操作系统原理·技术与编程

第一部分 操作系统初始化

第1章 操作系统概述

1. 1 操作系统的定义

1. 1. 1 计算机系统层次结构图

1. 1. 2 操作系统的定义

1. 2 操作系统发展过程中的设计需求分析

1. 2. 1 没有操作系统的第一代计算机

1. 2. 2 具有简单批处理操作系统的第二代计算机

1. 2. 3 简单批处理操作系统功能分析

1. 2. 4 多道程序设计的批处理操作系统

1. 2. 5 多道程序设计的分时操作系统

1. 2. 6 其他操作系统

1. 3 内核体系结构模型

1. 3. 1 大型系统软件分析方法

1. 3. 2 操作系统结构模型

1. 3. 3 UNIX内核系统结构模型

1. 4 Linux操作系统的出现

1. 5 操作系统如何运行一个用户程序

1. 5. 1 操作系统运行的全过程

1. 5. 2 客户／服务器工作流程

1. 5. 3 客户／服务器实例

1. 6 重要思想和理论

1. 6. 1 重要思想

1. 6. 2 重要理论

1. 7 小结

1. 8 练习题

1. 9 参考文献

第2章 i386硬件与软件接口技术

2. 1 微型计算机硬件组成

2. 1. 1 微型计算机基本组成

2. 1. 2 微处理器分类

2. 1. 3 微处理器结构的发展

2. 1. 4 微型计算机总线结构

2. 2 实模式软件结构

2. 2. 1 实模式下软件组织

2. 2. 2 实模式主存储器地址的产生

2. 2. 3 实模式输入／输出地址空间

2. 3 保护模式下存储器管理单元MMU

2. 3. 1 描述符寄存器

2. 3. 2 描述符

2. 3. 3 虚拟地址和虚拟地址空间

2. 3. 4 虚实地址转换

2. 3. 5 保护模式指令集

2. 4 保护模式和保护

2. 4. 1 多任务与分时系统

2. 4. 2 保护环

2. 4. 3 保护机制

2. 4. 4 保护性检查

2. 4. 5 越级访问存储器的代码段和数据段

2. 5 任务切换机制

2. 6 小结

2. 7 练习题

2. 8 参考文献

第3章 Linux系统引导过程

3. 1 BIOS启动过程

3. 1. 1 i386芯片的启动状态

3. 1. 2 BIOS加载操作系统引导程序

3. 2 引导过程

3. 2. 1 软盘引导过程

3. 2. 2 硬盘引导过程

3. 2. 3 LILD运行过程分析

3. 3 实模式下的系统初始化setup()函数

3. 3. 1 setup. S代码签名检查

3. 3. 2 设置参数

3. 3. 3 准备进入保护模式

3. 3. 4 setup. S程序流程图

3. 3. 5 执行setup. S程序后内存分配图

3. 3. 6 setup. S中全局描述符表分析

3. 4 内核解压缩过程startup_32()

3. 5 保护模式下的系统初始化startup_32()

3. 5. 1 在startup_32中完成临时页表的初始化

3. 5. 2 设置全局描述符表

3. 6 小结

3. 7 练习题

3. 8 参考文献

第4章 启动Linux内核

4. 1 初始化系统内核

4. 1. 1 初始化与体系结构相关的硬件数据结构

4. 1. 2 解析内核选项

4. 2 init()函数与init进程

4. 3 init()函数执行流程

4. 3. 1 继续初始化系统内核

4. 3. 2 系统进程的生成

4. 3. 3 init进程

4. 4 Shell命令文本的执行

4. 4. 1 执行脚本文件／etc／rc. d／re. sysinit

4. 4. 2 执行脚本文件／etc／rc. d／roN. d目录中的各个命令

4. 4. 3 各终端进程的生成

4. 5 小结

4. 6 练习题

4. 7 参考文献

第二部分 并发控制原理及其实现

第5章 程序和进程

5. 1 并发控制

5. 1. 1 多道程序设计与分时共享

5. 1. 2 并发控制的硬件支持

5. 2 进程的定义和特征

5. 2. 1 程序与进程

5. 2. 2 从并发机制理解进程

5. 2. 3 进程的特征

5. 3 线程

5. 3. 1 多线程

5. 3. 2 内核线程和用户线程

5. 4 操作系统控制进程的基本方法

5. 5 内核中进程的实现

5. 5. 1 进程控制块PCB

5. 5. 2 进程状态

5. 5. 3 Linux进程控制块

5. 5. 4 Linux系统0号进程的控制块

5. 5. 5 Linux进程状态

5. 6 进程的组织

5. 6. 1 进程链表和运行队列链表

5. 6. 2 pidhash链表

5. 6. 3 如何寻址当前进程的PCB

5. 7 内核创建新进程

5. 8 Linux fork的编程实现

5. 8. 1 内核函数do_fork

5. 8. 2 调用fork()的编程实例

5. 8. 3 内核怎样运行一个新程序

5. 9 Linux exec的编程实现

5. 9. 1 运行新程序的do_execve()

5. 9. 2 二进制处理程序load_binary()完成的工作

5. 9. 3 使用fork__exec组合的编程实例

5. 10 从程序到进程

5. 10. 1 文件系统中可执行文件的一般格式

5. 10. 2 shell进程执行用户程序的过程

5. 11 进程的终止

5. 12 编程实例--Linux守护进程的编程方法

5. 12. 1 进程组. 会话和控制终端

5. 12. 2 Linux守护进程编程细则

5. 12. 3 Linux守护进程实例

5. 13 小结

5. 14 练习题

5. 15 参考文献

第6章 互斥与同步

6. 1 并发进程控制的基本原理

6. 1. 1 竞争条件

6. 1. 2 同步与互斥

6. 1. 3 对互斥操作的要求

6. 2 竞争条件产生的原因

6. 2. 1 原子操作

6. 2. 2 原子操作的实例

6. 3 基于共享变量的同步操作

6. 3. 1 忙等待

6. 3. 2 锁变量

6. 3. 3 TestAndSet与Swap指令

6. 4 信号量

6. 5 内核使用的P. V操作实例

6. 5. 1 DOWN操作

6. 5. 2 UP操作

6. 5. 3 同步slab高速缓存的信号量

6. 5. 4 同步内存描述符的信号量

6. 5. 5 同步索引节点的信号量

6. 6 内核采用的其他同步技术

6. 6. 1 内核是不可强占的

6. 6. 2 关中断

6. 7 等待对列及其操作

6. 8 小结

6. 9 练习题

6. 10 参考文献

第7章 死锁与饥饿

7. 1 死锁分析

7. 1. 1 可剥夺资源与不可剥夺资源

7. 1. 2 死锁定义

7. 1. 3 死锁的条件

7. 1. 4 资源分配模型图

7. 2 死锁预防

7. 3 死锁避免

7. 3. 1 系统资源分配的表示方法

7. 3. 2 系统拒绝启动进程

7. 3. 3 系统拒绝分配资源

7. 4 死锁检测和恢复

7. 4. 1 死锁检测算法

7. 4. 2 死锁检测的时机

7. 4. 3 从死锁中恢复

7. 5 最简单的死锁策略

7. 6 饥饿

7. 7 小结

7. 8 练习题

7. 9 参考文献

第8章 进程调度

8. 1 进程调度的基本原理

8. 1. 1 调度程序的设计目标

8. 1. 2 选择合适的调度策略

8. 1. 3 时间测度指标

8. 2 非强占方式调度算法

8. 2. 1 先来先服务

8. 2. 2 最短作业优先

8. 2. 3 优先级调度

8. 3 强占式调度算法

8. 3. 1 轮转法

8. 3. 2 多级队列

8. 3. 3 反馈调度算法

8. 4 Linux进程调度的实现

8. 4. 1 在PCB中与调度有关的数据成员

8. 4. 2 Linux调度策略

8. 4. 3 Linux调度函数schedule()

8. 4. 4 Linux调度机制

8. 5 调度程序的编程实例

8. 6 小结

8. 7 练习题

8. 8 参考文献

第9章 中断技术

9. 1 基于IBM PC机的中断接口电路

9. 1. 1 Intel 80386芯片的中断接口

9. 1. 2 使用82C59芯片连结外围设备的中断接口电路

9. 2 中断和异常

9. 2. 1 异常

9. 2. 2 中断和异常的优先级

9. 3 中断向量表和中断描述符表

9. 3. 1 中断和异常向量

9. 3. 2 中断门和陷阱门的区别

9. 4 Linux中断系统的初始化过程

9. 4. 1 第一次初始化中断描述符表

9. 4. 2 第二次初始化中断描述符表

9. 5 异常处理

9. 5. 1 异常处理过程

9. 5. 2 异常处理程序

9. 5. 3 内核管理硬件资源的两种异常

9. 6 中断处理

9. 6. 1 硬件设备使用的中断向量

9. 6. 2 中断处理使用的数据结构

9. 6. 3 中断系统初始化函数init_IRQ

9. 6. 4 中断处理程序的执行过程

9. 6. 5 保存断点现场

9. 6. 6 执行所有的中断服务例程

9. 6. 7 内核模式的设备驱动程序

9. 7 下半部分

9. 7. 1 Linux对下半部分的组织

9. 7. 2 执行do_bottom_half()函数

9. 7. 3 调度do_bottom_half()函数运行的时机

9. 8 动态安装和释放中断处理程序

9. 9 从中断和异常返回

9. 10 一个中断处理实例

9. 10. 1 定时器中断的上半部

9. 10. 2 定时器中断的下半部

9. 10. 3 预定义的任务队列

9. 11 小结

9. 12 练习题

9. 13 参考文献

第10章 系统调用接口

10. 1 标准C函数库和系统调用

10. 2 模式转换的硬件处理

10. 2. 1 陷阱门处理的模式转换

10. 2. 2 调用门处理的模式转换

10. 3 系统调用接口

10. 3. 1 内核对系统调用的初始化

10. 3. 2 系统调用的执行流程

10. 3. 3 封装例程

10. 3. 4 系统调用号与系统调用表

10. 3. 5 system_call的执行过程

10. 4 lcall7的执行过程

10. 5 内核中添加新系统调用的实例

10. 6 小结

10. 7 练习题

10. 8 参考文献

第三部分 OS资源管理及其实现

第11章 存储器管理及Linux实现

11. 1 存储器功能需求分析

11. 1. 1 重定位

11. 1. 2 保护

11. 1. 3 共享

11. 2 存储器的组织方式

11. 2. 1 逻辑组织

11. 2. 2 物理组织

11. 3 内存管理

11. 3. 1 固定分区

11. 3. 2 动态分区

11. 4 位图

11. 5 伙伴系统

11. 6 重定位技术

11. 6. 1 存储器管理使用的地址类型

11. 6. 2 固定分区使用的重定位技术

11. 6. 3 分页使用的重定位技术

11. 6. 4 分段使用的重定位技术

11. 7 虚拟存储器管理技术

11. 7. 1 局部性原理

11. 7. 2 虚拟存储器管理软件

11. 7. 3 交换区

11. 8 通用存储器管理模型

11. 9 Linux在i386中的分段和分页

11. 9. 1 Linux使用的分段

11. 9. 2 Linux使用的分页

11. 9. 3 Linux在i386平台上定义的页表项格式

11. 10 Linux内存管理

11. 10. 1 描述内存页框的page数据结构

11. 10. 2 基于buddy算法的内存页框管理

11. 11 基于slab算法的内存区管理

11. 11. 1 slab分配器的组成

11. 11. 2 slab分配器与页框级分配器的接口和实现

11. 11. 3 连续内存区的分配和释放函数

11. 12 非连续内存区的分配和释放

11. 12. 1 描述非连续内存区的数据结构

11. 12. 2 分配和释放非连续内存区的函数

11. 13 进程的地址空间

11. 13. 1 struct mm_struct和struct vm_area_struct结构

11. 13. 2 进程地址空间的存取权限

11. 13. 3 对线性区进行处理的底层函数

11. 13. 4 进程线性地址空间的映射do_mmap()

11. 13. 5 释放进程线性地址空间do_munmap()

11. 14 页面失效处理

11. 14. 1 缺页异常处理程序do_page_fault()

11. 14. 2 请求调页

11. 14. 3 写时拷贝

11. 14. 4 调用sys_brk动态增长内存

11. 15 交换

11. 15. 1 描述交换空间的数据结构

11. 15. 2 页面替换策略

11. 16 页换出操作

11. 16. 1 页交换守护进程kswapd

11. 16. 2 kswapd()的执行流程

11. 16. 3 页换人do_swap_page()

11. 16. 4 页换出

11. 17 对交换区数据结构进行操作的函数

11. 18 小结

11. 19 练习题

11. 20 参考文献

第12章 文件管理及Linux实现

12. 1 磁盘的物理组织与调度

12. 1. 1 磁盘结构

12. 1. 2 磁盘的逻辑组织

12. 1. 3 磁盘性能参数

12. 1. 4 磁盘调度算法

12. 1. 5 磁盘纠错

12. 2 文件管理需求分析

12. 2. 1 文件管理的设计目标

12. 2. 2 文件管理系统结构模型

12. 3 文件

12. 3. 1 文件结构

12. 3. 2 文件类型和存取方式

12. 3. 3 文件属性

12. 4 目录

12. 4. 1 目录结构

12. 4. 2 路径名

12. 4. 3 目录操作

12. 5 文件系统的组织

12. 5. 1 文件组织

12. 5. 2 目录表表项的格式

12. 5. 3 共享文件

12. 5. 4 磁盘空间管理

12. 5. 5 文件系统的一致性

12. 6 文件系统的保护机制

12. 7 虚拟文件系统VFS

12. 7. 1 虚拟文件系统的设计思路

12. 7. 2 虚拟文件系统VFS框架

12. 8 Linux虚拟文件系统的数据结构

12. 8. 1 VFS超级块数据结构

12. 8. 2 VFS的目录项数据结构

12. 8. 3 VFS的inode节点数据结构

12. 8. 4 VFS中数据结构之间的关系

12. 9 对虚拟文件系统的管理

12. 9. 1 文件系统注册链表

12. 9. 2 文件系统安装注册链表

12. 9. 3 根文件系统的安装

12. 10 对文件系统模块的安装和卸载

12. 10. 1 安装一个文件系统sys_mount()

12. 10. 2 卸载一个文件系统sys_umount()

12. 11 进程与文件系统的联系

12. 11. 1 文件对象

12. 11. 2 用户打开文件表

12. 11. 3 根目录和当前工作目录

12. 12 文件加锁

12. 13 磁盘数据的内存高速缓冲区

12. 13. 1 缓冲区高速缓存的数据结构

12. 13. 2 buffer cache的组织

12. 13. 3 对buffer cache的基本操作

12. 13. 4 把脏缓冲区写入磁盘

12. 14 EXT2文件系统

12. 14. 1 EXT2对物理磁盘的组织

12. 14. 2 EXT2减少碎片的方案

12. 14. 3 EXT2对磁盘块的分配原则

12. 15 EXT2磁盘重要数据结构

12. 15. 1 EXT2的目录项数据结构

12. 15. 2 EXT2的磁盘i节点结构

12. 15. 3 EXT2磁盘上的超级块

12. 15. 4 EXT2的组描述符

12. 15. 5 EXT2的块位图和索引节点位图

12. 15. 6 EXT2存放文件的数据块

12. 16 EXT2的内核组织'

12. 16. 1 EXT2的内存超级块

12. 16. 2 EXT2的内存i节点

12. 16. 3 磁盘i节点读入高速缓存的过程

12. 17 如何通过路径名找到索引节点

12. 18 EXT3文件系统

12. 18. 1 关于日志式文件系统

12. 18. 2 EXT2文件系统的不足

12. 18. 3 日志文件系统的工作原理

12. 18. 4 EXT3日志文件系统的具体实现

12. 18. 5 EXT3文件系统的额外开销

12. 19 小结

12. 20 练习题

12. 21 参考文献

第13章 I／O设备管理与设备驱动程序

13. 1 I/O系统的基本组成

13. 1. 1 I／O设备的分类

13. 1. 2 内核对设备的分类

13. 1. 3 I/O接口功能

13. 1. 4 CPU与I/O设备交互的控制方式

13. 2 I／O系统管理软件的设计原理

13. 3 用户程序

13. 4 逻辑I／O管理

13. 4. 1 设备命名方法

13. 4. 2 访问设备的权限和设备保护

13. 4. 3 为设备分配和释放缓冲区

13. 5 设备驱动程序和中断控制层

13. 6 设备驱动程序的组织实例

13. 6. 1 设备驱动程序的工作原理

13. 6. 2 逻辑I／O与设备驱动程序接口

13. 6. 3 系统调用与驱动程序接口

13. 6. 4 安装中断处理程序

13. 7 设备驱动程序模块

13. 7. 1 静态链接的设备驱动程序模块

13. 7. 2 可动态加载和卸载的设备驱动程序模块

13. 7. 3 用户空间的设备驱动程序

13. 8 了解系统基本配置

13. 8. 1 I/O端口

13. 8. 2 内核中驱动程序清单

13. 8. 3 内核的中断报告显示

13. 9 设备驱动程序中使用的内核函数

13. 9. 1 操作I/O端口的函数

13. 9. 2 分配和释放内存的函数

13. 9. 3 访问设备卡上内存的函数

13. 9. 4 同步和计时要使用的内核函数

13. 9. 5 中断管理内核函数

13. 9. 6 注册和注销设备的内核函数

13. 9. 7 其他内核函数

13. 10 编制设备驱动程序的基本方法

13. 10. 1 设备驱动程序与内核

13. 10. 2 驱动程序与硬件

13. 10. 3 驱动程序与引导

13. u 内核级设备驱动程序编程实例

13. 11. 1 编程用到的硬件

13. 11. 2 上半部与下半部各自的功能

13. 11. 3 内核驱动程序的上半部编程

13. 11. 4 内核驱动程序的下半部编程

13. 11. 5 模块的安装与卸载

13. 11. 6 访问设备驱动程序的用户程序

13. 11. 7 编译设备驱动程序

13. 11. 8 使用内核设备驱动程序模块

13. 12 小结

13. 13 练习题

13. 14 参考文献

第四部分 IPC和网络编程接口

第14章 最早的IPC方法：信号与管道

14. 1 进程间通信的设计目标

14. 2 信号机制

14. 2. 1 什么是信号

14. 2. 2 信号的产生与处理

14. 3 发送信号

14. 3. 1 信号操作用到的数据结构

14. 3. 2 数据结构sigset_t上的一组简单操作函数

14. 3. 3 传送信号

14. 4 接收信号

14. 4. 1 分析do_signal()函数

14. 4. 2 忽略信号

14. 4. 3 执行一个默认操作

14. 4. 4 捕获一个信号

14. 4. 5 执行信号处理程序

14. 4. 6 终止信号处理程序

14. 4. 7 被中断的系统调用获得重新执行

14. 5 捕获一个信号的编程实例

14. 6 管道

14. 6. 1 struct pipe_inode_info数据结构

14. 6. 2 do-pipe()--创建一个管道

14. 6. 3 读管道

14. 6. 4 写管道

14. 6. 5 撤销管道

14. 7 无名管道的编程实例

14. 8 有名管道FIFO

14. 8. 1 创建一个FIFO

14. 8. 2 打开FIFO

14. 8. 3 读写FIFO

14. 9 编写有名管道的实用程序

14. 10 小结

14. 11 练习题

14. 12 参考文献

第15章 System V进程间通信

15. 1 与IPC相关的系统调用

15. 1. 1 创建IPC资源的系统调用

15. 1. 2 控制IPC资源的系统调用

15. 1. 3 操作IPC资源的系统调用

15. 1. 4 IPC系统调用在i386体系结构中的实现

15. 2 IPC资源中的公共元素及属性

15. 3 IPC信号量

15. 3. 1 与信号量操作相关的数据结构

15. 3. 2 sys_semop()函数的功能

15. 3. 3 sys_Semctl()函数的功能

15. 4 IPC信号量的编程示例

15. 5 信号量小结

15. 6 IPC消息队列

15. 6. 1 与消息队列操作相关的数据结构

15. 6. 2 发送一个消息

15. 6. 3 接收消息和释放消息队列

15. 7 IPC消息队列的编程示例

15. 8 消息队列小结

15. 9 共享内存

15. 9. 1 IPC共享内存的数据结构

15. 9. 2 连接IPC共享内存

15. 9. 3 IPC共享内存请求调页的过程

15. 9. 4 剥离和释放IPC共享内存段

15. 10 IPC共享内存编程示例

15. 11 小结

15. 12 练习题

15. 13 参考文献

第16章 Linux网络接口及内核实现

16. 1 Linux网络系统分层结构

16. 1. 1 OSI模型和网际协议族

16. 1. 2 Linux网络协议族分层结构

16. 2 TCP和UDP

16. 2. 1 传输控制协议--TCP

16. 2. 2 用户数据报协议--UDP

16. 3 内核中与发送／接收相关的数据结构

16. 3. 1 套接口地址结构

16. 3. 2 数据包结构

16. 3. 3 建立网络连接的数据结构

16. 3. 4 协议操作函数使用的数据结构

16. 4 网络连接的建立和关闭

16. 4. 1 网络连接的建立

16. 4. 2 关闭网络连接

16. 5 发送数据

16. 5. 1 发送数据的系统调用接口

16. 5. 2 从INET协议层到IP层

16. 5. 3 IP层到硬件层的数据发送过程

16. 5. 4 硬件层的数据发送过程

16. 6 接收数据

16. 6. 1 接收数据的系统调用接口

16. 6. 2 硬件层接收数据分析

16. 6. 3 从IP层接收数据

16. 6. 4 从INET层接收数据

16. 7 小结

16. 8 练习题

16. 9 参考文献

第17章 TCP套接口编程的基本方法

17. 1 套接口函数

17. 1. 1 socket()函数

17. 1. 2 其他套接口函数

17. 2 连接的建立和终止过程

17. 2. 1 建立TCP连接的过程

17. 2. 2 终止TCP连接的过程

17. 3 编制TCP客户程序

17. 3. 1 TCP客户程序设计方法

17. 3. 2 TCP客户程序的实现

17. 4 编制TCP服务器程序

17. 4. 1 一个简单TCP服务器的编程方法

17. 4. 2 一个简单TCP服务器的实现

17. 4. 3 TCP并发服务器的实现

17. 5 小结

17. 6 练习题

17. 7 参考文献

第18章 UDP套接口编程的基本方法

18. i UDP程序使用的套接口函数

18. 2 发送UDP数据报的编程实例

18. 3 接收UDP数据报的编程实例

18. 4 小结

18. 5 练习题

18. 6 参考文献

附录 Linux源代码目录结构与内容