《操作系统设计:Xinu方法》(美)科默pdf电子书图书酷

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内容简介

本书对操作系统的内存管理、进程管理、进程协调和同步、进程间通信、实时时钟管理、设备无关的I/O、设备驱动、网络协议、文件系统等进行了详细的介绍，并利用分层的设计范式，以一种有序、易于理解的方式来阐述这些内容。本书以Xinu操作系统为系统设计的样板和模式，从一个裸机开始，一步一步地设计和实现一个小型但优雅的操作系统。本书的样本代码可以运行在Linksys E2100L无线路由器上。本书适用于高年级的本科生或低年级的研究生，也适用于那些想了解操作系统的计算机从业人员。学习本书前，学生需要具备基本的程序设计能力，应当理解基本的数据结构，包括链表、栈和队列，并且应当用C语言写过程序。
前　言
Operating System Design：The Xinu Approach，Linksys Version

建造计算机操作系统有点像编织锦缎。这两种工作的最终成品都是一个和谐一致、大型、复杂的人造系统。在每一种情况下，最后的人造成品都是由细微但却精巧的步骤所构造。在编织锦缎时，细节是至关重要的，因为一点点不协调的瑕疵都很容易观察到。就像锦缎里的缎面一样，加入到操作系统里的每个新组件都需要与整体的设计相协调。从这个角度看，将不同片段组装起来的机械加工只是整个建造过程中的一小部分，一个大师级的产品必须以某个模式为蓝本，所有参与系统设计的工作人员都必须遵守这种模式。
有讽刺意味的是，现有的操作系统教材或课程很少对底层的模式和原理进行解释，而这些模式和原理正是操作系统构造的基础。在学生看来：操作系统似乎是一个暗箱，而现有的教材则加强了这种误解，因为这些教材所解释的不过是操作系统的功能，其关注的也只是操作系统各种能力的使用。更为重要的是，学生在学习操作系统时采取的是从操作系统外面来察看的方式，从而常常导致这样一种感觉：认为操作系统由一组抽象的界面所组成，这些界面下的功能由一大堆晦涩神秘的代码连接在一起，而这些神秘的代码本身还包含着许多与机器硬件直接相关的、无规律可寻的奇技巧术。
令人惊奇的是，学生一旦从大学毕业，就马上觉得与操作系统有关的工作已经结束，自己不再需要理解或学习操作系统，因为由商业公司和开源社区所构造的现有操作系统足以应付各种需要，没有自己什么事情了。但没有什么比这种想法离真理更远了。有讽刺意味的是，尽管为个人计算机设计传统操作系统的公司数量比以前更少了，但社会和行业对操作系统技能的需求却在增长，许多公司雇佣大学生来从事操作系统方面的工作。社会上这些对操作系统技能的需求来源于更便宜的微处理器，这些便宜的微处理器嵌入在智能手机、视频游戏、iPod、Internet路由器、线缆和机顶盒以及打印机中。
在与嵌入式系统打交道时，有关原理和结构的知识非常关键，因为程序员可能需要在现有的操作系统内部构造某种或某个新的机制，或者对现有操作系统进行修改以便可以在新的硬件平台上运行。而且，为嵌入式设备编写应用程序时需要理解下层的操作系统。如果不理解操作系统设计的各种细微之处，则不可能充分利用这些小型嵌入式处理器的能力。
本书的目的是揭开操作系统设计中的神秘感，将方方面面的材料整合为一个系统化的整体。本书对操作系统的主要系统组件进行了详细阐述，并以一种层次架构的设计范式来组织这些组件，从而以一种有序、可理解的方式来展开这些内容。与其他评述性书籍不同的是，本书并不尽可能多地提供不同方案，呈现给读者的将是一个基于传统过程的、使用实际的、直截了当的原语所构造的操作系统。本书从一个裸机开始，一步一步地设计和实现一个小型但优雅的操作系统。这个称为Xinu的操作系统将成为系统设计的样板和模式。
虽然Xinu操作系统的规模较小，可以完全容纳在本书中，但该系统却包括了构成一个普通操作系统的全部组件：内存管理、进程管理、进程协调和同步、进程间通信、实时时钟管理、设备独立的输入输出、设备驱动、网络协议和一个文件系统。本书将这些组件组织成一个层次架构，使它们之间的相互连接清晰可见、设计过程浅显易懂。尽管规模小，但Xinu却拥有大型系统的能力。此外，Xinu并不是一个玩具系统，它在很多商业产品中得到了应用。使用该系统的厂商包括Mitsubishi、Lexmark、HP、IBM、Woodward（woodward.com）、Barnard Software和Mantissa公司。学生通过本书可以学到的重要一课是：不管是小型嵌入式系统还是大型系统，好的系统设计都一样重要，一个系统的大部分能力都来自于良好的抽象。
本书所覆盖的所有议题都以一种特定的次序排列，这种次序就是设计人员在构建操作系统时所遵守的工作次序。本书每一章描述设计架构里的一个组件，并提供示例软件来演示由该层架构所提供的功能。使用这种方式具有如下几种优点：第一，每一章所解释的操作系统的功能子集均比上一章所讨论的功能子集更大，这种安排使我们在考虑一层特定架构的设计和实现时不用关心后续层面的实现。第二，每一章的细节描述在第一次阅读时可以跳过去，读者只需要理解该层所提供的服务即可，而不是这些服务是如何实现的。第三，如果按次序阅读本书，读者可以先理解一个功能，然后在后面看到该功能是如何被后续部分所使用的。第四，有智力挑战的议题（如对并发的支持）出现在书的较前面，高层次的操作系统服务则出现在后面。在本书中，读者将看到大部分核心的功能仅仅只用几行代码就可以完成，这样我们就可以将大部分的代码（网络和文件系统）放到书的较后面，在读者已经做出了充分的思想准备后再进行讲解。
如前所述，与其他关于操作系统的许多书不一样的是，本书并不试图对每个系统组件的每种实现方案进行评估，也不对现有的商业系统进行综述。而是选择对一组使用最广泛的操作系统原语的实现细节进行阐述。例如，在讨论进程协调的一章，我们解释的是信号量（使用最广泛的进程协调原语）原语，而对其他原语（如监视器）的讨论则放到练习里。我们的目的是展示如何将原语在传统的硬件上实现，消除神秘。学生一旦理解了一组特定原语的魔力，其他原语的实现也就容易掌握了。
本书的示例代码可以运行在Linksys E2100L无线路由器上，该无线路由器在零售商店里就可以买到。只不过，我们并不是将Linksys硬件作为一个无线路由器来使用。我们的做法是，打开Linksys设备，将一根串行线连接到其控制端口，使用该串行线来中断Linksys正常的启动过程，并通过输入命令来迫使Linksys硬件下载和运行一个Xinu操作系统副本。也就是说，我们基本上忽略供应商所提供的软件，而是对其底层的硬件进行控制来运行Xinu。
本书适用于高年级的本科生或者研究生，也适用于那些想了解操作系统的计算机从业人员。在本书所提供的全部材料里，虽然没有任何议题的难度达到不能理解的程度，但学习本书的全部内容可能需要超过一学期的时间。本科生里很少有学生能够熟练地阅读串行程序，而理解运行时环境的细节或机器架构的学生就更少了。因此，必须对学生进行仔细引导，以便使其可以掌握进程管理和进程同步的知识。如果时间有限，我推荐覆盖的内容包括第1章～第7章（进程管理）、第9章（基本的内存管理）、第12章（中断处理）、第13章（时钟管理）、第14章（设备无关的I/O）和第19章（文件系统）。此外，对于一个完整学期的本科生课程来说，讨论第20章的远程文件系统等基本的远程访问议题也很重要。对于研究生课程来说，学生应当完整地阅读整本书，课堂讨论则应该专注于一些微妙的细节、各种折中和不同实现方案的比较。不管是本科生课程还是研究生课程，都应该包括的两个议题是：1）在初始化阶段，当一个运行中的程序转化为一个进程时所发生的各种改变；2）当输入行里的字符序列作为一个字符串变量传递给命令进程时，在操作系统壳里所发生的转化。
在所有情况下，如果学生能够在实验室中对系统进行动手实验，则学习的效果将大幅提高。理想的状态下，学生可以在课程的最初几天或几个星期开始使用这个系统，然后再试图理解系统的内部结构。本书第1章提供了几个例子和一些能够引起学生兴趣的实验（令人吃惊的是，很多学生在学习过操作系统课程后，却没有写过一个并发程序或使用过操作系统功能）。
如果要在一个学期内覆盖本书的大部分内容，则要求极快的进度，而这在本科生课程里难以达到。此时，选择略去哪些内容将很大程度上取决于选修本课程的学生的背景。在系统课程里，我们需要课堂讲解时间来帮助学生理解动机和细节。如果学生修过的“数据结构”课程里对内存管理和表处理进行过讨论，则本书第4章和第9章的内容可以略过。如果学生在将来会选修网络方面的课程，则第17章的网络协议内容也可以跳过。此外，本书包括一章远程磁盘系统和一章远程文件系统，这两章的内容存在一些相似之处，可以略过一章。相对来说，远程磁盘系统一章的内容可能更加贴切，因为该章引入了磁盘块缓存的议题，而该议题对于许多操作系统来说都非常重要。
在研究生课程里，课堂时间可以用来讨论动机、原理、折中、不同原语集和不同的实现方案比较。学生在本课程学习结束后，应当对进程模型、中断和进程之间的关系有一个深刻的理解，同时也将具备理解、创建和修改系统组件的能力。学生应当在大脑中建立起了整个系统的完整概念模型，并且知道所有的组件之间是如何交互协作的。
我推荐在各个层面上设计程序设计实验。本书的许多练习都推荐对代码进行修改或者测量，或者尝试不同的实现方案。相关的软件可在下面的网站上免费下载，该网站上还列有如何创建一个Linksys实验平台的指令：www.xinu.cs.purdue.edu。
因为Linksys的硬件非常便宜，所以构建一个实验的成本很低。此外，我们也有用于其他硬件平台的软件版本，这些版本包括x86和ARM的一个功能有限的版本。
本书中的许多练习都建议进行改进、实验和不同实现，但是也可以设计大型实验项目。可以用于不同硬件平台的大型实验例子包括：虚拟内存系统、不同计算机之间指令执行的同步机制、虚拟网络的设计等。例如，普度大学的一些学生就将Xinu操作系统移植到了各种处理器上，或者为各种I/O设备编写了设备驱动程序。
学习本书前，学生需要具备基本的程序设计能力。学生应当理解基本的数据结构，这些基本结构包括链表、栈和队列，并且应当用C语言写过程序。
最后，我鼓励设计人员尽可能使用高级程序设计语言，仅在必要的情况下才使用汇编语言。根据这种原则，Xinu操作系统的大部分都是用C语言编写的。少数一些与机器相关的功能，如上下文切换和中断分配器的最底层功能，则是用汇编语言写成的。所有的汇编语言代码都附有解释和注释，使读者无需学习汇编语言的细节就可以理解这些代码。此外，我们还提供用于其他平台的Xinu版本，这样就可以对在各种平台上实现Xinu操作系统的成本进行比较。例如，我们可以对在MIPS处理器上实现Xinu所需要的代码量和在其他处理器架构（如x86）上实现Xinu所需要的代码量进行比较。
本书的成书要归功于我过去在商业操作系统上所获得的各种经验，这些经验有好也有坏。虽然Xinu操作系统与现有的操作系统在内部机制上并不相同，但其基本的思想却并不新颖。另外，虽然Xinu系统里的许多概念和名称都来自于UNIX系统，但读者应当注意，这两个系统里的许多

作者简介

Douglas Comer　美国普度大学计算机系杰出教授，国际公认的计算机网络、TCP/IP协议、Internet和操作系统设计方面的专家。Comer出版了多部优秀的教材和专著，被翻译成16种语言，并广泛用于世界各地的工业界和学术界。Comer教授划时代的三卷巨著《Internetworking with TCP/IP》对网络和网络教育产生了革命性的影响。Comer博士是ACM院士、普度教育学院院士。