488
11.3虛擬內存494
11.3.1虛存交換機制495
11.3.2缺頁異常498
11.3.3功能驗證501
11.4用戶終端實驗504
11.4.1設計思路505
11.4.2代碼實現506
11.4.3功能驗證518
11.5本章小結523
練習523

第12章x86架構概述524
12.1x86的ISA架構524
12.1.1寄存器524
12.1.2內存組織530
12.2x86 MMU地址部件531
12.2.1模式及地址空間531
12.2.2實地址模式533
12.2.3保護模式535
12.2.4分頁機制543
12.3中斷/異常/繫統調用547
12.3.1中斷機制548
12.3.2中斷描述符表IDT548
12.3.3TSS和內核棧554
12.4本章小結560

操作繫統一詞的內涵比較豐富。當我們聽說某人是操作繫統高手時，可能指這個人是操作繫統“繫統管理”高手。也就是說，這個人可以快速架設Web服務，能把崩潰的文件繫統修復，能設置復雜的網絡繞過防火牆又不失安全，等等；又或者這個人是一個“繫統編程”高手，能夠編寫復雜而高效的服務器程序，將多進程/多線程並發、通信與同步等各種技藝玩得爐火純青；還可能這個人是一個“內核編程”的高手，不僅會編寫實現不同文件繫統的各種內核模塊、還精通編寫各種硬件的設備驅動程序。
無論上述哪種高手，都離不開對操作繫統基本原理的認知，如果對操作繫統的核心機制和編碼實現有所認知，都將如虎添翼。操作繫統的基本原理和算法層面的知識，我們在大學本科操作繫統課程已經掌握得很好了，但對於操作繫統的核心機制——特別是軟硬件結合的機制，則明顯不足，更別說編碼實現了。因此上面提到的高手，大多是在職業生涯中自我修煉而成的。說是修煉，是因為沒有繫統的指導，也沒有繫統的訓練教材，甚至沒有人指出成長學習的路徑和步驟。
繫統軟件繫列叢書，為大家提供了明確的學習成長路徑和充分的學習材料，嘗試將原來刻苦的摸索和修煉，變成人人可以科學實施自學的繫列課程。我們將該課程分解成四個步驟逐級推進，這四個步驟是: 
(1) 打通C語言—可執行文件—進程映像的通路。
(2) 用觀測手段將操作繫統從黑盒變白盒。
(3) 掌握在“裸硬件”上設計和實現操作繫統核心機制的能力。
(4) 鑽研真實操作繫統代碼。《Linux GNU C程序觀察》是塊基石，將打通從C語言源程序一直到操作繫統進程映像的通路。C語言編程和進程的概念，大家都很熟悉，但是如何從C語言到進程，這兩者間的環節缺失太多。《Linux GNU C程序觀察》自稱為C語言的“下半部”基石，澄清了（1）C語言代碼如何編譯成彙編代碼； （2）彙編代碼（嚴格說是二進制機器碼）如何通過鏈接形成可執行文件，鏈接過程中符號解析和靜態/動態重定位過程，以及終的ELF文件格式； （3）ELF格式如何將可執行文件創建進程映像； （4）如何跟蹤和分析程序運行的行為。在解決了進程映像怎麼來的問題後，就可以進入下一個問題——多個進程在操作繫統中如何共存，如何被操作繫統管理。
操作繫統原型——xv6分析與實驗前言《操作繫統之編程觀察》則是第二塊基石，將原來被錯作黑盒的操作繫統，通過/proc文件繫統等手段進行觀測、測量，從而建立對操作繫統功能和行為的直觀認知。該書首先給讀者介紹了一款工具——其類似於電路課程中的萬用表和示波器。其次是將本科操作繫統課程學習過的四大管理，通過繫統編程知識逐一編寫應用程序，調用或觸發操作繫統的相關功能，並用/proc及其他內核測量/統計信息，分析多個進程在操作繫統發出各種請求時所發生的動作。例如，可觀察或定量地給出了進程空間因分配、回收和文件映射等行為引起的堆、棧的動態變化；多進程/多線程的各種資源開銷，因調度策略和優先級的差異而競爭CPU使用時間，因負載均衡而在多個CPU間遷移等；文件繫數據格式及其在文件操作過程中呈現的變化等等。此時，可以說讀者已經能將本科操作繫統課程中的概念，與操作繫統的具體行為建立起了全面的對應關繫，能獲得知識落地的感覺。
第三塊基石是《操作繫統原型——xv6分析與實驗》，為讀者提供操作繫統編碼實現的初步經驗。xv6是操作繫統實驗的典型繫統，被大家廣泛學習。如果讀者隻是想零星地體驗一下內核設計，比如看看進程管理、進程調度，會發現非常簡單，甚至馬上就能發現增強或優化的地方。但xv6本身並非隻專注於解決四大管理的上層問題，而是更專注於解決如何在“裸硬件”上支撐分頁、進程切換（映像切換和執行流切換）、中斷與繫統調用、繫統啟動等底層機制上的問題。雖然互聯網上有各位高手對不同子繫統的詳盡分析，但也是上層分析居多，底層細節偏少，而且缺少獨立詳盡的材料能將所需的知識繫統地有邏輯地呈現給讀者。因為xv6本身麻雀雖小但面面俱到，所以《操作繫統原型——xv6分析與實驗》也將源代碼的分析做到面面俱到——完整地分析了xv6的所有內容，包括C源文件、彙編S文件、Makefile，以及所需的x86處理器和核外的鍵盤、顯示器和硬盤控制器等硬件知識。特別是關於x86的地址部件和進程執行流切換過程的細節，體現了精巧的設計思路和編程技巧，屬於比較燒腦的部分。除此之外，本書還提供了初級、中級和高級三種實驗及其示例代碼，也設計了一些額外的練習題目，以供讀者練手之用。當讀者踏上第三塊基石之時，已經對操作繫統的設計和編碼實現了然於胸，大多數人也可止步於此。
《Linux技術內幕》則是本繫列的後一塊基石，也是繫列叢書中繁冗的一部。對於需要在Linux真實繫統上進行開發實踐的讀者，可以將它作為備選材料之一，畢竟Linux內核的幾部經典書籍大家都耳熟能詳。但本書有自己的特色和優勢，主要體現於開篇時給出了操作繫統的多角度視圖，拓展讀者思考分析的視角，避免陷入盲人摸像的困境。讀者借助於明確的功能模型、內存模型和時空模型這三個視角，能在閱讀源碼過程中將知識內化和自洽。其次在一些局部主題上也可能有一些優勢，例如進程切換細節、文件繫統各部件的聯繫等。
繫統軟件繫列叢書共4本，其中前三本都是獨具特色，各有建樹，是繫統軟件學習環節不可或缺的知識材料，第四本也可圈可點。本繫列叢書來源於深圳大學高性能計算所的教研實踐，基於龍芯和Open Power8的國產高性能計算機研制，以及華為昆侖小型機、華為泰山/鯤鵬服務器繫統軟件開發，由積累的本科和研究生教學操作繫統的經驗彙集而成。
在操作繫統的學習過程中，難之處在於將知識內化和自洽。操作繫統作為跨越軟件和硬件的繫統軟件，所需背景知識極為龐雜。如果不能有效地從不同來源獲取知識，並將這些知識繫統性地綜合起來，難度極大且效率極低。我們希望本繫列叢書所彙聚和組織的知識能成為讀者的攀登基石，協助讀者一起推動繫統軟件的發展進步！

深圳大學計算機與軟件學院高性能計算所繫統技術組羅秋明2021年6月