本书以提升读者的系统能力为目标，构建以工程案例为主线的层层递进的学习路径，通过“文件整理”“矩阵乘法”等实际问题，逐步引入进程、线程、虚拟内存、I/O等操作系统概念，以及cache、指令流水等底层细节，并通过编程实践、观察测量等方法将抽象的知识具象展示出来，再融入调试工具、版本管理、数据分析等系统开发常用的工程技术手段的介绍，使读者深入理解操作系统，并充分利用操作系统的特点，优化系统性能。本书适合作为高校计算机类相关专业操作系统课程的教材或实践教材，也适合对操作系统感兴趣的读者和技术人员阅读。

宫晓利
南开大学计算机学院、网络空间安全学院教授，博士生导师，物联网工程系主任，系统与网络研究所副所长，研究方向为操作系统、物联网、异构计算系统等。曾获天津市教学成果特等奖，天津市科技进步二等奖，天津市课程思政教学名师。主讲课程获评国家级一流本科课程。发表高水平论文20余篇。
张金
南开大学网络空间安全学院教授，博士生导师。曾获天津市教学成果特等奖，天津市科技进步一、二等奖，教育部宝钢优秀教师奖，教育部华为优秀教师奖，教育部专业学位案例库项目首席专家，天津市课程思政教学名师，天津市工程专业学位优秀指导教师，天津市科普大使。主讲课程获评国家级一流本科课程，天津市高校课程思政示范课程，天津市创新创业示范课程，天津市工程专业学位优秀课程。
高小鹏
北京航空航天大学计算机学院教授，北京市教学名师，国家级一流本科课程“计算机组成”负责人，教育部计算机类专业系统能力课程群虚拟教研室负责人。获国家级教学成果二等奖2项。现任教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会委员、副秘书长，教育部计算类专业系统能力培养研究专家组主任，全国大学生计算机系统能力大赛组委会主任，信息技术新工科产学研联盟秘书长。

目　　录<br />丛书序<br />前言<br />第一部分　基础知识<br />第1章　绪论　2<br />1.1　对操作系统的感性认知　2<br />1.2　常见的操作系统　2<br />1.2.1　Windows　3<br />1.2.2　macOS　5<br />1.2.3　Linux及其衍生系统　10<br />1.2.4　HarmonyOS　16<br />1.3　操作系统的发展历史　16<br />1.3.1　批处理系统　16<br />1.3.2　多道程序、分时复用和进程　17<br />1.3.3　现代个人计算机　17<br />1.4　操作系统为用户提供的交互方式　17<br />1.4.1　图形用户界面　18<br />1.4.2　命令行终端　22<br />1.4.3　系统API　24<br />1.5　操作系统支持的典型开发模式　25<br />1.5.1　shell编程　25<br />1.5.2　Python编程　26<br />1.5.3　C语言编程　27<br />1.5.4　程序性能优化　28<br />1.6　操作系统的代价　30<br />第二部分　基础实验<br />第2章　批量文件重命名　34<br />2.1　shell是什么　34<br />2.2　进入shell的方式　35<br />2.3　shell的原理　35<br />2.4　shell命令的功能　36<br />2.5　利用shell进行编程　37<br />2.5.1　shell的输入/输出　37<br />2.5.2　变量　38<br />2.5.3　在shell中进行文件重命名　39<br />2.5.4　循环与通配符　40<br />2.6　shell脚本　41<br />2.6.1　执行shell脚本　42<br />2.6.2　调试shell脚本　44<br />2.7　操作系统的运行权限管理　45<br />2.8　任务实现　46<br />2.9　shell编程扩展　46<br />第3章　正则表达式与文本内容过滤　47<br />3.1　shell编程中的字符串　48<br />3.1.1　字符串的声明　48<br />3.1.2　计算字符串的长度　49<br />3.1.3　字符串的拼接　50<br />3.1.4　字符串的截取　50<br />3.2　正则表达式　51<br />3.2.1　普通字符　52<br />3.2.2　特殊字符　52<br />3.2.3　限定符　52<br />3.2.4　运算符优先级　53<br />3.3　shell中的文件操作　54<br />3.4　文本处理任务的实现　57<br />3.5　Linux中的定时任务　58<br />3.5.1　何谓定时任务　58<br />3.5.2　实现定时任务的工具　58<br />3.5.3　Cron的原理　59<br />3.5.4　Cron的使用　59<br />3.6　Linux中的服务管理　62<br />3.7　延伸阅读　62<br />3.7.1　独立服务的管理　63<br />3.7.2　基于xinetd服务的管理　63<br />3.7.3　源码包服务的管理　63<br />第4章　单个大规模文件的处理　64<br />4.1　文件读写相关的系统调用　67<br />4.1.1　read的原理分析　67<br />4.1.2　write的原理分析　68<br />4.1.3　任务实现　68<br />4.1.4　延伸阅读：GDB、makef?ile的用法　69<br />4.1.5　使用读写接口产生的内存<br />消耗　74<br />4.2　内存映射相关的系统调用　74<br />4.2.1　mmap的原理　75<br />4.2.2　缺页异常的处理过程　77<br />4.2.3　利用user page fault handler/<br />eBPF的观测分析　78<br />4.2.4　任务实现　84<br />4.2.5　延伸阅读：中断事件过程<br />分析　84<br />4.3　虚拟内存的管理机制　85<br />4.3.1　内存资源的观测　86<br />4.3.2　内存的分配与回收方法　86<br />第5章　多进程与多线程　89<br />5.1　Linux的进程管理　89<br />5.1.1　Linux的进程模型　89<br />5.1.2　阻塞式系统调用　90<br />5.2　多进程协作的编程模式　91<br />5.2.1　进程管理的系统调用　91<br />5.2.2　进程间通信协作的方式　95<br />5.2.3　任务实现　97<br />5.2.4　共享内存的管理　99<br />5.2.5　多进程的资源消耗　100<br />5.3　多线程协作的编程模式　101<br />5.3.1　线程　101<br />5.3.2　多核心任务调度　102<br />5.4　线程的编程接口　102<br />5.4.1　pthread线程库的线程API　103<br />5.4.2　线程同步的API　104<br />5.4.3　任务实现　107<br />5.5　多进程和多线程的对比　109<br />5.6　延伸阅读：线程的软硬件发展　110<br />5.6.1　硬件支持的上下文　110<br />5.6.2　硬件支持的原子指令　111<br />5.6.3　快速系统调用　111<br />第6章　多机协作处理　113<br />6.1　网络编程　113<br />6.1.1　socket()函数　114<br />6.1.2　bind()和connect()函数　116<br />6.1.3　listen()和accept()函数　117<br />6.1.4　send()函数　118<br />6.1.5　recv()函数　119<br />6.2　基础任务实现　119<br />6.2.1　初始化套接字　120<br />6.2.2　建立连接　121<br />6.2.3　传输数据　122<br />6.2.4　调用命令　122<br />6.3　多机协作的任务实现　122<br />6.3.1　实现细节　122<br />6.3.2　分布式通信协议　124<br />6.3.3　协议的实现　124<br />6.4　异常处理　126<br />6.4.1　操作系统的异常处理<br />机制　127<br />6.4.2　C++中的异常处理机制　128<br />6.5　延伸阅读：MapReduce的设计<br />理念　131<br />6.6　分布式系统与单一系统　132<br />第三部分　进阶实验<br />第7章　Python矩阵乘法　136<br />7.1　矩阵乘法的Python实现　136<br />7.1.1　神经网络中的矩阵乘法　136<br />7.1.2　Python实现　138<br />7.2　计时方法：函数调用　142<br />7.3　性能分析　142<br />7.4　Python的解释执行机制　144<br />第8章　C矩阵乘法　147<br />8.1　矩阵乘法的C语言实现　147<br />8.1.1　编译执行机制　147<br />8.1.2　编译器的工作流程　148<br />8.1.3　编译器的代码优化　149<br />8.2　编译器中的优化选项　156<br />8.3　性能分析　157<br />第9章　面向cache的优化　160<br />9.1　基础知识　160<br />9.1.1　存储体系结构　160<br />9.1.2　cache的工作原理　161<br />9.1.3　行主序与列主序　164<br />9.2　面向cache优化矩阵乘法　164<br />9.2.1　交换循环顺序　165<br />9.2.2　分块矩阵乘法　168<br />9.3　性能分析　170<br />9.3.1　高精度计时方法　170<br />9.3.2　perf工具　171<br />9.3.3　评价指标　173<br />9.3.4　性能对比结果　174<br />9.4　延伸阅读：进一步提升cache<br />利用率的方法　176<br />第10章　多线程优化　179<br />10.1　多线程的矩阵乘法实现　179<br />10.1.1　矩阵分块方法　180<br />10.1.2　多线程实现矩阵乘法　180<br />10.2　并行化程序的设计思路　182<br />10.2.1　需求分析与算法确定　183<br />10.2.2　工作分解　183<br />10.2.3　选择编程模型　183<br />10.2.4　性能检查及优化　184<br />10.3　性能分析　185<br />10.3.1　选择工作负载　185<br />10.3.2　加速比的计算　185<br />10.3.3　算术平均和几何平均　186<br />10.4　并行化程序的优化　187<br />10.4.1　优化方案：调整线程数量　187<br />10.4.2　优化方案：改变矩阵划分<br />方法　189<br />10.4.3　看似正确的优化方案　194<br />10.4.4　锁的实现　195<br />10.5　延伸阅读　196<br />10.5.1　缓存一致性协议　196<br />10.5.2　多线程编程—OpenMP　196<br />10.5.3　benchmark的制定　200<br />第11章　面向硬件加速器的优化　203<br />11.1　SIMD指令的原理　203<br />11.2　任务实现：基于SIMD指令的<br />矩阵乘法　207<br />11.3　延伸阅读：面向SIMD的编译优化和智能优化　212<br />11.4　加速器的工作原理（以GPU<br />为例）　213<br />11.5　任务实现：基于OpenCL的矩阵<br />乘法　217<br />11.6　性能分析　229<br />11.7　数据分段分析　233<br />11.8　延伸阅读：设备间数据一致性<br />维护与CXL协议　235<br />