现代操作系统（原书第4版）
内容简介
Andrew S. Tanenbaum教授编写的教材《现代操作系统》现在已经是第4版了。第4版在保持原有特色的基础上，又增添了许多新的内容，反映了当代操作系统的发展与动向，并不断地与时俱进。
对比第3版，第4版有很多变化。一些是教材中多处可见的细微变化，一些是就某一功能或机制增加了对最新技术的介绍，如增加了futex同步原语、读–复制–更新（Read-Copy-Update）机制以及6级RAID的内容。另外一些则是重大变化，例如：用Windows 8替换了Vista的内容；用相当大的篇幅介绍了移动终端应用最广泛、发展最快的Android，以替换原来Symbian的内容；增加了新的一章，介绍目前最流行的虚拟化和云技术，其中还包括典型案例VMware。很多章节在内容安排上也有较大的改动，例如：第8章对多处理机系统的内容进行了大幅更新；第9章对安全的内容进行了大量修改和重新组织，增加了对缺陷代码、恶意软件进行探查和防御的新内容，对于空指针引用和缓冲区溢出等攻击行为提出了更详细的应对方法，并从攻击路径入手，详细论述了包含金丝雀（canary）保护、不执行（NX）位以及地址空间随机化在内的防御机制。最后的参考文献也进行了更新，收录了本书第3版推出后发表的新论文。大部分章节最后的相关研究部分都完全重写了，以反映最新的操作系统研究成果。
本教材还增添了一名合著者—来自阿姆斯特丹自由大学的 Herbert Bos教授，他是一名全方位的系统专家，尤其擅长安全和UNIX方面。
Tanenbaum教授的教材还有一个特点，就是丰富的、引发思考的习题。所有章节后面都附有大量的习题，完成这些习题很不容易，需要花费很长时间，在深入理解操作系统精髓的基础上才能作答。这些习题很灵活，并且与实际系统相结合，既考核对基本概念、工作原理的理解，又考核实际动手能力。
Tanenbaum教授的教材是需要细细阅读的，字里行间体现了他对设计与实现操作系统的各种技术的深入思考。正因为Tanenbaum教授自己设计开发了一个小型、真实的操作系统MINIX，所以通过他在教材中的讲述，读者可以了解实现操作系统时应该考虑哪些问题、注重哪些细节。
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作者简介
Andrew S. Tanenbaum拥有麻省理工学院的理学学士学位和加州大学伯克利分校的博士学位，如今他是阿姆斯特丹自由大学计算机科学学院的教授。他曾经是计算与图像高级学院的院长，这是一个跨大学的研究生院，主要研究高级并行、分布式以及图像系统。他同时也是荷兰皇家艺术与科学院的教授，这使得他没有变成一个刻板的人。他还赢得过享有盛名的欧洲研究理事会卓越贡献奖。
过去一段时间，他的主要研究方向是编译器、操作系统、网络以及分布式系统。现在他的主要研究方向是安全可靠的操作系统。他在这个研究方向已经发表了超过175篇经常被引用的期刊和会议论文。Tanenbaum教授还撰写或参与撰写了5本教材，并被翻译成20种语言，其中包括巴斯克语和泰语。这些教材被全球的大学使用，总计有163个版本（语言和版本加起来）。
Tanenbaum教授还编写了大量的软件，特别是MINIX，这是一个小型的UNIX。其灵感直接源于Linux以及Linux最初开发的平台。如今的MINIX版本是MINIX 3，专注于成为一个非常可靠和安全的操作系统。只有当任何用户都不会遭遇操作系统崩溃的情况时，Tanenbaum教授才认为他完成了自己的工作。MINIX 3是一个欢迎所有人来完善的开放源代码项目，请访问www.minix3.org下载MINIX 3的免费版本，并试着运行它。x86和ARM版本都可用。
Tanenbaum教授的博士生在毕业后都有很好的前途，对于这一点教授本人非常自豪。在这方面，他如同一只爱孩子的母鸡。
Tanenbaum教授是ACM会士、IEEE会士，也是荷兰皇家艺术与科学院院士。他荣获了相当多的ACM、IEEE和USENIX奖项。如果你对此感到好奇，可以去他的Wikipedia主页查看。他还有两个荣誉博士学位。
Herbert Bos在特温特大学获得硕士学位，在剑桥大学计算机实验室获得博士学位。此后，他为Linux等操作系统的可信I/O架构做了大量工作，同时也基于MINIX 3研究系统。他现在是阿姆斯特丹自由大学计算机科学学院系统与网络安全系的教授，主要研究方向是系统安全。他与学生一起以新颖的方式检测并阻止攻击，分析并对恶意软件进行反向工程，还共同拆卸过僵尸网络（横跨几百万台计算机的恶意网络基础设施）。2011年，他因在反向工程领域的研究获得了ERC奖。他的三个学生因所写的与系统相关的论文被评为欧洲最佳博士论文而获得了Roger Needham奖。
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目录
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出版者的话
译者序
前言
作者简介
第1章 引论 1
1.1 什么是操作系统 2
1.1.1 作为扩展机器的操作系统 2
1.1.2 作为资源管理者的操作系统 3
1.2 操作系统的历史 4
1.2.1 第一代（1945～1955）：真空管和穿孔卡片 4
1.2.2 第二代（1955～1965）：晶体管和批处理系统 4
1.2.3 第三代（1965～1980）：集成电路和多道程序设计 6
1.2.4 第四代（1980年至今）：个人计算机 8
1.2.5 第五代（1990年至今）：移动计算机 10
1.3 计算机硬件简介 11
1.3.1 处理器 12
1.3.2 存储器 14
1.3.3 磁盘 15
1.3.4 I/O设备 16
1.3.5 总线 18
1.3.6 启动计算机 19
1.4 操作系统大观园 20
1.4.1 大型机操作系统 20
1.4.2 服务器操作系统 20
1.4.3 多处理器操作系统 20
1.4.4 个人计算机操作系统 20
1.4.5 掌上计算机操作系统 21
1.4.6 嵌入式操作系统 21
1.4.7 传感器节点操作系统 21
1.4.8 实时操作系统 21
1.4.9 智能卡操作系统 21
1.5 操作系统概念 22
1.5.1 进程 22
1.5.2 地址空间 23
1.5.3 文件 23
1.5.4 输入/输出 25
1.5.5 保护 25
1.5.6 shell 25
1.5.7 个体重复系统发育 26
1.6 系统调用 28
1.6.1 用于进程管理的系统调用 31
1.6.2 用于文件管理的系统调用 32
1.6.3 用于目录管理的系统调用 32
1.6.4 各种系统调用 34
1.6.5 Windows Win32 API 34
1.7 操作系统结构 35
1.7.1 单体系统 36
1.7.2 层次式系统 36
1.7.3 微内核 37
1.7.4 客户端–服务器模式 38
1.7.5 虚拟机 39
1.7.6 外核 41
1.8 依靠C的世界 41
1.8.1 C语言 41
1.8.2 头文件 41
1.8.3 大型编程项目 43
1.8.4 运行模型 43
1.9 有关操作系统的研究 44
1.10 本书其他部分概要 45
1.11 公制单位 45
1.12 小结 46
习题 46
第2章 进程与线程 48
2.1 进程 48
2.1.1 进程模型 48
2.1.2 进程的创建 49
2.1.3 进程的终止 51
2.1.4 进程的层次结构 51
2.1.5 进程的状态 51
2.1.6 进程的实现 53
2.1.7 多道程序设计模型 54
2.2 线程 54
2.2.1 线程的使用 54
2.2.2 经典的线程模型 57
2.2.3 POSIX线程 60
2.2.4 在用户空间中实现线程 60
2.2.5 在内核中实现线程 63
2.2.6 混合实现 63
2.2.7 调度程序激活机制 64
2.2.8 弹出式线程 64
2.2.9 使单线程代码多线程化 65
2.3 进程间通信 67
2.3.1 竞争条件 67
2.3.2 临界区 68
2.3.3 忙等待的互斥 68
2.3.4 睡眠与唤醒 71
2.3.5 信号量 73
2.3.6 互斥量 74
2.3.7 管程 78
2.3.8 消息传递 81
2.3.9 屏障 82
2.3.10 避免锁：读–复制–更新 83
2.4 调度 84
2.4.1 调度简介 84
2.4.2 批处理系统中的调度 88
2.4.3 交互式系统中的调度 89
2.4.4 实时系统中的调度 92
2.4.5 策略和机制 93
2.4.6 线程调度 93
2.5 经典的IPC问题 94
2.5.1 哲学家就餐问题 94
2.5.2 读者–写者问题 96
2.6 有关进程与线程的研究 97
2.7 小结 97
习题 98
第3章 内存管理 102
3.1 无存储器抽象 102
3.2 一种存储器抽象：地址空间 104
3.2.1 地址空间的概念 104
3.2.2 交换技术 106
3.2.3 空闲内存管理 107
3.3 虚拟内存 109
3.3.1 分页 110
3.3.2 页表 112
3.3.3 加速分页过程 112
3.3.4 针对大内存的页表 114
3.4 页面置换算法 117
3.4.1 最优页面置换算法 117
3.4.2 最近未使用页面置换算法 118
3.4.3 先进先出页面置换算法 118
3.4.4 第二次机会页面置换算法 118
3.4.5 时钟页面置换算法 119
3.4.6 最近最少使用页面置换算法 119
3.4.7 用软件模拟LRU 120
3.4.8 工作集页面置换算法 121
3.4.9 工作集时钟页面置换算法 123
3.4.10 页面置换算法小结 124
3.5 分页系统中的设计问题 124
3.5.1 局部分配策略与全局分配策略 124
3.5.2 负载控制 126
3.5.3 页面大小 126
3.5.4 分离的指令空间和数据空间 127
3.5.5 共享页面 128
3.5.6 共享库 128
3.5.7 内存映射文件 130
3.5.8 清除策略 130
3.5.9 虚拟内存接口 130
3.6 有关实现的问题 131
3.6.1 与分页有关的工作 131
3.6.2 缺页中断处理 131
3.6.3 指令备份 132
3.6.4 锁定内存中的页面 132
3.6.5 后备存储 133
3.6.6 策略和机制的分离 134
3.7 分段 134
3.7.1 纯分段的实现 136
3.7.2 分段和分页结合：MULTICS 136
3.7.3 分段和分页结合：Intel x86 138
3.8 有关内存管理的研究 141
3.9 小结 141
习题 142
第4章 文件系统 147
4.1 文件 148
4.1.1 文件命名 148
4.1.2 文件结构 149
4.1.3 文件类型 149
4.1.4 文件访问 151
4.1.5 文件属性 151
4.1.6 文件操作 152
4.1.7 使用文件系统调用的一个示例程序 152
4.2 目录 154
4.2.1 一级目录系统 154
4.2.2 层次目录系统 154
4.2.3 路径名 154
4.2.4 目录操作 156
4.3 文件系统的实现 157
4.3.1 文件系统布局 157
4.3.2 文件的实现 157
4.3.3 目录的实现 160
4.3.4 共享文件 162
4.3.5 日志结构文件系统 163
4.3.6 日志文件系统 164
4.3.7 虚拟文件系统 165
4.4 文件系统管理和优化 167
4.4.1 磁盘空间管理 167
4.4.2 文件系统备份 171
4.4.3 文件系统的一致性 174
4.4.4 文件系统性能 176
4.4.5 磁盘碎片整理 178
4.5 文件系统实例 179
4.5.1 MS-DOS文件系统 179
4.5.2 UNIX V7文件系统 181
4.5.3 CD-ROM文件系统 182
4.6 有关文件系统的研究 185
4.7 小结 185
习题 186
第5章 输入/输出 189
5.1 I/O硬件原理 189
5.1.1 I/O设备 189
5.1.2 设备控制器 190
5.1.3 内存映射I/O 190
5.1.4 直接存储器存取 192
5.1.5 重温中断 194
5.2 I/O软件原理 196
5.2.1 I/O软件的目标 196
5.2.2 程序控制I/O 197
5.2.3 中断驱动I/O 198
5.2.4 使用DMA的I/O 199
5.3 I/O软件层次 199
5.3.1 中断处理程序 199
5.3.2 设备驱动程序 200
5.3.3 与设备无关的I/O软件 202
5.3.4 用户空间的I/O软件 205
5.4 盘 206
5.4.1 盘的硬件 206
5.4.2 磁盘格式化 211
5.4.3 磁盘臂调度算法 213
5.4.4 错误处理 215
5.4.5 稳定存储器 216
5.5 时钟 218
5.5.1 时钟硬件 218
5.5.2 时钟软件 219
5.5.3 软定时器 221
5.6 用户界面：键盘、鼠标和监视器 222
5.6.1 输入软件 222
5.6.2 输出软件 225
5.7 瘦客户机 235
5.8 电源管理 236
5.8.1 硬件问题 236
5.8.2 操作系统问题 237
5.8.3 应用程序问题 241
5.9 有关输入/输出的研究 241
5.10 小结 242
习题 243
第6章 死锁 247
6.1 资源 247
6.1.1 可抢占资源和不可抢占资源 247
6.1.2 资源获取 248
6.2 死锁简介 249
6.2.1 资源死锁的条件 249
6.2.2 死锁建模 249
6.3 鸵鸟算法 251
6.4 死锁检测和死锁恢复 251
6.4.1 每种类型一个资源的死锁检测 252
6.4.2 每种类型多个资源的死锁检测 253
6.4.3 从死锁中恢复 254
6.5 死锁避免 255
6.5.1 资源轨迹图 255
6.5.2 安全状态和不安全状态 256
6.5.3 单个资源的银行家算法 257
6.5.4 多个资源的银行家算法 257
6.6 死锁预防 258
6.6.1 破坏互斥条件 258
6.6.2 破坏占有并等待条件 259
6.6.3 破坏不可抢占条件 259
6.6.4 破坏环路等待条件 259
6.7 其他问题 260
6.7.1 两阶段加锁 260
6.7.2 通信死锁 260
6.7.3 活锁 261
6.7.4 饥饿 262
6.8 有关死锁的研究 262
6.9 小结 263
习题 263
第7章 虚拟化和云 267
7.1 历史 268
7.2 虚拟化的必要条件 268
7.3 第一类和第二类虚拟机管理程序 270
7.4 高效虚拟化技术 271
7.4.1 在不支持虚拟化的平台上实现虚拟化 271
7.4.2 虚拟化的开销 273
7.5 虚拟机管理程序是正确的微内核吗 273
7.6 内存虚拟化 275
7.7 I/O虚拟化 277
7.8 虚拟装置 279
7.9 多核CPU上的虚拟机 279
7.10 授权问题 279
7.11 云 280
7.11.1 云即服务 280
7.11.2 虚拟机迁移 280
7.11.3 检查点 281
7.12 案例研究：VMware 281
7.12.1 VMware的早期历史 281
7.12.2 VMware Workstation 282
7.12.3 将虚拟化引入x86的挑战 282
7.12.4 VMware Workstation解决方案概览 283
7.12.5 VMware Workstation的演变 288
7.12.6 VMware的第一类虚拟机管理程序ESX Server 288
7.13 有关虚拟化和云的研究 289
习题 289
第8章 多处理机系统 291
8.1 多处理机 292
8.1.1 多处理机硬件 292
8.1.2 多处理机操作系统类型 298
8.1.3 多处理机同步 301
8.1.4 多处理机调度 303
8.2 多计算机 306
8.2.1 多计算机硬件 307
8.2.2 低层通信软件 309
8.2.3 用户层通信软件 311
8.2.4 远程过程调用 313
8.2.5 分布式共享存储器 314
8.2.6 多计算机调度 317
8.2.7 负载平衡 318
8.3 分布式系统 319
8.3.1 网络硬件 321
8.3.2 网络服务和协议 323
8.3.3 基于文档的中间件 325
8.3.4 基于文件系统的中间件 326
8.3.5 基于对象的中间件 329
8.3.6 基于协作的中间件 330
8.4 有关多处理机系统的研究 332
8.5 小结 332
习题 333
第9章 安全 336
9.1 环境安全 337
9.1.1 威胁 337
9.1.2 入侵者 339
9.2 操作系统完全 339
9.2.1 可信系统 339
9.2.2 可信计算基 340
9.3 保护机制 341
9.3.1 保护域 341
9.3.2 访问控制列表 342
9.3.3 权能字 344
9.4 安全系统的形式化模型 345
9.4.1 多级安全 346
9.4.2 隐蔽信道 348
9.5 密码学原理 350
9.5.1 私钥加密技术 351
9.5.2 公钥加密技术 351
9.5.3 单向函数 352
9.5.4 数字签名 352
9.5.5 可信平台模块 353
9.6 认证 354
9.6.1 使用物理识别的认证方式 358
9.6.2 使用生物识别的认证方式 360
9.7 软件漏洞 361
9.7.1 缓冲区溢出攻击 361
9.7.2 格式化字符串攻击 367
9.7.3 悬垂指针 369
9.7.4 空指针间接引用攻击 369
9.7.5 整数溢出攻击 370
9.7.6 命令注入攻击 370
9.7.7 检查时间/使用时间攻击 371
9.8 内部攻击 371
9.8.1 逻辑炸弹 371
9.8.2 后门陷阱 372
9.8.3 登录欺骗 372
9.9 恶意软件 373
9.9.1 特洛伊木马 374
9.9.2 病毒 375
9.9.3 蠕虫 381
9.9.4 间谍软件 382
9.9.5 rootkit 384
9.10 防御 386
9.10.1 防火墙 387
9.10.2 反病毒和抑制反病毒技术 388
9.10.3 代码签名 392
9.10.4 囚禁 392
9.10.5 基于模型的入侵检测 393
9.10.6 封装移动代码 394
9.10.7 Java安全性 396
9.11 有关安全的研究 397
9.12 小结 398
习题 398
第10章 实例研究1：UNIX、Linux和Android 403
10.1 UNIX与Linux的历史 403
10.1.1 UNICS 403
10.1.2 PDP-11 UNIX 404
10.1.3 可移植的UNIX 404
10.1.4 Berkeley UNIX 405
10.1.5 标准UNIX 405
10.1.6 MINIX 406
10.1.7 Linux 407
10.2 Linux简介 408
10.2.1 Linux的设计目标 408
10.2.2 到Linux的接口 409
10.2.3 shell 410
10.2.4 Linux应用程序 412
10.2.5 内核结构 413
10.3 Linux中的进程 414
10.3.1 基本概念 414
10.3.2 Linux中进程管理相关的系统调用 416
10.3.3 Linux中进程与线程的实现 418
10.3.4 Linux中的调度 422
10.3.5 启动Linux系统 425
10.4 Linux中的内存管理 426
10.4.1 基本概念 427
10.4.2 Linux中的内存管理系统调用 429
10.4.3 Linux中内存管理的实现 429
10.4.4 Linux中的分页 433
10.5 Linux中的I/O系统 434
10.5.1 基本概念 434
10.5.2 网络 435
10.5.3 Linux中的I/O系统调用 436
10.5.4 I/O在Linux中的实现 437
10.5.5 Linux中的模块 439
10.6 Linux文件系统 439
10.6.1 基本概念 439
10.6.2 Linux中的文件系统调用 442
10.6.3 Linux文件系统的实现 444
10.6.4 NFS：网络文件系统 449
10.7 Linux的安全性 452
10.7.1 基本概念 452
10.7.2 Linux中安全相关的系统调用 454
10.7.3 Linux中的安全实现 454
10.8 Android 455
10.8.1 Android与Google 455
10.8.2 Android的历史 455
10.8.3 设计目标 457
10.8.4 Android体系结构 458
10.8.5 Linux扩展 459
10.8.6 Dalvik 461
10.8.7 Binder IPC 462
10.8.8 Android应用 467
10.8.9 意图 475
10.8.10 应用程序沙箱 475
10.8.11 安全性 476
10.8.12 进程模型 479
10.9 小结 482
习题 483
第11章 实例研究2：Windows 8 487
11.1 Windows 8.1的历史 487
11.1.1 20世纪80年代：MS-DOS 487
11.1.2 20世纪90年代：基于MS-DOS的Windows 488
11.1.3 21世纪00年代：基于NT的Windows 488
11.1.4 Windows Vista 489
11.1.5 21世纪10年代：现代Windows 490
11.2 Windows 编程 490
11.2.1 原生NT应用编程接口 493
11.2.2 Win32应用编程接口 494
11.2.3 Windows注册表 496
11.3 系统结构 498
11.3.1 操作系统结构 498
11.3.2 启动Windows 506
11.3.3 对象管理器的实现 507
11.3.4 子系统、DLL和用户态服务 513
11.4 Windows中的进程和线程 514
11.4.1 基本概念 514
11.4.2 作业、进程、线程和纤程管理API调用 518
11.4.3 进程和线程的实现 521
11.5 内存管理 525
11.5.1 基本概念 525
11.5.2 内存管理系统调用 527
11.5.3 存储管理的实现 528
11.6 Windows的高速缓存 533
11.7 Windows的I/O 534
11.7.1 基本概念 534
11.7.2 I/O的API调用 535
11.7.3 I/O实现 536
11.8 Windows NT文件系统 539
11.8.1 基本概念 540
11.8.2 NTFS文件系统的实现 540
11.9 Windows电源管理 546
11.10 Windows 8中的安全 547
11.10.1 基本概念 548
11.10.2 安全相关的API调用 548
11.10.3 安全实现 549
11.10.4 安全缓解技术 551
11.11 小结 552
习题 553
第12章 操作系统设计 556
12.1 设计问题的本质 556
12.1.1 目标 556
12.1.2 设计操作系统为什么困难 557
12.2 接口设计 558
12.2.1 指导原则 558
12.2.2 范型 559
12.2.3 系统调用接口 561
12.3 实现 563
12.3.1 系统结构 563
12.3.2 机制与策略 565
12.3.3 正交性 566
12.3.4 命名 566
12.3.5 绑定的时机 567
12.3.6 静态与动态结构 567
12.3.7 自顶向下与自底向上的实现 568
12.3.8 同步通信与异步通信 568
12.3.9 实用技术 569
12.4 性能 572
12.4.1 操作系统为什么运行缓慢 572
12.4.2 什么应该优化 573
12.4.3 空间–时间的权衡 573
12.4.4 缓存 575
12.4.5 线索 575
12.4.6 利用局部性 576
12.4.7 优化常见的情况 576
12.5 项目管理 576
12.5.1 人月神话 576
12.5.2 团队结构 577
12.5.3 经验的作用 578
12.5.4 没有银弹 579
12.6 操作系统设计的趋势 579
12.6.1 虚拟化与云 579
12.6.2 众核芯片 580
12.6.3 大型地址空间操作系统 580
12.6.4 无缝的数据访问 580
12.6.5 电池供电的计算机 581
12.6.6 嵌入式系统 581
12.7 小结 581
习题 582
第13章 参考书目与文献 584
13.1 进行深入阅读的建议 584
13.1.1 引论 584
13.1.2 进程与线程 584
13.1.3 内存管理 585
13.1.4 文件系统 585
13.1.5 输入/输出 585
13.1.6 死锁 586
13.1.7 虚拟化和云 586
13.1.8 多处理机系统 586
13.1.9 安全 587
13.1.10 实例研究1：UNIX、Linux和Android 588
13.1.11 实例研究2：Windows 8 588
13.1.12 操作系统设计 589
13.2 按字母顺序排序的参考文献 589
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读书文摘
个体重复系统发育：一些技术暂时消失的结果会造成我们有时需要反复考察一些“过时”概念，即那些在当代技术中并不理想的思想。而技术的变化会把一些“过时”概念带回来。正由于此，更重要的是要理解为什么一个概念会过时，而什么样的环境的变化又会启用“过时”概念。
多线程（即 Intel 所谓的超线程，前文注）不提供真正的并行处理。在一个时刻只有一个进程在运行，但线程的切换时间则减少到纳秒数量级。
抽象是管理复杂性的一个关键。好的抽象可以把一个几乎不可能管理的任务划分为两个可管理的部分。其第一部分是有关抽象的定义和实现，第二部分是随时用这些抽象解决问题。
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