深入理解計算機操作系統（簡體書）

本書以提升讀者的系統能力為目標，構建以工程案例為主線的層層遞進的學習路徑，通過“文件整理”“矩陣乘法”等實際問題，逐步引入進程、線程、虛擬內存、I/O等操作系統概念，以及cache、指令流水等底層細節，並通過編程實踐、觀察測量等方法將抽象的知識具象展示出來，再融入調試工具、版本管理、數據分析等系統開發常用的工程技術手段的介紹，使讀者深入理解操作系統，並充分利用操作系統的特點，優化系統性能。本書適合作為高校計算機類相關專業操作系統課程的教材或實踐教材，也適合對操作系統感興趣的讀者和技術人員閱讀。

目 錄
叢書序
前言
第一部分　基礎知識
第1章　緒論　2
1.1　對操作系統的感性認知　2
1.2　常見的操作系統　2
1.2.1　Windows　3
1.2.2　macOS　5
1.2.3　Linux及其衍生系統　10
1.2.4　HarmonyOS　16
1.3　操作系統的發展歷史　16
1.3.1　批處理系統　16
1.3.2　多道程序、分時複用和進程　17
1.3.3　現代個人計算機　17
1.4　操作系統為用戶提供的交互方式　17
1.4.1　圖形用戶界面　18
1.4.2　命令行終端　22
1.4.3　系統API　24
1.5　操作系統支持的典型開發模式　25
1.5.1　shell編程　25
1.5.2　Python編程　26
1.5.3　C語言編程　27
1.5.4　程序性能優化　28
1.6　操作系統的代價　30
第二部分　基礎實驗
第2章　批量文件重命名　34
2.1　shell是什麼　34
2.2　進入shell的方式　35
2.3　shell的原理　35
2.4　shell命令的功能　36
2.5　利用shell進行編程　37
2.5.1　shell的輸入/輸出　37
2.5.2　變量　38
2.5.3　在shell中進行文件重命名　39
2.5.4　循環與通配符　40
2.6　shell腳本　41
2.6.1　執行shell腳本　42
2.6.2　調試shell腳本　44
2.7　操作系統的運行權限管理　45
2.8　任務實現　46
2.9　shell編程擴展　46
第3章　正則表達式與文本內容過濾　47
3.1　shell編程中的字符串　48
3.1.1　字符串的聲明　48
3.1.2　計算字符串的長度　49
3.1.3　字符串的拼接　50
3.1.4　字符串的截取　50
3.2　正則表達式　51
3.2.1　普通字符　52
3.2.2　特殊字符　52
3.2.3　限定符　52
3.2.4　運算符優先級　53
3.3　shell中的文件操作　54
3.4　文本處理任務的實現　57
3.5　Linux中的定時任務　58
3.5.1　何謂定時任務　58
3.5.2　實現定時任務的工具　58
3.5.3　Cron的原理　59
3.5.4　Cron的使用　59
3.6　Linux中的服務管理　62
3.7　延伸閱讀　62
3.7.1　獨立服務的管理　63
3.7.2　基於xinetd服務的管理　63
3.7.3　源碼包服務的管理　63
第4章　單個大規模文件的處理　64
4.1　文件讀寫相關的系統調用　67
4.1.1　read的原理分析　67
4.1.2　write的原理分析　68
4.1.3　任務實現　68
4.1.4　延伸閱讀：GDB、makef?ile的用法　69
4.1.5　使用讀寫接口產生的內存
消耗　74
4.2　內存映射相關的系統調用　74
4.2.1　mmap的原理　75
4.2.2　缺頁異常的處理過程　77
4.2.3　利用user page fault handler/
eBPF的觀測分析　78
4.2.4　任務實現　84
4.2.5　延伸閱讀：中斷事件過程
分析　84
4.3　虛擬內存的管理機制　85
4.3.1　內存資源的觀測　86
4.3.2　內存的分配與回收方法　86
第5章　多進程與多線程　89
5.1　Linux的進程管理　89
5.1.1　Linux的進程模型　89
5.1.2　阻塞式系統調用　90
5.2　多進程協作的編程模式　91
5.2.1　進程管理的系統調用　91
5.2.2　進程間通信協作的方式　95
5.2.3　任務實現　97
5.2.4　共享內存的管理　99
5.2.5　多進程的資源消耗　100
5.3　多線程協作的編程模式　101
5.3.1　線程　101
5.3.2　多核心任務調度　102
5.4　線程的編程接口　102
5.4.1　pthread線程庫的線程API　103
5.4.2　線程同步的API　104
5.4.3　任務實現　107
5.5　多進程和多線程的對比　109
5.6　延伸閱讀：線程的軟硬件發展　110
5.6.1　硬件支持的上下文　110
5.6.2　硬件支持的原子指令　111
5.6.3　快速系統調用　111
第6章　多機協作處理　113
6.1　網絡編程　113
6.1.1　socket()函數　114
6.1.2　bind()和connect()函數　116
6.1.3　listen()和accept()函數　117
6.1.4　send()函數　118
6.1.5　recv()函數　119
6.2　基礎任務實現　119
6.2.1　初始化套接字　120
6.2.2　建立連接　121
6.2.3　傳輸數據　122
6.2.4　調用命令　122
6.3　多機協作的任務實現　122
6.3.1　實現細節　122
6.3.2　分布式通信協議　124
6.3.3　協議的實現　124
6.4　異常處理　126
6.4.1　操作系統的異常處理
機制　127
6.4.2　C++中的異常處理機制　128
6.5　延伸閱讀：MapReduce的設計
理念　131
6.6　分布式系統與單一系統　132
第三部分　進階實驗
第7章　Python矩陣乘法　136
7.1　矩陣乘法的Python實現　136
7.1.1　神經網絡中的矩陣乘法　136
7.1.2　Python實現　138
7.2　計時方法：函數調用　142
7.3　性能分析　142
7.4　Python的解釋執行機制　144
第8章　C矩陣乘法　147
8.1　矩陣乘法的C語言實現　147
8.1.1　編譯執行機制　147
8.1.2　編譯器的工作流程　148
8.1.3　編譯器的代碼優化　149
8.2　編譯器中的優化選項　156
8.3　性能分析　157
第9章　面向cache的優化　160
9.1　基礎知識　160
9.1.1　存儲體系結構　160
9.1.2　cache的工作原理　161
9.1.3　行主序與列主序　164
9.2　面向cache優化矩陣乘法　164
9.2.1　交換循環順序　165
9.2.2　分塊矩陣乘法　168
9.3　性能分析　170
9.3.1　高精度計時方法　170
9.3.2　perf工具　171
9.3.3　評價指標　173
9.3.4　性能對比結果　174
9.4　延伸閱讀：進一步提升cache
利用率的方法　176
第10章　多線程優化　179
10.1　多線程的矩陣乘法實現　179
10.1.1　矩陣分塊方法　180
10.1.2　多線程實現矩陣乘法　180
10.2　並行化程序的設計思路　182
10.2.1　需求分析與算法確定　183
10.2.2　工作分解　183
10.2.3　選擇編程模型　183
10.2.4　性能檢查及優化　184
10.3　性能分析　185
10.3.1　選擇工作負載　185
10.3.2　加速比的計算　185
10.3.3　算術平均和幾何平均　186
10.4　並行化程序的優化　187
10.4.1　優化方案：調整線程數量　187
10.4.2　優化方案：改變矩陣劃分
方法　189
10.4.3　看似正確的優化方案　194
10.4.4　鎖的實現　195
10.5　延伸閱讀　196
10.5.1　緩存一致性協議　196
10.5.2　多線程編程—OpenMP　196
10.5.3　benchmark的制定　200
第11章　面向硬件加速器的優化　203
11.1　SIMD指令的原理　203
11.2　任務實現：基於SIMD指令的
矩陣乘法　207
11.3　延伸閱讀：面向SIMD的編譯優化和智能優化　212
11.4　加速器的工作原理（以GPU
為例）　213
11.5　任務實現：基於OpenCL的矩陣
乘法　217
11.6　性能分析　229
11.7　數據分段分析　233
11.8　延伸閱讀：設備間數據一致性
維護與CXL協議　235