操作系统之哲学原理.docx

1、操作系统之哲学原理操作系统之哲学原理“这是一个瞬息万变的时代。分布式计算的脚步渐行渐远 网格计算的热潮逐步退却，云计算和云存储正慢慢揭开面纱 在所有的变化中 , 不变的是这些计算的支柱 :操作系统 ! 能否深刻 理解它也许会决定云时代的浮沉。” 由上海交通大学邹恒明著的计算机的心智 : 操作系统之哲 学原理 （以下简称操作系统之哲学原理 ）别开生面 ,以生活 哲学的视角对操作系统原理进行阐述 , 通过逻辑推理来演绎操作 系统核心技术的奥秘 , 其讨论范围包括操作系统的所有基础内容 背景与历史、进程与线程、通信与同步、调度与死锁、分页与分 段、磁盘与文件、输入与输出等。此外 , 作者还以新颖的组

2、织方 式讲解了锁的实现、同步机制的发展逻辑、从分段到段页式的演 变、多核环境下的同步与调度、操作系统设计的原则等内容。1操作系统是计算机的心智操作系统之哲学原理 , 作者在“第一章操作系统导论” 的一开始就指出 : “一个人觉得操作系统没用 , 那是因为他不知 道怎么用 , 或者他没有用操作系统的意愿。说明白一点 , 你如果认 为操作系统没用 , 那是因为你的编程开发处在一个低级的水平 上。如果你掌握了操作系统 , 你的编程水平将显著提高。” 作者指出:要想学好操作系统 ,具有恰当的思维模式是十分必要的。这个思维模式就是本书所强调的“哲学”计算机程序的运行至少需要如下 4个因素 :程序设计语言

3、 ;编译系统 ;操作系统 ;指令集结构 （ 计算机硬件系统 ） 。其中, 操作系统在程序的执行过程中具有关键的作用。由于 计算机的功能和复杂性不断发生变化 （ 趋向更加复杂 ）, 操作系统 所掌控的事情越来越多 , 越来越复杂。同时, 操作系统本身能够使 用的资源也不断增多。操作系统是一个软件系统 , 它使计算机变 得好用 （将人类从繁琐、复杂的对机器掌控的任务中解脱 ）, 使计 算机运作变得有序 （操作系统掌控计算机上所有事情 ）。因此 ,操 作系统的功能一般包括 :替用户及其应用管理计算机上的软、硬件资源 ; 保证计算机资源的公平竞争和使用 ;防止对计算机资源的非法侵占和使用 ; 保证操作

4、系统自身正常运转。作者进一步指出 :将操作系统功能进行提升 , 就可以得出操 作系统所扮演的两个根本角色管理者和魔术师。本书集中精力对操作系统的核心内容进行分析 , 用大量的生 活实例,生动地解释了操作系统中的主要难点和模糊点 , 包括锁 的实现、同步机制的发展轴线、纯粹分段到段页式的演变、多核 环境下的进程同步与调度和操作系统设计等内容 , 而放弃了操作 系统核心以外的内容 , 如安全、多媒体系统、虚拟机技术、光盘 技术等的论述。全书重点突出、逻辑清晰、内容连贯 , 便于学生 顺利掌握操作系统的核心内容 , 是了解计算机操作系统原理不可 多得的教学参考书。本书对操作系统原理的讨论充满趣味性

5、: 每一章都力求细致 地阐明一个主题 , 将通俗的哲学原理和逻辑推理贯穿于每一个主 题, 构成全书的有机整体 , 并适当地引入计算机组成和编译器知 识, 揭示操作系统在程序运行中发挥的作用 , 把读者对操作系统 的理解带到一个崭新的境界。2操作系统的哲学原理 在详细论述了操作系统的基本概念和各种机制之后 , 作者认 为: 首先, 操作系统作为计算机的管理者 , 需要对计算机的各个组 成部分进行管理，这就导致了 CPU管理、内存管理、磁盘管理、 输入输出管理等操作系统功能的出现和相互关联 ; 其次 , 操作系 统作为魔术师 , 需要对计算机的各种硬件进行抽象和装扮 , 以使 其显得更大、 更快、

6、更好和更容易使用。 这些抽象就形成了进程、 线程、虚拟内存、文件系统、各种 I/O 模式等操作系统构造的出 现, 而这些构造之间也因操作系统魔术师的角色而互相联结起 来。作者认为 , 除了管理和魔幻这两条共同的纽带外 , 操作系统各 个部分还有一个联结纽带 , 即其设计上所遵循的哲学原理。作者 认为 : 最为重要的核心是不同的生活哲学将导致不同的操作系统 设计与构造。在本书的第七篇 （第 22章）, 作者概括性地介绍了操作系统 设计的 10条哲学原理 , 它们是:第 1 条哲学原理 : 层次架构。 操作系统的功能分为多个模块 , 并按层次分解。下面一层向上面一层提供功能 , 而上面一层只能 对

7、直接下属进行控制。 采用层次结构不仅使得操作系统的构造过 程容易 , 也因为符合人类的习惯而更加易于理解 , 从而使操作系 统结构清晰 , 节省开发操作系统的成本。第 2 条哲学原理 : 没有对错。 作者认为 : 操作系统本身并无对 错之分,只有好坏之分。就像我们不能说 Windows是对的,Unix是错的。我们只能说 ,Windows 更容易使用 , 而 Unix 不太好使用 而已。因此 , 在设计操作系统时 , 只要达到功能、效率、公平、正 确的平衡即可。 例如, 操作系统进程调度策略有很多 , 而每种调度 策略有其适用的场景。我们不能说“时间片轮转是对的 , 而优先 级调度是错误的”。第

8、 3 条哲学原理 : 懒人哲学。以 Unix 操作系统里面 fork 系 统调用的实现为例 , 作者介绍了在操作系统设计中懒人哲学的应 用:fork系统调用中有时需要进行父子进程地址空间的复制 ，但在设计中“不到万不得已不复制”。 这在计算机术语中称为懒惰 或延迟的复制。 懒人哲学的合理性在于提前将事情做掉也许是一 种浪费。第 4 条哲学原理 : 让困于人。以文件系统为例 , 作者指出 : 对 于操作系统来说 , 它需要保证自己的正确性 , 而文件夹对于操作 系统文件系统的正常运转至关重要 , 因此, 文件夹必须保持不能 出现问题 , 操作系统会使用各种原语操作保证文件系统的一致 性。而用户文

9、件的一致与否并不影响操作系统本身的运行。 虽然 用户文件的毁坏有可能激怒用户 , 但这不是操作系统有义务管的 事情。这种哲学就是“让困于人”。第 5 条哲学原理 : 留有余地。例如, 文件系统目录夹的记录里 面通常都有一部分所谓的保留空间，如DOS目录夹记录里面就有 10 个字节的保留空间 , 而事实上 , 这 10 个保留字在 Windows 98 的文件系统里面就得到了利用。如果没有这些保留字 , 将不得不 设计全新的系统而导致无法兼容。第 6 条哲学原理 : 子虚乌有。操作系统的目的是服务上层的 应用程序和用户 , 用户要什么就提供什么。而提供的这种东西虽 然在用户看来实实在在 , 但实

10、际上都是子虚乌有。 例如 , 在操作系 统里面 , 用户看到的内存非常大 （ 其实是与磁盘一样大 ）, 速度无 限快（其实是与缓存一样快 ） 。但实际上 , 我们的物理内存可能只 不过4G,速度也只有缓存的十分之一。第 7 条哲学原理 : 时空转换。以页表的实现为例。由于页表 的尺寸通常太大 , 占用内存过多 , 便将页表分级 , 只保留一部分页 表在内存 , 而其他部分放置于磁盘上。 这样, 页表所占空间大为减 少, 但付出的代价就是时间成本。第 8 条哲学原理 : 策机分离。 立法就是策略 , 执法就是实现机 制。立法和执法的分离就是所谓的“策机分离”哲学。 作者认为 , 操作系统里面的策

11、机分离主要是为了实现的灵活性。 比如“调度 算法参数化” ,算法在内核里 ,参数可以由用户指定。又例如 , 在 程序设计领域 ,对界面的设计和对界面的实现是分开的 ; 在计算 机安全领域 , 对安全标准的设计和安全设计的实现是分开的。第 9 条哲学原理 : 简单为美。作者指出 , 在数学领域有个不成 文的共识 : “如果一个问题有多个数字表示 ,那么最简单的表示 通常是正确的。”在操作系统设计中 , 文件存储的方式有网状组 织、树状组织、记录流、数据块流和字节流等各种选择 , 而现代 操作系统选择的都是最简单的字节流。第10条哲学原理 :适可而止。作者认为 ,第 10条哲学原理是 用来修正前面

12、 9条原理的。即在前面 9条原理的贯彻过程中 , 要 保持一个度 ,适可而止。例如, “简单为美”但不能过于简单。 正 如爱因斯坦所言 : “一切都应该尽可能简单 , 但没有更简单”。3网络书评操作系统之哲学原理一书出版时间不长 , 但网络上好评 如潮。有人说: “读了本书 ,感觉比起一般讲解操作系统的书来说 , 更加清晰透彻 , 生动有趣。书中的一些原理讲解让人茅塞顿开 , 认真看完本书后 , 操作系统也就掌握得差不多了 ! ”有人说: “读这本书 ,用爱不释手也许有些夸张 , 但不管 是熟悉操作系统还是一点不懂 ,从中得到的启迪 , 不仅仅是操作系统的原理 , 还有深藏在背后的哲理至真。”

13、有读者指出:本书是“打着哲学旗号的新颖的 OS教材”。1评论说:“神学 ,哲学, 科学,作者似乎想把三者结合为一体 , 但从每章开头好像和本章内容无甚联系的小故事来看 , 恐怕还没 有做到这一点 ,每章的技术性讲解还是没有脱离科学而上升 到哲学 ,所以想要从所谓哲学的高度 （就像作者在序中 说的那样 ）来理解操作系统的朋友们可能要失望了。但是抛开 哲学这个词 ,单纯从技术上来讲 , 我很欣赏作者的讲述方式。 一改往日教材知其然不知其所以然 ,甚至连知其然都不 太能做到的国内出版教科书的风格，作者用类似OS开发人员视 角的方式，从问题一解决方案一优缺点一改进方案一优缺点一再 改进方案这样带领我们

14、一路走来 ,让我们更加深刻地认识到 OS 的一些本质和原理 ,以及许多流行的设计为什么是这样。” 一位操作系统老师点评说 :“自己多年讲授操作系统 , 虽然 感觉每一次的讲授都会有不同的视角 ,自认为对 Linux 内核源代 码的阅读有助于原理的讲述 ,但为什么总有那么一些概念 , 比如 同步、死锁、虚拟内存等像从天空飘然而下 ,那么硬生生地扔给 学生,学生在茫然中不得已地伸手接住 ,消化与否,无暇顾及,因 为还有不少重头炮弹等着学生接呢。 听了作者对锁这样一种 看似易于理解的概念一步步的演绎过程 ,似乎明白了操作系统教 材（或其他工科书 ）枯燥之源。计算机世界中的大部分概念本来自 于生活 ,

15、 但现有的教材割舍了其源本 , 把抽象出来的概念悬挂在空中,让大家望其项背而无法落地 ,于是, 计算机科学的趣味性和 逻辑性也零落在书本的边边角角了。”中国互动出版网的书评1说：“读了计算机的心智一一操 作系统之哲学原理 , 这本书确实使得我对之前理解得较为生硬 的部分操作系统原理豁然开朗了 , 这种大白话的风格虽有失教材 的严谨 , 但作为灵活生动的学习参考资料的确是不可多得的。然 而,贯穿此书的一个细节问题也在阅读过程中逐渐呈现 , 作者多次引用圣经故事 , 经常使用基督教中的概念做比喻。尽管书 中也有一些儒、释、道的理念 , 但从不少行文表达中都可以看出 其暗含的对基督教、神创论的认可。

16、不过作为一个不信神的 读者,我虽然也读过圣经的主要篇章 , 但对作者给出的部分引 言或比喻还是难以理解的 , 例如为什么巴别塔与进程调度问题相 关?我也曾试图挑刺似的来找这本书中各处看似不恰当的比喻 ,包括宗教的和非宗教的。但读着读着 , 慢慢感觉到自己也没必要 和那些文字作对。原因正如宋朝的佛印禅师所说 : 心中有佛 , 所见万物皆是佛。作者写出这些比喻 ,是因为作为一个基督徒 , 在其信仰的指导下使用其独到的神学观点来思考人造事物 , 就其个人而言是相当自然的。而我要是有准备挑刺的潜意识 , 那无论从中看到什么略显玄乎的文字 ,都会不自觉地将其认定为有失恰 当的主观内容。”但也有不同意见的

17、。有评论说 : “我觉得作为一本入门级的 书内容还是不错的 ,有其新颖独到的地方 , 而且介绍了一些多核 的东西,比较不错。但是作者在每章前面非加上一段欧洲历史等 东西,搞得太过牵强 ,不这样不足以显示哲学原理的地位 ?再说这 个书名,我感觉有点太大了 , 其实整本书没几处上升到哲学的高 度进行总结归纳 ,绝大部分都是介绍现有技术。尽管其介绍哲学 原理的部分有画龙点睛的作用 ,但是总感觉这样的命名有点 虚。”4图书相关信息书名: 计算机的心智 : 操作系统之哲学管理 作者:邹恒明著ISBN:978-7-111-26642-6 页数:309定价:38.0 元 出版社:机械工业出版社 北京市西城区

18、百万庄大街 22号 邮编:100037装帧:平装出版年:2009-45主要内容 （目录） 本书的内容结构如图 1所示。 本书的主要目录如下 : 第一篇基础原理篇 第 1章操作系统导论引子: 智者的挑战1.1人造学科1.2程序是如何运行的1.3什么是操作系统1.4魔幻与管理1.5用户程序与操作系统1.6操作系统的范畴1.7为什么学习操作系统 思考题（以下各章均有 , 下略） 第 2 章操作系统历史 引子: 操作系统进化的推动因素2.1第一阶段 : 状态机操作系统 （1940 年以前 ）2.2第二阶段 : 单一操作员、单一控制端操作系统 （20 世纪 40 年代）2.3第三阶段 : 批处理操作系统

19、 （20 世纪 50 年代）2.4第四代 : 多道批处理操作系统 （20 世纪 60 年代）2.5第五代之一 : 分时操作系统 （20 世纪 70 年代）2.6第五代之二 : 实时操作系统2.7第六代 : 现代操作系统 （1980 年以后 ）2.8操作系统的演变过程2.9操作系统的未来发展趋势 第 3 章操作系统基本概念引子: “差不多”精神3.1计算机硬件基本知识3.2抽象3.3内核态和用户态3.4操作系统结构3.5进程、内存和文件3.6系统调用3.7壳第二篇进程原理篇第 4 章进程引子 （ 以下各章均有 , 下略）4.1进程概论4.2进程模型4.3多道编程的效率4.4进程的产生与消失4.5

20、进程的层次结构4.6进程的状态4.7进程创立4.8进程与地址空间4.9进程管理4.10进程的缺陷第 5 章线程5.1进程的分身术线程5.2线程管理5.3线程的实现方式5.4现代操作系统的线程实现模型5.5多线程的关系5.6讨论: 从用户态进入内核态5.7讨论 : 线程的困惑确定性与非确定性 第 6 章线程通信6.1为什么要通信6.2线程对白 : 管道、记名管道、套接字6.3线程电报 : 信号6.4线程旗语 : 信号量6.5线程拥抱 : 共享内存6.6信件发送 : 消息队列6.7其他通信机制第 7 章进程同步7.1为什么要同步7.2线程同步的目的7.3锁的进化7.4睡觉与叫醒 : 生产者与消费者

21、问题7.5信号量7.6锁、睡觉与叫醒、信号量7.7管程7.8消息传递7.9栅栏第 8 章进程调度8.1调度的目标8.2处理器调度的总体目标8.3先来先服务调度算法8.4时间片轮转8.5短任务优先8.6优先级调度8.7混合调度算法8.8其他调度算法8.9实时调度算法8.10高级议题 : 调度异常之优先级倒挂第 9 章锁的实现引子: 锁的实现哲学9.1以中断启用与禁止来实现锁9.2以测试与设置指令来实现锁9.3以非繁忙等待、中断启用与禁止来实现锁9.4以最少繁忙等待、测试与设置来实现锁9.5中断禁止、测试与设置 第 10 章死锁应对10.1发生死锁的原因10.2死锁的描述10.3死锁的 4 个必要

22、条件10.4哲学家就餐问题10.5死锁的应对10.6消除死锁的必要条件10.7银行家算法 : 冒险的代价10.8哲学家就餐问题之解10.9讨论 : 死锁的思考综合治理10.10讨论 : 死锁、活锁与饥饿 第三篇内存原理篇 第 11 章基本内存管理11.1内存管理的环境11.2内存管理的目标11.3虚拟内存的概念11.4操作系统在内存的位置11.5单道编程的内存管理11.6多道编程的内存管理11.7闲置空间管理 第 12 章页式内存管理12.1基址极限管理模式的问题12.2分页内存管理12.3分页系统的优缺点12.4翻译速度12.5缺页中断处理12.6锁住页面12.7页面尺寸12.8内存抖动 第

23、 13 章页面更换算法13.1页面需要更换13.2页面更换的目标13.3随机更换算法13.4先进先出算法13.5第二次机会算法13.6时钟算法13.7最优更换算法13.8NRU 算法13.9LRU 算法13.10工作集算法13.11工作集时钟算法13.12页面替换策略 第 14 章段式内存管理14.1分页系统的缺点14.2分段管理系统14.3分段的优缺点14.4段页式内存管理14.5段号是否占用寻址字位14.6讨论:否定之否定的嵌套一一纯粹分段与逻辑分段、分 页与段页第四篇文件原理篇第 15 章磁盘操作15.1磁盘组织与管理15.2磁盘的结构15.3盘面的结构15.4磁盘驱动器的访问速度15.

24、5操作系统界面15.6磁盘调度算法第 16 章文件基础16.1为什么需要文件系统16.2什么是文件系统16.3文件系统的目标16.4文件的基本知识16.5从用户角度看文件系统16.6地址独立的实现机制 : 文件夹16.7文件系统调用16.8内存映射的文件访问第 17 章文件系统实现17.1文件系统的布局17.2文件的实现17.3目录实现 : 地址独立的实现17.4闲置空间管理 第 18 章文件系统18.1文件系统访问控制18.2主动控制 : 访问控制表18.3能力表18.4访问控制的实施18.5文件系统性能18.6提高系统性能的方法18.7文件系统设计分析 : 日志结构的文件系统18.8海量数

25、据文件系统 第五篇 I/O 原理篇 第 19 章输入输出19.1什么是输入输出19.2输入输出的目的19.3输入输出硬件19.4输入输出软件19.5I/O 软件分层第六篇多核原理篇第 20 章多核结构与内存20.1以量取胜20.2多核基本概念20.3多核的内存结构20.4对称多处理器计算机的启动过程20.5多处理器之间的通信20.6SMP缓存一致性20.7多处理器、超线程和多核的比较 第 21 章多核环境下的进程同步与调度21.1多核环境下操作系统的修正21.2多核环境下的进程同步与调度21.3多核进程同步21.4硬件原子操作21.5总线锁21.6多核环境下的软件同步原语21.7旋锁21.8其

26、他同步原语21.9多核环境下的进程调度21.10多核环境下的能耗管理21.11讨论: 多核系统的性能第七篇操作系统设计原理篇 第 22 章操作系统设计之原理122.1 操作系统设计的追求22.2 操作系统设计的第22.3 操作系统设计的第22.4 操作系统设计的第22.5 操作系统设计的第22.6 操作系统设计的第22.7 操作系统设计的第 楼之美22.8 操作系统设计的第 田之变22.9 操作系统设计的第22.10 操作系统设计的第 至简、归于永恒22.11 操作系统设计的第条哲学原理 : 层次架构2条哲学原理 : 没有对错3条哲学原理 : 懒人哲学4条哲学原理 : 让困于人5条哲学原理 :

27、 留有余地6条哲学原理 : 子虚乌有海市蜃7条哲学原理 : 时空转换沧海桑8条哲学原理 : 策机分离与权利分离9条哲学原理 : 简单为美求于10条哲学原理 : 适可而止结语6推荐指数推荐同行阅读指数:（注:以为最高。）邹恒明博士 （ 图 2）, 美国密歇根大学 （University ofMichigan-Ann Arbor） 计算机科学与工程博士、中国科学院计算 技术研究所计算机科学硕士、 华中科技大学计算机科学与工程学 士。曾先后在美国IBM、美国国家数据公司、美国朗讯、美国AT&T 贝尔实验室、美国EMC公司工作8年多。参与了 EMC公司的 Engenity存储操作系统和IBM的AIX操

28、作系统的设计与开发，并 为多家跨国公司设计过 （信息）灾难恢复解决方案。 2003 年归 国 ,2003 年 10 月加入上海交通大学 , 为学科带头人和高可靠软件 实验室负责人。 研究领域为高可靠软件设计理论、 高可用信息系 统理论、安全存储技术。 目前开设的课程有操作系统、 数据结构、 计算机组成与系统、数据库系统、算法设计与分析、高可靠软件 工程、信息灾难及灾难应对和科技英语。 专注于高可靠软件设计 基准模型、 安全自备份数据存储系统、 虚拟机信息攻防战和信息 盾技术的研究。邹恒明8 后记笔者认为 , 对一般人来说 , 操作系统之哲学原理 这本书读 起来还是很累的 , 作者在书中处处彰显其丰富的知识和跳跃的思 维, 牵动或者说拖拽着读者。 有能力的甚至会“爱不释手” ; 不喜 欢的则会感觉到“疲于奔命”。毫无疑问 , 对操作系统原理的认识和理解程度 , 是计算机专 业人士和计算机应用人员之间的一道分水岭。因此 , 对于希望更 为生动地教授本课程的教师 , 对于正在学习并希望真正掌握操作 系统原理的学生来说 , 认真阅读本书无疑是十分有益的。