01 / 導讀
導讀
引用
Arpaci-Dusseau, R. H., & Arpaci-Dusseau, A. C. (2018–2023). Operating Systems: Three Easy Pieces (version 1.10). Arpaci-Dusseau Books. Free official edition: https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/
章節概要
全書圍繞三個主題組織：虛擬化、並行和持久性。每個主題由教授與學生之間的一段簡短對話引入，隨後的各章通常以一個方框標出的「問題癥結」（crux）開頭。書的最前面是導論；三大部分之後是分散式系統部分和 Peter Reiher（加州大學洛杉磯分校）撰寫的安全章節；附錄涉及虛擬機器監控器、管程、C 語言教程和實驗構想。
第1–2章：關於本書的對話；作業系統導論
開篇對話解釋書名（向費曼的物理學講義致敬）和三個主題。第2章從馮·諾依曼模型下執行的程式出發，說明作業系統如何虛擬化 CPU 和記憶體、應對並行並持久地儲存資料。章末討論抽象、效能、保護、可靠性等設計目標，並簡述作業系統的歷史。
第3–6章：行程與受限直接執行
在虛擬化對話之後，第4章定義行程及其狀態、建立過程和相關資料結構。第5章是第一個「插曲」，講 UNIX 行程 API：fork()、wait()、exec()，以及為什麼要把它們分開。第6章解釋受限直接執行：使用者態與核心態、系統呼叫與陷入，以及時鐘中斷如何讓作業系統奪回 CPU 以進行上下文切換。
第7–11章：CPU 排程
第7章從明確的負載假設和指標（週轉時間與響應時間）出發，依次講 FIFO、最短作業優先、最短完成時間優先和輪轉，再加入 I/O。第8章分幾次嘗試逐步建立多級反饋佇列。第9章講彩票排程、步幅排程和 Linux 的完全公平排程器。第10章是關於多處理器排程的進階章節（快取親和性、單佇列與多佇列）。第11章是總結對話。
第12–17章：地址空間、地址轉換與空閒空間
第13章引入地址空間及其目標。第14章是關於 malloc() 和 free() 及常見記憶體錯誤的插曲。第15章介紹基址加界限的地址轉換，第16章將其推廣為分段，第17章討論可變大小分配所需的空閒空間管理。
第18–24章：分頁與虛擬記憶體
第18章引入分頁和頁表，第19章講 TLB，第20章講如何縮小頁表（更大的頁、混合方式、多級頁表和反向頁表）。第21、22章講交換機制和置換策略，包括 OPT、FIFO、隨機、LRU 及類似時鐘演算法的近似方法，並討論抖動。第23章描述兩個完整系統：VAX/VMS 和 Linux。第24章是總結對話。
第25–34章：並行
第26章說明執行緒的動機，並展示共享資料和不受控的排程如何產生競態。第27章是執行緒 API 插曲。第28章從硬體支援（test-and-set、compare-and-swap、load-linked/store-conditional、fetch-and-add）出發構造鎖，再加入讓出 CPU 和佇列。第29章把鎖用於並行計數器、連結串列、佇列和雜湊表。第30、31章通過生產者/消費者、讀寫鎖和哲學家就餐講條件變數和訊號量。第32章概覽非死鎖與死鎖類缺陷，第33章用 select() 和非同步 I/O 介紹基於事件的並行。第34章是總結。
第35–46章：持久性
第36章講 I/O 裝置、中斷、DMA 和裝置驅動；第37、38章講硬碟（含磁碟排程）和 RAID。第39章是檔案與目錄的插曲。第40章用 inode 和目錄構建一個簡單的檔案系統。第41章講快速檔案系統（FFS），第42章講崩潰一致性（fsck 與日誌），第43章講日誌結構檔案系統。第44章解釋基於快閃記憶體的固態硬碟，第45章講用校驗和與擦洗實現資料完整性。
第47–51章：分散式
關於分散式系統的一小組章節：通訊層與 RPC（第48章），然後是兩個分散式檔案系統案例，NFS（第49章）和 AFS（第50章）——前者圍繞無狀態伺服器和冪等操作，後者圍繞整檔案快取和回撥——以及總結對話（第51章）。
第52–57章：安全
Peter Reiher 撰寫的章節依次介紹安全目標與策略（第53章）、認證（54）、基於 ACL 與能力的訪問控制（55）、密碼學，包括公鑰方法、雜湊和靜態資料加密（56），以及用 TLS 保護分散式系統（57）。
附錄
篇幅較短的附錄講虛擬機器監控器（虛擬化 CPU 與記憶體）、作為更高層同步結構的管程（含 Java 示例）、關於編譯、除錯和構建 C 程式的教程，以及系統程式設計與 xv6 實驗的構想。
核心概念
第1–11章：CPU 虛擬化
- 行程：正在執行的程式，其狀態由作業系統儲存和恢復。
- 受限直接執行：讓程式直接在 CPU 上執行，同時作業系統通過特權模式、陷入和時鐘中斷保持控制。
- 排程指標：週轉時間與響應時間，不同的策略分別最佳化其中之一。
- 多級反饋佇列：根據歷史推斷作業行為的排程器。
第12–24章：記憶體虛擬化
- 地址空間：每個行程私有的記憶體檢視。
- 分頁與 TLB：固定大小的轉換單位，以及使之變快的硬體快取。
- 多級頁表：避免為未使用的地址空間儲存轉換項的結構。
- 頁面置換：記憶體已滿時決定淘汰什麼的策略。
第25–34章：並行
- 競態條件與臨界區：缺陷的模式，以及鎖所保護的程式碼區域。
- 條件變數與訊號量：等待並通知狀態變化的原語。
- 死鎖：由一圈相互等待構成，書中用其四個條件加以分析。
第35–46章：持久性
- inode：UNIX 式檔案系統核心的每檔案結構。
- 崩潰一致性與日誌：先寫日誌，使後設資料在崩潰後依然完好。
- 日誌結構檔案系統：把所有寫入變為順序寫入。
- 校驗和：發現靜默損壞的基本手段。
第47–57章：分散式與安全
- 冪等操作與無狀態伺服器：NFS 為便於崩潰恢復而採用的設計。
- 訪問控制列表與能力：記錄「誰可以做什麼」的兩種方式。
- 公鑰密碼學與 TLS：保護機器之間通訊的工具。
評析
優點
- 短小、以問題為驅動的章節。 幾乎每章都先提出癥結，分階段構建解決方案（如多級反饋佇列的三次嘗試和一步步改進的鎖設計），並以總結收尾。章節足夠短，可以一次讀完。
- 先講虛擬化，後講並行。 作者為把執行緒推遲到理解了地址空間、行程和上下文切換之後作了辯護；這一順序使競態的來源一目瞭然。
- 真實程式碼與可執行的作業。 示例用 C 而非虛擬碼，程式碼託管在 GitHub。許多章末有基於模擬器的作業，更換隨機種子就能產生新題，部分章節還有測量或程式設計任務。
- 歷史與出處。 各章指向原始論文並點出提出這些想法的人，適合接下來要讀研究文獻的讀者。
- 免費閱讀。 各章以 PDF 免費提供，用作教材或自學都沒有費用負擔。
侷限
- 預設前置知識。 導論預期讀者知道程式執行時發生什麼（推薦以 Patt 和 Patel，或 Bryant 和 O’Hallaron 的書作為背景），程式碼使用 C。
- 示例偏重 UNIX。 行程、檔案和執行緒 API 屬於 UNIX/POSIX，完整系統案例涉及 VAX/VMS 和 Linux 的虛擬記憶體。
- 覆蓋有所取捨。 本書遵循一種課程設計。網路協議棧、圖形、移動與嵌入式系統等主題不在其中；分散式系統與安全部分與三大主題相比較為簡短。
- 對話與幽默見仁見智。 對話可有可無，有些讀者認為可以略過。
在課程中的定位
這是通讀一門完整作業系統課程的一條精簡路徑：三個主題、短小的章節，配有相應的程式碼與作業。《Operating System Concepts》是篇幅較長、覆蓋較廣的教材，有來自多種商用系統的例子和程式設計專案；《Modern Operating Systems》是標準教材，含 Linux、Android 和 Windows 的擴充套件案例。二者對同一內容覆蓋更廣，而本書更側重以敘述方式解釋這些機制如何運作及其原因。
《How Linux Works》是一本面向真實 Linux 系統的實用指南，可作為在實機上觀察這些概念的配套讀物。《Principles of Computer System Design》並非嚴格意義上的作業系統教材，而是講貫穿作業系統、網路和容錯的設計原則；適合讀完本書後希望做概括提升的讀者。
如何使用本書
本書適合會用 C 程式設計、大致瞭解程式如何在處理器上執行的讀者，通常用於二、三年級的作業系統課程或自學。
實用安排：
- 核心： 第2章、第4–9章（CPU 虛擬化）、第13–22章（記憶體）、第26–32章（並行），以及第36–40、42章（裝置、檔案系統與崩潰一致性）。作者指出，這門課程大致可以分配到 15 周的學期中。
- 選讀或進階： 第10章（多處理器排程）、第23章、第33章（基於事件的並行）、SSD、LFS 和資料完整性各章，以及分散式系統和安全部分。
- 對話： 可用來把握方向，也可以跳過。
建議把插曲中的程式碼敲進去執行，每章之後做模擬器作業，換新的隨機種子，直到能穩定答對。想要更深入的練習，可以選做附錄中列出的系統程式設計或 xv6 專案構想。對想深入研究的主題，回頭閱讀所引用的論文。
版本與來源
本導讀依據 https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/ 上的免費線上版本。作者給出的版本為 1.00（2018 年 8 月）、1.01（2019 年 7 月）和 1.10（2023 年 10 月）；所讀章節檔案的頁首標註為 1.10 和 1.20。內容基於免費文本：前言、目錄、對話、每章的開頭與癥結，以及所有章節（含安全章節和附錄）的小節標題。