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操作系統原型——xv6分析與實驗 ( 簡體 字) |
| 作者：羅秋明 | 類別：1. -> 作業系統 -> 綜合 |
| 譯者： |
| 出版社：清華大學出版社 |  3dWoo書號： 54971
詢問書籍請說出此書號！【缺書】
NT售價： 495 元 |
| 出版日：7/1/2021 |
| 頁數：560 |
| 光碟數：0 |
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站長推薦：   |
| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
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| ISBN：9787302579984 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：操作系統一詞的內涵比較豐富。當我們聽說某人是操作系統高手時，可能指這個人是操作系統“系統管理”高手。也就是說，這個人可以快速架設Web服務，能把崩潰的文件系統修復，能設置復雜的網絡繞過防火墻又不失安全，等等；又或者這個人是一個“系統編程”高手，能夠編寫復雜而高效的服務器程序，將多進程/多線程并發、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系統的各種內核模塊、還精通編寫各種硬件的設備驅動程序。
無論上述哪種高手，都離不開對操作系統基本原理的認知，如果對操作系統的核心機制和編碼實現有所認知，都將如虎添翼。操作系統的基本原理和算法層面的知識，我們在大學本科操作系統課程已經掌握得很好了，但對于操作系統的核心機制——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，是因為沒有系統的指導，也沒有系統的訓練教材，甚至沒有人指出成長學習的路徑和步驟。
系統軟件系列叢書，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系列課程。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) 用觀測手段將操作系統從黑盒變白盒。
(3) 掌握在“裸硬件”上設計和實現操作系統核心機制的能力。
(4) 鉆研真實操作系統代碼。《Linux GNU C程序觀察》是第一塊基石，將打通從C語言源程序一直到操作系統進程映像的通路。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匯編代碼； （2）匯編代碼（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，以及最終的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么來的問題后，就可以進入下一個問題——多個進程在操作系統中如何共存，如何被操作系統管理。
操作系統原型——xv6分析與實驗前言《操作系統之編程觀察》則是第二塊基石，將原來被錯作黑盒的操作系統，通過/proc文件系統等手段進行觀測、測量，從而建立對操作系統功能和行為的直觀認知。該書首先給讀者介紹了一款必備工具——其類似于電路課程中的萬用表和示波器。其次是將本科操作系統課程學習過的四大管理，通過系統編程知識逐一編寫應用程序，調用或觸發操作系統的相關功能，并用/proc及其他內核測量/統計信息，分析多個進程在操作系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；文件系統上的元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系統課程中的概念，與操作系統的具體行為建立起了全面的對應關系，能獲得知識落地的感覺。
第三塊基石是《操作系統原型——xv6分析與實驗》，為讀者提供操作系統編碼實現的初步經驗。xv6是操作系統實驗的典型系統，被大家廣泛學習。如果讀者只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本身并非只專注于解決四大管理的上層問題，而是更專注于解決如何在“裸硬件”上支撐分頁、進程切換（映像切換和執行流切換）、中斷與系統調用、系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系統的詳盡分析，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系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《操作系統原型——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、匯編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。特別是關于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，屬于比較燒腦的部分。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，已經對操作系統的設計和編碼實現了然于胸，大多數人也可止步于此。
《Linux技術內幕》則是本系列的最后一塊基石，也是系列叢書中最繁冗的一部。對于需要在Linux真實系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，主要體現于開篇時給出了操作系統的多角度視圖，拓展讀者思考分析的視角，避免陷入盲人摸象的困境。讀者借助于明確的功能模型、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、文件系統各部件的聯系等。
系統軟件系列叢書共4本，其中前三本都是獨具特色，各有建樹，是系統軟件學習環節不可或缺的知識材料，第四本也可圈可點。本系列叢書來源于深圳大學高性能計算所的教研實踐，基于龍芯和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/鯤鵬服務器系統軟件開發，由積累的本科和研究生教學操作系統的經驗匯集而成。
在操作系統的學習過程中，最難之處在于將知識內化和自洽。操作系統作為跨越軟件和硬件的系統軟件，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，并將這些知識系統性地綜合起來，難度極大且效率極低。我們希望本系列叢書所匯聚和組織的知識能成為讀者的攀登基石，協助讀者一起推動系統軟件的發展進步！
深圳大學計算機與軟件學院高性能計算所系統技術組羅秋明2021年6月 |
內容簡介：本書作為系統軟件系列叢書的第四本，與已出版的《Linux GNU C程序觀察》《操作系統之編程觀察》《Linux技術內幕》共同組成系統軟件學習的遞進學習材料。
本書共12章，全面分析了xv6的實現并提供了豐富的實驗及其示例代碼。在分析方面不僅包含了幾乎完整的C代碼解讀，還包括編譯、鏈接和程序裝入細節，并給出了QEMU仿真、GDB調試和底層系統硬件架構相關的必要知識。實驗方面安排了入門、中級和高級三個層次的內容: 入門實驗指導讀者自行增加一個系統調用并通過應用程序驗證其功能，開啟修改操作系統第一步；中級實驗全面體驗了調度機制和算法，以及進程間通信中的信號量、共享內存和消息隊列的實現，還有內存管理中的離散內存管理和代碼數據隔離實驗；高級實驗綜合多方面的知識，實現線程機制、文件功能擴展、虛擬內存實驗以及多終端實驗。
本書可作為計算機相關專業本科高年級學生和研究生的操作系統實驗課程教學用書，也可作為相關專業人員深入了解操作系統的實踐用書。 |
目錄：第1章xv6安裝使用1
1.1運行于QEMU的xv61
1.1.1CentOS7+QEMU+xv61
1.1.2Ubuntu18+QEMU+xv62
1.2調試觀察4
1.2.1xv6shell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新增系統調用18
2.2.1系統調用示例19
2.2.2添加系統調用20
2.2.3驗證新系統調用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文件系統57
3.3.4設備59
3.4本章小結59
練習59
操作系統原型——xv6分析與實驗目錄
第4章系統啟動60
4.1全局性信息60
4.1.1xv6系統常數（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拟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拟R）126
5.3內核空間126
5.3.1內核頁表（K拟I）127
5.3.2內核頁表切換（K拟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拟I）150
5.4.2分配與回收（U拟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第一個用戶進程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/系統調用232
7.1中斷及其處理233
7.1.1中斷整體描述233
7.2系統調用245
7.2.1系統調用框架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信號量操作的系統調用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()系統調用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文件系統333
9.1.1xv6fs概述334
9.2文件系統操作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系統調用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系統調用470
11.1.3線程庫的實現474
11.1.4測試樣例476
11.2文件系統實驗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用戶拟終端實驗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
12.2x86MMU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/系統調用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 |
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