◆ 编辑推荐◆

·解耦原理与实现，以问题为驱动学习经典理论与设计方法

·面向前沿研究与工业界实践，以ARM架构为主探索真实场景与问题

·微内核架构操作系统ChCore全新升级，配备全套实验及教辅资源

◆内容简介 ◆

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，帮助读者建立系统性的认识；其次，教材需要反映国际研究前沿，帮助读者开拓新思路；最后，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，面向最新工业界实践，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。

◆作者简介 ◆

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，领域操作系统教育部工程研究中心主任，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、教育部技术发明一等奖、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等最佳论文奖以及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，教育部青年长江学者，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。曾获教育部技术发明一等奖、CCF NASAC青年软件创新奖、VEE最佳论文奖、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。

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　对纤程的需求?：一个简单的例子  203

6.6.2　POSIX的纤程支持?：ucontext  204

6.6.3　纤程切换  206

6.7　思考题  207

6.8　练习答案  208

参考文献  209

第7章　处理器调度  210

7.1　处理器调度机制  210

7.1.1　处理器调度对象  211

7.1.2　处理器调度概览  211

7.2　处理器调度指标  214

7.3　经典调度策略  216

7.3.1　先到先得  216

7.3.2　最短任务优先  218

7.3.3　最短完成时间优先  219

7.3.4　时间片轮转  220

7.3.5　经典调度策略的比较  221

7.4　优先级调度策略  222

7.4.1　高响应比优先  223

7.4.2　多级队列与多级反馈

队列  223

7.4.3　优先级调度策略的比较  229

7.5　公平共享调度策略  229

7.5.1　彩票调度  231

7.5.2　步幅调度  233

7.5.3　份额与优先级的比较  235

7.6　多核处理器调度机制  236

7.6.1　运行队列  236

7.6.2　负载均衡与负载追踪  237

7.6.3　处理器亲和性  238

7.7　案例分析?：Linux调度器  239

7.7.1　O（N）调度器  240

7.7.2　O（1）调度器  241

7.7.3　完全公平调度器  242

7.7.4　Linux的细粒度负载

追踪  244

7.7.5　Linux的NUMA感知

调度  245

7.8　思考题  246

7.9　练习答案  247

参考文献  248

第8章　进程间通信  249

8.1　进程间通信基础  250

8.1.1　进程间通信接口  250

8.1.2　一个简单的进程间通信

设计  253

8.1.3　数据传递  255

8.1.4　通知机制  257

8.1.5　单向和双向  257

8.1.6　同步和异步  258

8.1.7　超时机制  259

8.1.8　通信连接  260

8.1.9　权限检查  261

8.1.10　命名服务  262

8.1.11　总结  263

8.2　文件接口IPC?：管道  264

8.2.1　Linux管道使用案例  265

8.2.2　Linux中管道进程间通信的实现  267

8.2.3　命名管道和匿名管道  269

8.3　内存接口IPC?：共享内存  270

8.3.1　共享内存  270

8.3.2　基于共享内存的进程间

通信  272

8.4　消息接口IPC?：消息队列  273

8.4.1　消息队列的结构  274

8.4.2　基本操作  274

8.5　案例分析?：L4微内核的IPC

优化  275

8.5.1　L4消息传递  275

8.5.2　L4控制流转移  277

8.5.3　L4通信连接  279

8.5.4　L4通信控制（权限

检查）  279

8.6　案例分析?：LRPC的迁移线程

模型  280

8.6.1　迁移线程模型  281

8.6.2　LRPC设计  281

8.7　案例分析?：ChCore进程间

通信机制  283

8.8　案例分析?：Binder IPC  285

8.8.1　总览  286

8.8.2　Binder IPC内核

设计  286

8.8.3　匿名共享内存  290

8.9　思考题  291

8.10　练习答案  292

参考文献  292

第9章　并发与同步  294

9.1　同步场景  295

9.1.1　一个例子?：多线程

计数器  295

9.1.2　同步的典型场景  297

9.2　同步原语  299

9.2.1　互斥锁  300

9.2.2　读写锁  302

9.2.3　条件变量  304

9.2.4　信号量  313

9.2.5　同步原语的比较  316

9.3　死锁  318

9.3.1　死锁的定义  318

9.3.2　死锁检测与恢复  320

9.3.3　死锁预防  321

9.3.4　死锁避免  322

9.3.5　哲学家问题  325

9.4　活锁  326

9.5　思考题  327

9.6　练习答案  330

参考文献  335

第10章　同步原语的实现  336

10.1　互斥锁的实现  336

10.1.1　临界区问题  336

10.1.2　硬件实现?：关闭中断  337

10.1.3　软件实现?：皮特森

算法  337

10.1.4　软硬件协同?：使用原子

操作实现互斥锁  340

10.2　条件变量的实现  345

10.3　信号量的实现  346

10.3.1　非阻塞信号量  347

10.3.2　阻塞信号量  348

10.4　读写锁的实现  352

10.4.1　偏向读者的读写锁  353

10.4.2　偏向写者的读写锁  354

10.5　案例分析?：Linux中的futex  356

10.6　案例分析?：微内核中的同步

原语  360

10.7　思考题  361

10.8　练习答案  364

参考文献  364

第11章　文件系统  366

11.1　基于inode的文件系统  367

11.1.1　一个不用inode的简单

文件系统  367

11.1.2　inode与文件  368

11.1.3　多级inode  370

11.1.4　文件名与目录  374

11.1.5　存储布局  377

11.1.6　从文件名到链接  378

11.1.7　符号链接（软链接）  381

11.2　基于表的文件系统  382

11.2.1　FAT文件系统  382

11.2.2　NTFS  386

11.3　虚拟文件系统  392

11.3.1　文件系统的内存结构  392

11.3.2　面向文件系统的接口  394

11.3.3　多文件系统的组织和

管理  398

11.3.4　伪文件系统  400

11.4　VFS与缓存  402

11.4.1　访问粒度不一致问题和

一些优化  402

11.4.2　读缓存  403

11.4.3　写缓冲区与写合并  403

11.4.4　页缓存  403

11.4.5　直接I/O和缓存I/O  404

11.4.6　内存映射  405

11.5　用户态文件系统  405

11.5.1　为什么需要用户态文件系统  406

11.5.2　FUSE  406

11.5.3　ChCore的文件系统

架构  407

11.6　思考题  410

11.7　练习答案  411

参考文献  412

第12章　文件系统崩溃一致性  414

12.1　崩溃一致性  415

12.2　同步写入与文件系统一致性

检查  417

12.2.1　同步写入  417

12.2.2　文件系统一致性检查  418

12.2.3　fsck的局限和问题  420

12.3　原子更新技术?：日志  421

12.3.1　日志机制的原理  421

12.3.2　日志的批量化与合并

优化  423

12.3.3　日志应用实例?：JBD2  423

12.3.4　讨论和小结  427

12.4　原子更新技术?：写时拷贝  427

12.4.1　写时拷贝的原理  428

12.4.2　写时拷贝在文件系统

中的应用  429

12.4.3　写时拷贝的问题与

优化  430

12.4.4　讨论和小结  430

12.5　Soft updates  431

12.5.1　Soft updates的三条

规则  432

12.5.2　依赖追踪  434

12.5.3　撤销和重做  435

12.5.4　文件系统恢复  437

12.5.5　讨论和小结  437

12.6　案例分析?：日志结构文件系统  438

12.6.1　基本概念与空间布局  438

12.6.2　数据访问与操作  439

12.6.3　基于段的空间管理  441

12.6.4　检查点和前滚  444

12.6.5　小结  446

12.7　思考题  446

参考文献  447

第13章　设备管理  449

13.1　硬件设备基础  450

13.1.1　总线互联  451

13.1.2　设备的硬件接口  452

13.1.3　几种常见的设备  452

13.2　设备发现与交互  457

13.2.1　CPU与设备的交互方式概览  458

13.2.2　设备发现  460

13.2.3　设备寄存器的访问  463

13.2.4　中断  466

13.2.5　直接内存访问  470

13.3　设备管理的共性功能  475

13.3.1　设备的文件抽象  475

13.3.2　设备的逻辑分类  477

13.3.3　设备的缓冲区管理  478

13.3.4　设备的使用接口  482

13.4　应用I/O框架  484

13.4.1　应用层I/O库  484

13.4.2　用户态I/O  486

13.5　案例分析?：Android操作系统的

硬件抽象层  488

13.6　思考题  490

13.7　练习答案  491

参考文献  491

第14章　系统虚拟化  493

14.1　系统虚拟化技术概述  494

14.1.1　系统虚拟化及其组成

部分  494

14.1.2　虚拟机监控器的类型  495

14.2　“下陷-模拟”方法  496

14.2.1　版本零?：用进程模拟

虚拟机内核态  497

14.2.2　版本一?：模拟时钟

中断  498

14.2.3　版本二?：模拟用户态与

系统调用  500

14.2.4　版本三?：虚拟机内支持

多个用户态线程  501

14.2.5　版本四?：用线程模拟

多个vCPU  502

14.2.6　小结  504

14.3　CPU虚拟化  505

14.3.1　可虚拟化架构与不可

虚拟化架构  505

14.3.2　解释执行  506

14.3.3　动态二进制翻译  507

14.3.4　扫描-翻译  508

14.3.5　半虚拟化技术  509

14.3.6　硬件虚拟化技术  509

14.3.7　小结  512

14.4　内存虚拟化  513

14.4.1　影子页表机制  514

14.4.2　直接页表映射机制  517

14.4.3　两阶段地址翻译机制  518

14.4.4　换页和气球机制  521

14.4.5　小结  523

14.5　I/O虚拟化  523

14.5.1　软件模拟方法  524

14.5.2　半虚拟化方法  526

14.5.3　设备直通方法?：IOMMU

和SR-IOV  528

14.5.4　小结  531

14.6　中断虚拟化  532

14.7　案例分析?：QEMU/KVM  534

14.7.1　KVM API和一个简单的

虚拟机监控器  534

14.7.2　KVM和QEMU  536

14.7.3　KVM内部实现简介  538

14.8　思考题  539

参考文献  540

缩略语  541

在线章节

第二部分　操作系统进阶

第15章　多核与多处理器

第16章　可扩展同步原语

第17章　多场景文件系统

第18章　存储系统

第19章　轻量级虚拟化

第20章　网络与系统

第21章　操作系统安全

第22章　操作系统调测

第23章　形式化证明

第24章　云操作系统

第三部分　ChCore课程实验

实验1：机器启动

实验2：内存管理

实验3：进程与线程、异常处理

实验4：多核、多进程、调度与IPC

实验5：文件系统与shell

实验6：设备驱动与持久化

实验7：进阶实践

◆前言 ◆

PREFACE

前　　言

为什么又要写一本操作系统的书

操作系统是现代计算平台的基础与核心支撑系统，负责管理硬件资源、控制程序运行、改善人机交互以及为应用软件提供运行环境等。长期以来，我国信息产业处于“缺芯少魂”的状态，作为信息产业之“魂”的操作系统是释放硬件能力、构筑应用生态的基础，也是关键的“卡脖子”技术之一。当前，以华为海思麒麟与鲲鹏处理器、银河飞腾处理器等为代表的ARM平台在智能终端、服务器等应用场景的崛起，以及以开源为特色的RISC-V指令集架构的出现及其生态的蓬勃发展，逐步改变了x86处理器一统天下的局面。因此，需要结合ARM等指令集架构与体系结构来构筑新的操作系统或深入优化现有操作系统，从而充分发挥硬件资源的能力并给用户提供更流畅的体验。

操作系统自20世纪50年代诞生以来，经历了从专用操作系统（每个主机与应用场景均需要一个新的操作系统）到通用操作系统（如Windows、UNIX、Linux等，即一个操作系统覆盖很多场景）的转变。在PC时代，由于Windows操作系统的广泛应用与部署，微软于20世纪90年代成为全球市值最高的公司，苹果研制的Mac OS也支撑苹果一度成为全球最赚钱的科技公司。在数据中心时代，在IBM、Intel等企业的支持下，Linux操作系统又逐步在服务器等场景占据主体地位。在移动互联网时代，苹果在乔布斯回归后基于NeXTSTEP操作系统构筑的iOS、新型macOS、iPadOS、watchOS、tvOS等操作系统支撑苹果成为全球市值最高的科技公司。谷歌于2005年收购了Andrew Rubin于2003年创立的Android公司，并通过持续不断的压强式投入逐步将Android打造成世界上发行量最大的移动智能操作系统。

当前，随着智能终端的多样化，5G带来的大连接、低时延、高吞吐，以及异构硬件设备的繁荣发展，我们正在逐步进入万物互联的智能世界，用单一操作系统覆盖所有场景已经很难发挥出硬件的处理能力，也难以满足应用越来越高的极限需求。当前，华为、阿里巴巴、微软、谷歌、Meta（Facebook）等各大企业纷纷在操作系统领域投入重兵。例如，微软在Windows 10之后开始研制Windows CoreOS,谷歌从2016年开始投入Fuchsia项目，Facebook从2019年开始研制面向AR/VR等的新OS，华为也于2019年发布鸿蒙操作系统并与合作伙伴一起构建了openEuler、OpenHarmony开源社区和华为移动服务（HMS）生态。

操作系统的复兴也对教学科研与产业实践提出了新的要求。首先，操作系统教材需要体现操作系统的核心原理与设计，从而帮助读者建立系统性的认识。其次，操作系统教材需要反映国际研究前沿。当前操作系统技术仍在迅猛发展，很多新的问题随着新处理器、新加速器架构、新应用场景的出现而不断出现，同时，很多经典的问题也出现了新的解决方法，这些都给操作系统的设计与实现提供了新的思路。最后，操作系统教材要反映工业实践。操作系统是一门系统性与实践性非常强的学科，脱离实现来谈设计很容易陷入纸上谈兵的陷阱。当前操作系统领域的前沿研究与工业界实践的结合越来越紧密，在工业界新应用场景与需求的推动下，研究人员将前沿研究应用到工业实践，再由工业实践反馈进一步推动前沿研究，形成了良好的循环，并且循环的速度越来越快。

当前国内外已经出版了一系列优秀的操作系统教材，例如美国威斯康星大学麦迪逊分校的Remzi H. Arpaci-Dusseau和Andrea C. Arpaci-Dusseau两位教授的Operating Systems: Three Easy Pieces［1］，Abraham Silberschatz、Peter B. Galvin和Greg Gagne的Operating System Concepts［2］。然而，从当前学术研究前沿和工业界实践的角度来看，一些经典的教材缺乏对当前研究前沿的体现，另一些教材仅关注操作系统的概念而缺乏充分的实践环节。此外，大部分教材是以x86体系结构为主导的，缺乏对当前已广泛流行的ARM等体系结构的描述?；这些教材也基本以Linux/UNIX等宏内核架构的操作系统为主，缺乏对当前新兴而又经典的微内核架构的操作系统的深入介绍。

本书以三个“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，面向最新工业界实践，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。对于每项要介绍的内容，本书将从一个具体的操作系统设计问题出发，解释这个问题背后的挑战，给出当前的经典设计，并介绍当前的一些工业实践与前沿研究。本书不仅介绍典型的Linux操作系统的设计与实现，还将介绍微内核（Microkernel）、外核（Exokernel）等操作系统架构。为此，上海交通大学并行与分布式系统研究所专门实现了一个小型但具有较完整基础功能的微内核架构教学操作系统ChCore，用真实的代码片段帮助读者更好地理解操作系统原理，并基于ChCore设计了一系列课程实验，以使读者通过动手实践的方式获得操作系统设计与实现的第一手经验。

2020年10月，本书作者撰写的《现代操作系统：原理与实现》出版，两个月内三次印刷，当年即获得了51CTO“年度最受读者喜爱的IT图书”Top5，并被多所高校与科研院所选为教材用于教学。两年来，在教学实践与反馈的基础上，本书作者对教材的结构和内容都做了较大幅度的修改，并正式将其命名为《操作系统：原理与实现》。相比《现代操作系统：原理与实现》，本书主要有以下方面的更新。第一，进一步增强了原理与实现的解耦，先基于“第一性原理”，从具体问题“自然导出”抽象概念，然后再介绍具体实现。在原理方面，增加了微内核设计思想对不同抽象的影响?；在实现方面，加强了教材与ChCore代码的对应。第二，在内容上，将“硬件结构”一章扩展为“硬件环境与软件抽象”，作为对全书的总览?；将“内存管理”一章扩展为“虚拟内存管理”与“物理内存管理”两章?；将“同步原语”一章扩展为“并发与同步”和“同步原语的实现”两章?；增加了“文件系统崩溃一致性”一章。此外，对其他章节的内容也有一定的增加和删减，以更好地体现现代操作系统的设计，例如，“操作系统概述”一章增加了“iOS/Android?：移动互联网时代的操作系统”一节，“进程间通信”一章增加了“案例分析?：Binder IPC”一节，“设备管理”一章进行了重构并增加了“案例分析?：Android操作系统的硬件抽象层”一节。第三，在配套实验方面，根据本书内容的改动对实验做了同步调整，并增加了在树莓派上实现硬件启动的实验。另外，所有的课程资料，包括讲义PPT与授课视频，也将进行同步更新并在网站发布。

致使用本书的实践人员

非常感谢您选用本书来了解操作系统的设计与实现！

本书试图通过介绍现代操作系统的设计与实现，为开发、设计、优化与维护操作系统的管理人员、开发人员和维护人员提供基础的概念以及典型的操作系统组件的实现，帮助相关人员快速上手。本书还将结合作者在工业界带领操作系统研发团队的经验，介绍操作系统在典型场景的实践，试图以多种形式展现在实践中遇到的问题。同时，本书还将结合作者在操作系统研究中的洞察，介绍一些常见操作系统问题的前沿研究，从而为使用本书的实践人员解决真实场景问题提供参考。此外，本书结合作者在工业界长期担任技术和综合面试官的经验，将一些典型的操作系统技术问题融入本书内容以及每章的思考题中，以期为希望在工业界从事操作系统相关领域研发工作的读者提供参考。

致使用本书的指导老师

非常感谢您选用本书来讲授操作系统的设计与实现！

由于不同学校对操作系统的教学难度要求和教学时长不同，本书将所涉及的内容分为3个等级?：基础性内容?；较为深入的内容（标注?）?；较为前沿的内容，包含一些工业界的最新实践与国际研究的前沿（同样标注?）。教师可以根据不同的要求选择各种组合，从而适应自己的教学需要。

本书作者从2009年开始，先后在复旦大学、上海交通大学讲授操作系统课程。本书也融合了作者对教学过程中遇到的一些问题的思考。为了方便教师使用本书进行教学，我们还在“?好大学在线?”设置了MOOC课程，并且建设了课程网站，提供课程教学配套的讲义PPT与授课视频，供用书教师参考。本书还搭建了在线社区，供大家讨论与答

疑等。

致使用本书的学生

非常感谢您选用本书作为学习操作系统的教材！

我们提供本书的教学PPT、MOOC课程等，希望能供各位用于预习和复习。此外，思考题有助于进一步巩固所学知识，其中还综合了工作以及面试中常见的一些问题，希望能对各位进一步深入思考操作系统的设计与实现以及求职有所帮助。

本书设计的课程实验系列中，前四个主要提供框架式代码，由读者实现其中的关键部分，以加深对操作系统的理解，并且为之后从事计算机系统相关领域的工作打下基础。课程实验采用C语言，面向ARM64体系结构（也就是手机平台最常用的体系结构，也用于华为MateBook的部分型号与苹果后续的MacBook），试图帮助读者理解现代操作系统的设计与实现。第五个和第六个实验要求读者实现如文件系统、I/O等更有挑战的功能，而第七个实验旨在让有兴趣的读者尝试理解、设计和实现较为复杂与前沿的一些操作系统功能或模块。读者可以根据自身需求选择不同的课程实验进行实践。

发布方式与版权声明

本书的内容采用纸质版和电子版两种形式呈现。本书的第一部分（操作系统基础）由机械工业出版社以纸质版的形式出版，第二部分（操作系统进阶）以及第三部分（ChCore课程实验）则采用电子版的形式在本书网站发布。本书电子版将采用持续发布的模式，根据读者的反馈和作者的持续优化进行更新，购买了本书纸质版的读者可以及时获得本书电子版以及相关课件、视频与考试资料的更新。本书电子版以及相关课件的版权归上海交通大学并行与分布式系统研究所所有，发布遵守Creative Commons Attribution 4.0 License（完整文本见https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode），读者可以将全部或部分内容免费用于非商业用途。使用者在使用全部或部分内容时请注明来源—“内容来自?：上海交通大学并行与分布式系统研究所+材料名字”，对于不遵守此声明或者其他违法使用者，我们将依法保留追究权。

致谢

本书的提纲和主要内容基于作者多年来在上海交通大学和复旦大学所讲授的操作系统课程。写作时，首先由陈海波和夏虞斌确定整体结构以及各个章节的大纲和部分内容，然后部分章节由上海交通大学并行与分布式系统研究所及领域操作系统教育部工程研究中心的教师和博士研究生在此基础上扩展形成初稿，再通过交叉评审、不断打磨的方式逐步完成。具体而言，本书每个章节的主要贡献者包括?：前言、第1章、第2章，陈海波等?；第3章，宋小牛、张汉泽、夏虞斌等?；第4章、第5章，古金宇、夏虞斌等?；第6章，吴明瑜、古金宇等?；第7章，杜东等?；第8章，董致远等?；第9章、第10章，刘年等?；第11章、第12章，董明凯等?；第13章，李明煜、王子轩、古金宇等?；第14章，糜泽羽、夏虞斌等。ChCore课程实验由古金宇负责整体设计，由吴明瑜、沈斯杰、冯二虎、赵子铭、董致远、钱宇超、刘年、郑文鑫等共同完成。陈榕负责全书图片的美化，陈海波与夏虞斌负责整体内容的审核。

本书的完成离不开很多人的支持！很多学术界与工业界的读者通过各种形式给我们提供了反馈意见。我们要感谢上海交通大学并行与分布式系统研究所的各位教师和学生?；感谢上海交通大学操作系统课程的助教和学生提供的各种资料与反馈，他们是董本超、路旭、江学强、李新锐、唐楚哲、彭许红、袁楚宏、同睿哲、袁澍民、蔡忠玮、杨帆、杨雁飞、华志超、徐天强、庄浩麒、卢军、黄逸博、王帅惟、林亦辰、吴新月、谢夏婷、杨璧丞、余天依、

朱伯君、张云昊、郑文鑫、尚晴宇、陆放明、田秋林、赵逸凡、吴元培、蓝浩宁、陈乐、

魏新鹏、俞子渠、刘若晨、曹旭杰、和敬凯等?；感谢华为操作系统内核实验室各位技术专家的意见与支持，他们是王楠、李雨、李海程、缪勰、张殿芳、贾宁、钱梽杨、郭寒军、魏勇军、王飞、李坤、马久跃、洪扬、王强、高欣等（排名不分先后），以及华为庞加莱实验室的胡欣蔚等。

感谢通过论坛、微信、邮件等方式对《现代操作系统?：原理与实现》勘误工作做出贡献的读者，包括SharonPu、limo、hwzj、zh_k、HUST_Kongdo、Kong、sunshinejiali、taylor、Topsail、maigebaoer、Joan、lbc、JohnZhang、loveshes、feynman、Y7n05h、bob、cchuanle、mirror、nbycheng、xxchan、ligong、pengdonglin、Yuanzhao、zengqingxi等（排名不分先后），

特别感谢论坛用户linkerrors和laokz，以及清华大学的陈康教授。

最后，特别感谢中山大学的苏玉鑫老师使用《现代操作系统?：原理与实现》以及相关配套实验作为中山大学“操作系统原理”课程的教材与教学资源，并结合教学过程中的体会提供了很多有益的反馈。

本书还在不断演进和完善中。每一章的最后都附有反馈二维码，若有任何建议与意见，欢迎通过二维码进行反馈，我们会在后续的版本中感谢提出宝贵意见的读者。

参考文献

［?1?］   ARPACI-DUSSEAU R H, ARPACI-DUSSEAU A C. Operating systems: three easy pieces［M］?．Arpaci-Dusseau Books, 2018.

［?2?］   SILBERSCHATZ A, GALVIN P B, GAGNE G. Operating system concepts［M］?．9th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2012.