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篇操作繫統基本原理
第 1 章緒論 ……………………………………2
1.1操作繫統的定義 …………………………2
1.2操作繫統的功能 …………………………4
1.2.1處理器管理 ………………………4
1.2.2存儲器管理 ………………………5
1.2.3設備管理 …………………………6
1.2.4文件管理 …………………………7
1.2.5用戶接口 …………………………8
1.3操作繫統的發展歷史 …………………10
1.3.1無操作繫統階段 ………………11
1.3.2監督程序階段 …………………13
1.3.3多道程序繫統 …………………14
1.3.4快速發展階段 …………………15
1.4Linux繫統簡介 ………………………19
1.4.1Linux發展歷史 ………………19
1.4.2Linux內核版本 ………………22
1.4.3Linux內核構架 ………………22
1.4.4Linux內核開發的特點 ………24
1.4.5Linux內核中GNU C和
標準C的區別 …………………25
1.4.6Linux內核中常用的數據結構
和算法 …………………………29
小結 …………………………………………36
習題 …………………………………………37
第 2 章操作繫統的結構 ……………………38
2.1操作繫統接口 …………………………39
2.1.1命令接口基本概念 ……………39
2.1.2Linux的命令接口 ……………39
2.2繫統調用 ………………………………41
2.2.1繫統調用的基本原理 …………41
2.2.2繫統調用與API的關繫 ………43
2.2.3繫統調用的工作過程 …………43
2.3操作繫統結構 …………………………44
2.3.1整體式結構 ……………………44
2.3.2層次式結構 ……………………44
2.3.3微內核 …………………………45
2.3.4模塊化結構 ……………………46
2.4虛擬機 …………………………………47
2.4.1虛擬機的實現原理 ……………47
2.4.2虛擬機的主要實例 ……………49
2.5Linux 繫統調用 ………………………50
2.5.1Linux繫統調用的原理 ………50
2.5.2Linux上的繫統調用實現過程 …51
2.5.3繫統調用的實例分析 …………53
2.5.4一個簡單的繫統調用的實現 …54
2.6Linux模塊的實現機制及其管理 ……55
小結 …………………………………………57
習題 …………………………………………57
第 3 章進程與線程 …………………………58
3.1進程基礎 ………………………………58
3.1.1程序的順序執行和並發執行 …58
3.1.2進程的定義與特征 ……………59
3.1.3進程的狀態及其轉換 …………61
3.2進程控制 ………………………………63
3.2.1進程的執行模式 ………………63
3.2.2進程切換 ………………………63
3.2.3進程的創建與終止 ……………64
3.3線程 ……………………………………68
3.3.1線程的引入 ……………………68
3.3.2線程與進程的比較 ……………69
3.3.3用戶級線程與內核級線程 ……70
3.3.4線程庫 …………………………71
3.4進程與線程比較舉例 …………………75
3.5與進程或線程相關的其他技術 ………77
3.5.1寫時復制 ………………………77
3.5.2線程池 …………………………79
3.5.3進程間的遠程通信 ……………79
3.6Linux繫統中的進程與線程 …………86
3.6.1Linux進程簡介 ………………86
3.6.2進程狀態及轉換 ………………86
3.6.3Linux進程控制 ………………89
3.6.4Linux中的線程 ………………93
小結  …………………………………………97
習題 …………………………………………98
第 4 章進程同步 ……………………………99
4.1進程的互斥 ……………………………99
4.1.1臨界資源和臨界區 ……………99
4.1.2使用硬件實現互斥 ……………101
4.1.3信號量實現互斥 ………………103
4.2進程的同步 ……………………………106
4.2.1信號量與同步 …………………106
4.2.2生產者/消費者問題 …………108
4.2.3讀者/寫者問題 ………………109
4.2.4信號量機制的其他應用 ………110
4.3進程之間的通信 ………………………113
4.3.1共享內存方式 …………………113
4.3.2管道通信 ………………………114
4.3.3消息傳遞通信 …………………116
4.4管程 ……………………………………119
4.4.1管程的概念 ……………………119
4.4.2使用管程解決生產者-消費
者問題 …………………………122
4.5Linux內核同步機制 …………………123
4.5.1原子操作 ………………………124
4.5.2per-CPU變量 …………………125
4.5.3自旋鎖 …………………………125
4.5.4讀寫自旋鎖 ……………………127
4.5.5信號量 …………………………128
4.5.6互斥體 …………………………130
4.5.7順序鎖 …………………………130
4.5.8內存屏障 ………………………132
小結 …………………………………………133
習題 …………………………………………135
第 5 章死鎖 …………………………………137
5.1死鎖的原理 ……………………………137
5.1.1資源分配圖 ……………………137
5.1.2死鎖的條件 ……………………138
5.2死鎖的處理方法 ………………………139
5.2.1死鎖的預防 ……………………139
5.2.2死鎖的避免 ……………………141
5.2.3死鎖的檢測 ……………………145
5.3死鎖的解除 ……………………………146
5.4經典死鎖問題——哲學家進餐問題 …147
5.5Linux操作繫統中的死鎖解決方案 …149
5.5.1D狀態死鎖 ……………………149
5.5.2R狀態死鎖 ……………………150
小結 …………………………………………151
習題 …………………………………………152
第 6 章處理器調度 …………………………154
6.1處理器調度算法的目標 ………………154
6.2分級調度 ………………………………155
6.2.1長程調度 ………………………155
6.2.2中程調度 ………………………155
6.2.3短程調度 ………………………156
6.3常用的調度算法 ………………………156
6.3.1先來先服務調度算法 …………156
6.3.2優先級調度算法 ………………157
6.3.3短作業優先調度算法 ………158
6.3.4響應比優先調度算法 ……160
6.3.5輪轉調度算法 …………………161
6.3.6多級反饋輪轉調度算法 ………162
6.3.7實時繫統的調度算法 …………162
6.4多處理器調度 …………………………165
6.4.1多處理器調度原理 ……………165
6.4.2處理器親和性 …………………166
6.4.3負載均衡 ………………………166
6.5Linux繫統的進程調度 ………………167
6.5.1Linux調度器的簡史 …………167
6.5.2Linux進程調度的優先級表示 …168
6.5.3Linux內核調度策略 …………169
6.5.4CFS調度算法 …………………171
6.5.5實時調度策略 …………………173
小結 …………………………………………173
習題 …………………………………………174
第 7 章內存管理 ……………………………177
7.1內存相關基本概念 ……………………177
7.1.1什麼是內存 ……………………177
7.1.2指令運行的原理 ………………177
7.1.3地址重定位 ……………………178
7.1.4程序鏈接 ………………………179
7.2內存的覆蓋與交換 ……………………180
7.2.1內存覆蓋 ………………………180
7.2.2內存交換 ………………………181
7.3內存空間連續分配方案 ………………182
7.3.1單一連續分配 …………………182
7.3.2固定分區分配 …………………182
7.3.3動態分區分配 …………………184
7.4分頁存儲管理 …………………………187
7.4.1分頁存儲管理的基本思想 ……187
7.4.2地址變換機構 …………………189
7.4.3兩級或多級頁表 ………………191
7.4.4頁的共享 ………………………192
7.5段式存儲管理 …………………………193
7.5.1段式存儲管理的基本思想 ……193
7.5.2段式存儲管理的地址轉換 ……193
7.5.3段的共享 ………………………194
7.6段頁式存儲管理 ………………………196
7.7存儲保護的實現 ………………………197
7.8虛擬存儲技術 …………………………198
7.8.1請求分頁存儲管理 ……………199
7.8.2頁面置換算法 …………………201
7.8.3頁面緩衝算法 …………………205
7.8.4頁幀分配算法 …………………205
7.8.5頁幀分配策略 …………………206
7.9Linux繫統內存管理 …………………208
7.9.1Linux進程地址空間 …………208
7.9.2物理內存管理 …………………210
7.9.3Linux內核高端內存 …………213
7.9.4進程用戶空間管理 ……………215
小結 …………………………………………227
習題 …………………………………………228
第 8 章文件繫統 ……………………………230
8.1文件和文件繫統 ………………………230
8.1.1文件 ……………………………230
8.1.2文件繫統層次結構 ……………231
8.2文件的邏輯結構 ………………………233
8.2.1堆結構文件 ……………………233
8.2.2順序結構文件 …………………234
8.2.3散列結構文件 …………………234
8.2.4文件的讀寫方式 ………………236
8.3文件的物理結構與組織 ………………238
8.3.1磁盤的成組與分解  …………238
8.3.2連續文件 ………………………239
8.3.3鏈接文件 ………………………240
8.3.4索引文件 ………………………241
8.4目錄管理 ………………………………243
8.4.1文件控制塊 ……………………243
8.4.2文件目錄 ………………………243
8.4.3目錄結構 ………………………244
8.5空閑空間的管理 ………………………246
8.5.1 位示圖 ………………………246
8.5.2空閑塊列表 ……………………247
8.5.3空閑鏈表法 ……………………247
8.6文件的存取控制 ………………………249
8.6.1文件共享 ………………………249
8.6.2文件保護 ………………………251
8.7文件繫統的其他功能 …………………253
8.7.1文件繫統調用的實現 …………253
8.7.2虛擬文件繫統 …………………255
8.8Linux文件繫統 ………………………255
8.8.1Linux支持的常見文件繫統 …256
8.8.2 VFS中的數據結構 …………256
8.8.3文件繫統相關的數據結構 ……265
8.8.4和進程相關的數據結構 ………267
小結 …………………………………………269
習題 …………………………………………270
第 9 章I/O繫統 ………………………………271
9.1I/O繫統概述 …………………………271
9.2I/O設備與控制器 ……………………272
9.2.1I/O設備的分類 ………………272
9.2.2設備控制器的結構 ……………273
9.2.3設備控制器的I/O端口 ………273
9.2.4設備控制器的基本功能 ………274
9.3設備數據傳輸控制方法 ………………275
9.3.1輪詢方式 ………………………275
9.3.2中斷控制方式 …………………276
9.3.3DMA方式 ……………………277
9.3.4通道方式 ………………………278
9.4緩衝技術 ………………………………279
9.4.1緩衝區的引入 …………………279
9.4.2緩衝區的分類 …………………280
9.4.3緩衝技術的種類 ………………281
9.4.4虛擬設備的實現 ………………283
9.5設備的分配 ……………………………284
9.5.1設備分配的原則 ………………284
9.5.2設備分配相關的技術 …………285
9.5.3設備分配相關的數據結構 ……286
9.6I/O相關軟件 …………………………287
9.6.1I/O軟件的基本概念 …………287
9.6.2中斷服務程序 …………………288
9.6.3設備驅動程序 …………………290
9.6.4設備獨立性軟件 ………………290
9.6.5用戶層I/O軟件 ………………291
9.7Linux繫統I/O相關技術 ……………291
9.7.1Linux繫統設備及驅動
程序簡介  ……………………291
9.7.2Linux繫統支持的I/O數據
傳輸方式 ………………………295
9.7.3I/O 相關重要數據結構 ………296
9.7.4Linux繫統中斷處理機制  ……300
小結 …………………………………………307
習題 …………………………………………308
第 10 章大容量存儲器 ………………………309
10.1大容量存儲器簡介 …………………309
10.1.1硬盤 …………………………309
10.1.2光盤 …………………………311
10.1.3磁帶 …………………………312
10.2磁盤基礎知識 ………………………313
10.2.1磁盤結構 ……………………313
10.2.2磁盤工作原理 ………………314
10.2.3磁盤讀寫原理 ………………315
10.3磁盤調度 ……………………………316
10.3.1FCFS調度算法 ………………317
10.3.2SSTF調度算法 ………………317
10.3.3SCAN調度算法 ……………318
10.3.4C-SCAN 調度算法 …………319
10.3.5LOOK 調度算法 ……………320
10.3.6磁盤調度算法的選擇 ………320
10.4磁盤初始化 …………………………321
10.5初始引導 ……………………………321
10.5.1引導相關概念 ………………321
10.5.2初始引導過程 ………………323
10.6網絡存儲技術 ………………………325
10.6.1直接連接存儲 ………………325
10.6.2網絡附加存儲 ………………326
10.6.3存儲區域網絡 ………………327
10.6.4新的網絡存儲技術IP-SAN …327
10.6.5雲存儲 ………………………328
10.7Linux磁盤調度算法 …………………329
10.7.1NOOP調度算法 ……………329
10.7.2CFQ調度算法 ………………330
10.7.3DEADLINE調度算法 ………330
10.7.4ANTICIPATORY調度算法 …331
小結 …………………………………………331
習題 …………………………………………332
第11章繫統安全 ……………………………334
11.1繫統安全的定義 ……………………334
11.1.1安全需求 ……………………334
11.1.2安全層次 ……………………336
11.1.3安全問題 ……………………337
11.2繫統威脅的分類 ……………………339
11.2.1繫統漏洞 ……………………339
11.2.2惡意代碼 ……………………340
11.2.3端口掃描威脅 ………………343
11.3繫統安全防御 ………………………343
11.3.1密碼術 ………………………343
11.3.2用戶驗證 ……………………347
11.3.3安全策略 ……………………348
11.3.4入侵檢測 ……………………349
11.3.5病毒防護 ……………………351
11.3.6審計、會計和日志 …………351
11.3.7防火牆 ………………………352
11.4Linux安全基礎 ………………………354
11.4.1Linux 安全模塊 ………………354
11.4.2Linux權限繫統 ………………355
小結 …………………………………………358
習題 …………………………………………358
第二篇國產操作繫統實例
第12章EulerOS 操作繫統 …………………360
12.1EulerOS繫統概述 …………………360
12.1.1EulerOS繫統的特點 …………360
12.1.2繫統架構 ……………………362
12.1.3典型應用場景 ………………362
12.2EulerOS繫統的相關術語 …………364
12.2.1虛擬機和容器 ………………364
12.2.2STaaS解決方案 ……………365
12.3EulerOS繫統的架構支持 …………366
12.4EulerOS繫統的主要軟件支持 ……368
12.4.1虛擬化平臺 …………………368
12.4.2數據庫服務 …………………369
12.4.3分布式服務 …………………370
12.4.4其他軟件 ……………………370
12.5EulerOS繫統功能特性 ……………371
12.5.1繫統管理 ……………………371
12.5.2網絡 …………………………374
12.5.3內存管理 ……………………375
12.5.4處理器調度 …………………375
12.5.5調測運維 ……………………376
12.5.6性能/開關說明 ………………377
12.6容器的介紹 …………………………378
12.6.1 iSula自研容器 ………………378
12.6.2容器存儲Elara ………………379
12.6.3雲核IVS場景 ………………381
12.7安全的管理 …………………………382
附錄A EulerOS繫統部分接口 ……………384
附錄BLinux常用命令 ………………………385
附錄C操作繫統實驗指導書 …………………386
參考文獻…………………………………………388