操作系统：原理与实现

　　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。

　　陈海波　上海交通大学特聘教授、博导，并行与分布式系统研究所所长，领域操作系统工程研究中心主任，国家杰出青年基金获得者，IEEE Fellow，ACM杰出科学家。主要研究领域为操作系统、分布式系统与系统安全。研究成果通过产学研深度结合被应用到十亿级设备，产生了广泛的学术与产业影响。曾获陈嘉庚青年科学奖、技术发明一等奖、全国优秀博士学位论文奖、中国青年科技奖等。目前担任OpenHarmony技术指导委员会创始主席、CCF系统软件专委会副主任、ACM旗舰杂志Communications of the ACM首位中国学者编委与领域共同主席。研究工作还获得了华为卓越贡献个人奖，ASPLOS、EuroSys、VEE等*佳论文奖以及DSN“时间检验奖”。按照csrankings.org的统计，其近5年（2018～2022）在操作系统领域高水平会议（SOSP/OSDI、EuroSys、USENIX ATC和FAST）上发表的论文数居世界第一。 夏虞斌　上海交通大学教授、博导，青年长江学者，上海市优秀学术带头人，上海交通大学卓越教学奖获得者，《麻省理工科技评论》2022年中国隐私计算科技创新人物。主要研究领域为操作系统、体系结构和系统安全，多次担任OSDI、EuroSys等操作系统领域会议的程序委员会委员。曾获技术发明一等奖、CCF NASAC青年软件创新奖、VEE*佳论文奖、DSN“时间检验奖”。领导团队研发的安全操作系统T6获得“挑战杯”全国特等奖、“互联网 ”双创大赛全国银奖，并已实现产业化，实际部署设备数量过亿；基于RISC-V平台研发的可信执行环境软硬件系统“蓬莱”现已开源。目前担任OpenHarmony-上海交通大学技术俱乐部主任、OpenHarmony机密计算技术委员会委员。

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