操作系统目前已成为我国“卡脖子”的关键技术之一，这对操作系统的教材建设提出了新的要求。首先，教材需要体现操作系统的核心原理与设计，帮助读者构筑系统性的认识；其次，教材需要反映国际研究前沿，帮助读者开拓新思路；*后，教材需要反映工业界实践，不可陷入纸上谈兵的陷阱。

作为操作系统教材的新尝试，本书融合了作者的教学经验与工业实践经验，以三个“面向”为导向，即面向经典基础理论与方法，面向国际前沿研究，面向*新工业界实践，深入浅出地介绍操作系统的理论、架构、设计方法与具体实现。本书将原理与实现解耦，从具体问题导出抽象概念，然后分析实现方法。全书内容以ARM架构为主，x86架构为辅；以微内核架构为主，同时兼顾宏内核与外核等架构。

除纸质版教材外，本书还配有网络章节、在线社区和课程实验。与本书配套的微内核架构教学操作系统ChCore由上海交通大学并行与分布式系统研究所设计并实现，通过ChCore相关实验，读者可在动手实践中获得第一手经验。

CONTENTS
目　　录
丛书序言
序言一
序言二
前言
第一部分　操作系统基础
第1章　操作系统概述　2
1.1　简约不简单?：从Hello World
说起　2
1.2　什么是操作系统　3
1.3　操作系统简史　5
1.3.1　GM-NAA I/O?：第一个
（批处理）操作系统　5
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　6
1.3.4　macOS/Windows?：以人
为本的人机交互　7
1.3.5　iOS/Android?：移动互联网
时代的操作系统　8
1.4　操作系统接口　10
1.5　思考题　12
参考文献　12
第2章　操作系统结构　13
2.1　操作系统的机制与策略　14
2.2　操作系统复杂性的管理方法　15
2.3　操作系统内核架构　17
2.3.1　简要结构　18
2.3.2　宏内核　18
2.3.3　微内核　20
2.3.4　外核　22
2.3.5　其他操作系统内核架构　24
2.4　操作系统框架结构　26
2.4.1　Android系统框架　26
2.4.2　ROS系统框架　28
2.5　操作系统设计?：Worse is better？　29
2.6　ChCore?：教学科研型微内核操作系统　31
2.7　思考题　32
参考文献　32
第3章　硬件环境与软件抽象　35
3.1　应用程序的硬件运行环境　35
3.1.1　程序的运行?：用指令序列
控制处理器　36
3.1.2　处理数据?：寄存器、运算和访存　38
3.1.3　条件结构?：程序分支和
条件码　43
3.1.4　函数的调用、返回与栈　46
3.1.5　函数的调用惯例　50
3.1.6　小结?：应用程序依赖的
处理器状态　52
3.2　操作系统的硬件运行环境　54
3.2.1　特权级别与系统ISA　54
3.2.2　异常机制与异常向量表　57
3.2.3　案例分析?：ChCore启动与
异常向量表初始化　60
3.2.4　用户态与内核态的切换　61
3.2.5　系统调用　64
3.2.6　系统调用的优化　66
3.3　操作系统提供的基本抽象与
接口　67
3.3.1　进程?：对处理器的抽象　69
3.3.2　案例分析?：使用POSIX
进程接口实现shell　70
3.3.3　虚拟内存?：对内存的
抽象　73
3.3.4　进程的虚拟内存布局　75
3.3.5　文件?：对存储设备的
抽象　77
3.3.6　文件?：对所有设备的
抽象　79
3.4　思考题　80
3.5　练习答案　81
参考文献　82
第4章　虚拟内存管理　83
4.1　CPU的职责?：内存地址翻译　84
4.1.1　地址翻译　84
4.1.2　分页机制　85
4.1.3　多级页表　87
4.1.4　页表项与大页　91
4.1.5　TLB?：页表的缓存　93
4.2　操作系统的职责?：管理页表映射　96
4.2.1　操作系统为自己配置页表　96
4.2.2　如何填写进程页表　97
4.2.3　何时填写进程页表?：立即映射　101
4.2.4　何时填写进程页表?：延迟映射　104
4.2.5　常见的改变虚拟内存区域的接口　108
4.2.6　虚拟内存扩展功能　109
4.3　案例分析?：ChCore虚拟内存
管理　112
4.3.1　ChCore内核页表初始化　112
4.3.2　ChCore内存管理　115
4.4　思考题　118
4.5　练习答案　119
参考文献　121
第5章　物理内存管理　122
5.1　操作系统的职责?：管理物理
内存资源　122
5.1.1　目标与评价维度　122
5.1.2　基于位图的连续物理页
分配方法　123
5.1.3　伙伴系统原理　126
5.1.4　案例分析?：ChCore中伙伴
系统的实现　127
5.1.5　SLAB分配器的基本设计　131
5.1.6　常用的空闲链表　133
5.2　操作系统如何获得更多物理内存资源　134
5.2.1　换页机制　134
5.2.2　页替换策略　137
5.2.3　页表项中的访问位与
页替换策略实现　140
5.2.4　工作集模型　141
5.2.5　利用虚拟内存抽象节约物理内存资源　142
5.3　性能导向的内存分配扩展机制　143
5.3.1　物理内存与CPU缓存　144
5.3.2　物理内存分配与CPU
缓存　146
5.3.3　多核与内存分配　147
5.3.4　CPU缓存的硬件划分　147
5.3.5　非一致内存访问
（NUMA架构）　149
5.3.6　NUMA架构与内存分配　150
5.4　思考题　151
5.5　练习答案　152
参考文献　152
第6章　进程与线程　154
6.1　进程的内部表示与管理接口　154
6.1.1　进程的内部表示—
PCB　154
6.1.2　进程创建的实现　155
6.1.3　进程退出的实现　159
6.1.4　进程等待的实现　160
6.1.5　exit与waitpid之间的信息传递　162
6.1.6　进程等待的范围与父子
进程关系　164
6.1.7　进程睡眠的实现　166
6.1.8　进程执行状态及其管理　166
6.2　案例分析?：ChCore微内核的
进程管理　169
6.2.1　进程管理器与分离式
PCB　169
6.2.2　ChCore的进程操作?：
以进程创建为例　170
6.3　案例分析?：Linux的进程创建　172
6.3.1　经典的进程创建方法?：
fork　172
6.3.2　其他进程创建方法　175
6.4　进程切换　179
6.4.1　进程的处理器上下文　180
6.4.2　进程的切换节点　180
6.4.3　进程切换的全过程　181
6.4.4　案例分析?：ChCore的
进程切换实现　182
6.5　线程及其实现　191
6.5.1　为什么需要线程　191
6.5.2　用户视角看线程　192
6.5.3　线程的实现?：内核数据
结构　194
6.5.4　线程的实现?：管理接口　195
6.5.5　线程切换　200
6.5.6　内核态线程与用户态
线程　200
6.6　纤程　202
6.6.1　对纤程的需求?：一个简单的例子　203
6.6.2　POSIX的纤程支持?：ucontext　204
6.6.3　纤程切换　206
6.7　思考题　207
6.8　练习答案　208
参考文献　209
第7章　处理器调度　210
7.1　处理器调度机制　210
7.1.1　处理器调度对象　211
7.1.2　处理器调度概览　211
7.2　处理器调度指标　214
7.3　经典调度策略　216
7.3.1　先到先得　216
7.3.2　短任务优先　218
7.3.3　短完成时间优先　219
7.3.4　时间片轮转　220
7.3.5　经典调度策略的比较　221
7.4　优先级调度策略　222
7.4.1　高响应比优先　223
7.4.2　多级队列与多级反馈
队列　223
7.4.3　优先级调度策略的比较　229
7.5　公平共享调度策略　229
7.5.1　彩票调度　231
7.5.2　步幅调度　233
7.5.3　份额与优先级的比较　235
7.6　多核处理器调度机制　236
7.6.1　运行队列　236
7.6.2　负载均衡与负载追踪　237
7.6.3　处理器亲和性　238
7.7　案例分析?：Linux调度器　239
7.7.1　O（N）调度器　240
7.7.2　O（1）调度器　241
7.7.3　完全公平调度器　242
7.7.4　Linux的细粒度负载
追踪　244
7.7.5　Linux的NUMA感知
调度　245
7.8　思考题　246
7.9　练习答案　247
参考文献　248
第8章　进程间通信　249
8.1　进程间通信基础　250
8.1.1　进程间通信接口　250
8.1.2　一个简单的进程间通信
设计　253
8.1.3　数据传递　255
8.1.4　通知机制　257
8.1.5　单向和双向　257
8.1.6　同步和异步　258
8.1.7　超时机制　259
8.1.8　通信连接　260
8.1.9　权限检查　261
8.1.10　命名服务　262
8.1.11　总结　263
8.2　文件接口IPC?：管道　264
8.2.1　Linux管道使用案例　265
8.2.2　Linux中管道进程间通信的实现　267
8.2.3　命名管道和匿名管道　269
8.3　内存接口IPC?：共享内存　270
8.3.1　共享内存　270
8.3.2　基于共享内存的进程间
通信　272
8.4　消息接口IPC?：消息队列　273
8.4.1　消息队列的结构　274
8.4.2　基本操作　274
8.5　案例分析?：L4微内核的IPC
优化　275
8.5.1　L4消息传递　275
8.5.2　L4控制流转移　277
8.5.3　L4通信连接　279
8.5.4　L4通信控制（权限
检查）　279
8.6　案例分析?：LRPC的迁移线程
模型　280
8.6.1　迁移线程模型　281
8.6.2　LRPC设计　281
8.7　案例分析?：ChCore进程间
通信机制　283
8.8　案例分析?：Binder IPC　285
8.8.1　总览　286
8.8.2　Binder IPC内核
设计　286
8.8.3　匿名共享内存　290
8.9　思考题　291
8.10　练习答案　292
参考文献　292
第9章　并发与同步　294
9.1　同步场景　295
9.1.1　一个例子?：多线程
计数器　295
9.1.2　同步的典型场景　297
9.2　同步原语　299
9.2.1　互斥锁　300
9.2.2　读写锁　302
9.2.3　条件变量　304
9.2.4　信号量　313
9.2.5　同步原语的比较　316
9.3　死锁　318
9.3.1　死锁的定义　318
9.3.2　死锁检测与恢复　320
9.3.3　死锁预防　321
9.3.4　死锁避免　322
9.3.5　哲学家问题　325
9.4　活锁　326
9.5　思考题　327
9.6　练习答案　330
参考文献　335
第10章　同步原语的实现　336
10.1　互斥锁的实现　336
10.1.1　临界区问题　336
10.1.2　硬件实现?：关闭中断　337
10.1.3　软件实现?：皮特森
算法　337
10.1.4　软硬件协同?：使用原子
操作实现互斥锁　340
10.2　条件变量的实现　345
10.3　信号量的实现　346
10.3.1　非阻塞信号量　347
10.3.2　阻塞信号量　348
10.4　读写锁的实现　352
10.4.1　偏向读者的读写锁　353
10.4.2　偏向写者的读写锁　354
10.5　案例分析?：Linux中的futex　356
10.6　案例分析?：微内核中的同步
原语　360
10.7　思考题　361
10.8　练习答案　364
参考文献　364
第11章　文件系统　366
11.1　基于inode的文件系统　367
11.1.1　一个不用inode的简单
文件系统　367
11.1.2　inode与文件　368
11.1.3　多级inode　370
11.1.4　文件名与目录　374
11.1.5　存储布局　377
11.1.6　从文件名到链接　378
11.1.7　符号链接（软链接）　381
11.2　基于表的文件系统　382
11.2.1　FAT文件系统　382
11.2.2　NTFS　386
11.3　虚拟文件系统　392
11.3.1　文件系统的内存结构　392
11.3.2　面向文件系统的接口　394
11.3.3　多文件系统的组织和
管理　398
11.3.4　伪文件系统　400
11.4　VFS与缓存　402
11.4.1　访问粒度不一致问题和
一些优化　402
11.4.2　读缓存　403
11.4.3　写缓冲区与写合并　403
11.4.4　页缓存　403
11.4.5　直接I/O和缓存I/O　404
11.4.6　内存映射　405
11.5　用户态文件系统　405
11.5.1　为什么需要用户态文件系统　406
11.5.2　FUSE　406
11.5.3　ChCore的文件系统
架构　407
11.6　思考题　410
11.7　练习答案　411
参考文献　412
第12章　文件系统崩溃一致性　414
12.1　崩溃一致性　415
12.2　同步写入与文件系统一致性
检查　417
12.2.1　同步写入　417
12.2.2　文件系统一致性检查　418
12.2.3　fsck的局限和问题　420
12.3　原子更新技术?：日志　421
12.3.1　日志机制的原理　421
12.3.2　日志的批量化与合并
优化　423
12.3.3　日志应用实例?：JBD2　423
12.3.4　讨论和小结　427
12.4　原子更新技术?：写时拷贝　427
12.4.1　写时拷贝的原理　428
12.4.2　写时拷贝在文件系统
中的应用　429
12.4.3　写时拷贝的问题与
优化　430
12.4.4　讨论和小结　430
12.5　Soft updates　431
12.5.1　Soft updates的三条
规则　432
12.5.2　依赖追踪　434
12.5.3　撤销和重做　435
12.5.4　文件系统恢复　437
12.5.5　讨论和小结　437
12.6　案例分析?：日志结构文件系统　438
12.6.1　基本概念与空间布局　438
12.6.2　数据访问与操作　439
12.6.3　基于段的空间管理　441
12.6.4　检查点和前滚　444
12.6.5　小结　446
12.7　思考题　446
参考文献　447
第13章　设备管理　449
13.1　硬件设备基础　450
13.1.1　总线互联　451
13.1.2　设备的硬件接口　452
13.1.3　几种常见的设备　452
13.2　设备发现与交互　457
13.2.1　CPU与设备的交互方式概览　458
13.2.2　设备发现　460
13.2.3　设备寄存器的访问　463
13.2.4　中断　466
13.2.5　直接内存访问　470
13.3　设备管理的共性功能　475
13.3.1　设备的文件抽象　475
13.3.2　设备的逻辑分类　477
13.3.3　设备的缓冲区管理　478
13.3.4　设备的使用接口　482
13.4　应用I/O框架　484
13.4.1　应用层I/O库　484
13.4.2　用户态I/O　486
13.5　案例分析?：Android操作系统的
硬件抽象层　488
13.6　思考题　490
13.7　练习答案　491
参考文献　491
第14章　系统虚拟化　493
14.1　系统虚拟化技术概述　494
14.1.1　系统虚拟化及其组成
部分　494
14.1.2　虚拟机监控器的类型　495
14.2　“下陷-模拟”方法　496
14.2.1　版本零?：用进程模拟
虚拟机内核态　497
14.2.2　版本一?：模拟时钟
中断　498
14.2.3　版本二?：模拟用户态与
系统调用　500
14.2.4　版本三?：虚拟机内支持
多个用户态线程　501
14.2.5　版本四?：用线程模拟
多个vCPU　502
14.2.6　小结　504
14.3　CPU虚拟化　505
14.3.1　可虚拟化架构与不可
虚拟化架构　505
14.3.2　解释执行　506
14.3.3　动态二进制翻译　507
14.3.4　扫描-翻译　508
14.3.5　半虚拟化技术　509
14.3.6　硬件虚拟化技术　509
14.3.7　小结　512
14.4　内存虚拟化　513
14.4.1　影子页表机制　514
14.4.2　直接页表映射机制　517
14.4.3　两阶段地址翻译机制　518
14.4.4　换页和气球机制　521
14.4.5　小结　523
14.5　I/O虚拟化　523
14.5.1　软件模拟方法　524
14.5.2　半虚拟化方法　526
14.5.3　设备直通方法?：IOMMU
和SR-IOV　528
14.5.4　小结　531
14.6　中断虚拟化　532
14.7　案例分析?：QEMU/KVM　534
14.7.1　KVM API和一个简单的
虚拟机监控器　534
14.7.2　KVM和QEMU　536
14.7.3　KVM内部实现简介　538
14.8　思考题　539
参考文献　540
缩略语　541
在线章节
第二部分　操作系统进阶
第15章　多核与多处理器
第16章　可扩展同步原语
第17章　多场景文件系统
第18章　存储系统
第19章　轻量级虚拟化
第20章　网络与系统
第21章　操作系统安全
第22章　操作系统调测
第23章　形式化证明
第24章　云操作系统
第三部分　ChCore课程实验
实验1：机器启动
实验2：内存管理
实验3：进程与线程、异常处理
实验4：多核、多进程、调度与IPC
实验5：文件系统与shell
实验6：设备驱动与持久化
实验7：进阶实践