本书从操作系统核心组件的关键发展与技术演进出发，围绕资源抽象与管理调度、同步并发与控制、内存管理系统、新型存储设备与驱动优化、新型与分布式存储系统等五部分，重点介绍近年来在软件架构改变、云化需求增加、新型硬件发展等背景下操作系统的前沿技术。读者在学习和掌握操作系统基础理论知识的基础上，可通过本书进一步了解操作系统发展的新需求、新机遇和新挑战，并结合学术界和工业界的最新工作进展，建立操作系统的技术发展前沿知识体系。 本书既适合高校计算机及相关专业研究生及学有余力的高年级本科生和研究生作为操作系统课程的教材，也适合操作系统领域的研究人员和技术人员学习。

包云岗，中科院计算所副所长，研究员，先进计算机系统研究中心主任，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中国开放指令生态（RISC-V）联盟秘书长。研究方向是计算机系统结构，包括数据中心体系结构、处理器芯片敏捷设计、开源芯片生态等。担任国家重点研发计划、自然基金委、中科院战略性先导科技专项、计算所-华为战略合作项目等重大项目及课题负责人，主持研制多款达到国际先进水平的系统，包括访存监控系统HMTT、标签化体系结构Labeled RISC-V原型芯片、面向芯片敏捷设计的RISC-V系统级原型验证服务SERVE平台等，相关技术已在华为、阿里、Intel等国内外企业应用。在国际会议期刊发表了50余篇论文，活跃于国际计算机体系结构学术前沿，长期受邀担任ASPLOS、ISCA、MICRO、SC等CCF-A类国际顶级会议程序委员会委委员，担任IEEE MICRO专刊特邀客座编辑、国际顶级论坛Dagstuhl Seminar共同主席。

出版说明
前言
第一部分　操作系统架构篇
第1章　单机操作系统　3
1.1　宏内核和微内核　3
1.2　虚拟化管理软件架构　4
1.2.1　虚拟化概述　5
1.2.2　系统虚拟化　5
1.2.3　NoHype架构　8
1.3　越来越小：定制剪裁操作系统　8
1.3.1　用户定制　8
1.3.2　应用定制　9
1.3.3　容器技术　11
1.4　可扩展性：分离式和多内核　11
1.4.1　可扩展性　11
1.4.2　分离式操作系统　12
1.4.3　众核操作系统　13
1.5　微秒级操作系统架构　16
1.5.1　微秒级操作系统的挑战　17
1.5.2　用户态协议栈架构　18
1.5.3　多延迟敏感应用下的系统架构　19
1.5.4　混合部署应用下的系统架构　19
1.6　异构操作系统　21
1.6.1　异构硬件的发展　22
1.6.2　异构硬件的管理　23
1.6.3　异构硬件的负载　25
1.7　实时操作系统　27
1.7.1　实时任务模型　27
1.7.2　实时调度　29
1.7.3　实时操作系统的优化设计　31
1.8　本章小结　34
习题　34
第2章　分布式与云操作系统　35
2.1　分布式操作系统　35
2.1.1　单体调度　35
2.1.2　两层调度　36
2.1.3　共享状态调度　37
2.1.4　分布式调度　38
2.2　领域专用调度系统　38
2.2.1　大数据管理系统　38
2.2.2　深度学习系统　39
2.3　本章小结　43
习题　43
第二部分　计算管理篇
第3章　单机计算管理　47
3.1　CPU程序计算过程　47
3.1.1　指令的执行　47
3.1.2　进程　49
3.1.3　线程　52
3.2　CPU时钟中断处理　54
3.2.1　时钟中断与定时器　54
3.2.2　进程调度算法　56
3.3　多核与多处理器　58
3.3.1　多核　58
3.3.2　多处理器与NUMA　59
3.3.3　多核调度　60
3.3.4　核心绑定　63
3.3.5　缓存一致性　65
3.4　GPU管理　68
3.4.1　GPU的工作原理　69
3.4.2　多任务共享GPU　72
3.4.3　虚拟化GPU　75
3.4.4　GPU调度　76
3.5　DPU管理　78
3.5.1　什么是DPU　78
3.5.2　从智能网卡到DPU　79
3.5.3　DPU的架构　79
3.5.4　DPU的数据通道　81
3.5.5　计算加速　82
3.6　异构　84
3.6.1　片内异构：大小核　84
3.6.2　节点内异构　89
3.7　本章小结　93
第4章　分布式与云计算管理　94
4.1　计算虚拟化　94
4.1.1　CPU虚拟化　94
4.1.2　容器　96
4.1.3　安全容器　97
4.1.4　WASM　 101
4.2　IaaS计算管理　106
4.2.1　IaaS概述　107
4.2.2　虚拟机调度　109
4.2.3　计算干扰　109
4.2.4　混合部署　113
4.3　PaaS计算管理　114
4.3.1　从IaaS到PaaS　115
4.3.2　自动扩缩容　117
4.3.3　冷启动管理　119
4.3.4　中间数据传递　122
4.4　本章小结　124
第三部分　内存管理篇
第5章　单机内存管理　126
5.1　内存管理的基础知识　126
5.1.1　进程虚拟地址空间　127
5.1.2　内存地址翻译　130
5.1.3　物理内存空间管理　133
5.2　异构内存管理　140
5.2.1　NUMA架构访存　141
5.2.2　非易失内存　142
5.2.3　其他异构内存硬件　144
5.2.4　分层内存管理　146
5.2.5　跨设备访问　148
5.3　地址翻译加速技术　151
5.3.1　增加TLB命中率　151
5.3.2　增大TLB覆盖率　155
5.3.3　其他TLB优化　156
5.3.4　页表遍历优化　160
5.3.5　新型地址翻译方式　163
5.4　高级虚存管理　166
5.4.1　TLB一致性　166
5.4.2　物理内存管理　169
5.4.3　虚拟内存衍生功能　174
5.5　本章小结　177
习题　178
第6章　分布式与云内存管理　180
6.1　分布式共享内存　180
6.1.1　缓存一致性　182
6.1.2　内存一致性　186
6.1.3　分布式共享内存系统实例　190
6.2　内存池化　193
6.2.1　基本概念　193
6.2.2　快速通信技术　195
6.2.3　内存池访问接口　197
6.2.4　容错设计　199
6.3　内存虚拟化　202
6.3.1　内存虚拟化机制　203
6.3.2　面向虚拟化的地址翻译技术　204
6.3.3　内存资源隔离机制　208
6.3.4　实例：VMware ESX Server虚拟
内存管理　212
6.4　本章小结　215
习题　216
第四部分　存储管理篇
第7章　单机存储管理　218
7.1　文件系统的基础知识　218
7.1.1　文件和目录　219
7.1.2　磁盘布局管理　221
7.1.3　I/O栈　222
7.1.4　日志和可靠性　223
7.1.5　日志结构布局　223
7.2　新型存储设备　224
7.2.1　现有固态硬盘的问题　224
7.2.2　新型固态硬盘的发展　225
7.2.3　新型非易失存储器的发展　228
7.2.4　新型存储设备对文件系统
的影响　228
7.3　异构存储设备管理　230
7.3.1　异构存储设备架构　230
7.3.2　数据冷热识别　231
7.3.3　基于异构存储的缓存技术　234
7.3.4　基于异构存储的文件系统　238
7.4　基于新型存储设备的文件系统　239
7.4.1　面向高速设备的I/O栈　240
7.4.2　元数据扩展性　240
7.4.3　用户态文件系统　241
7.4.4　设备内文件系统　249
7.4.5　计算下放与I/O栈重构　250
7.5　本章小结　252
习题　253
第8章　分布式与云存储管理　254
8.1　集群存储技术　254
8.1.1　存储区域网络技术　254
8.1.2　网络连接存储技术　257
8.2　分布式存储管理　259
8.2.1　分布式存储系统的架构　260
8.2.2　数据分片与放置　261
8.2.3　数据可靠性保证　262
8.2.4　元数据管理　266
8.2.5　实例：开源分布式对象存储系统
Ceph　270
8.3　云存储管理　280
8.3.1　存算分离架构　280
8.3.2　云存储的服务质量管理　281
8.3.3　云存储的发展趋势　287
8.4　本章小结　290
习题　290