操作系统深度学习大纲
本知识库是一次从底层硬件逻辑到高层抽象机制的"重筑工程", 旨在构建系统化, 可追溯到源码级别的操作系统知识体系.
| 层次 | 教材 | 定位 |
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| 理论基础 | Operating System Concepts (Silberschatz) | 通用原理, 算法分析 |
| 理论基础 | Modern Operating Systems (Tanenbaum) | 架构思辨, 微内核视角 |
| 理论基础 | OSTEP (Arpaci-Dusseau) | 虚拟化/并发/持久化三大主题 |
| 内核实现 | Linux Kernel Development (Love) | 内核子系统实战入门 |
| 内核实现 | Understanding the Linux Kernel (Bovet & Cesati) | 源码级深度剖析 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| 操作系统定义 | 资源管理器 / 扩展机器 | OSTEP 三大抽象: 虚拟化, 并发, 持久化 |
| 系统演化 | UNIX 演化树 / 分时技术 | CTSS, MULTICS 到 Linux 的架构嬗变 |
| 内核架构 | 单体 / 微内核 / 混合 / 外核 | LKM 动态加载机制与 Unikernel 趋势 |
| CPU 保护模式 | Ring 0-3 / GDT / TSS | 特权级切换时的硬件上下文保存机制 |
| ARM 异常级别 | EL0 / EL1 / EL2 / EL3 | TrustZone 安全架构与虚拟化扩展 |
| 系统启动流程 | BIOS / UEFI → Bootloader → Kernel | start_kernel() 初始化序列与模式切换机制 |
| 安全执行环境 | TEE / TrustZone / SGX | 硬件级安全隔离与受信执行环境 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| 异常分类 | Interrupt / Trap / Fault / Abort | 同步 vs 异步, 异常栈切换与逻辑陷阱 |
| 中断架构 | Local APIC / I/O APIC / MSI-X | 中断亲和性 (Irq Affinity) 与硬件隔离 |
| 中断流转 | 上半部 / 下半部 (NAPI) | 中断上下文禁忌与软中断 (softirq) 调度 |
| 系统边界 | syscall / VDSO | 模式切换损耗与快速系统调用指令 |
| 动态追踪 | Kprobes / Uprobes / eBPF | 运行时指令替换技术与无损观测 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| 进程抽象 | 进程映像 / PCB | task_struct 核心字段与状态转换机 |
| 执行流控制 | fork / clone / vfork / exec | 写时复制 (COW) 机制与共享资源控制标志 |
| 线程模型 | NPTL / Kernel Threads | 1:1 模型实现与 do_exit 资源回收 |
| EEVDF 调度器 | 虚拟截止时间 / 延迟控制 | Linux 6.6+ 核心调度器原理与 CFS 差异 |
| 调度器演进 | O(1) / CFS / EEVDF | 虚拟运行时间 (vruntime) 与滞后 (lag) 补偿 |
| 资源隔离 | Cgroups v2 / Namespaces | CPU 份额限制, PSI 压力指标与容器化基础 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| 硬件原语 | TAS / CAS / LL-SC / Barrier | 内存屏障 (smp_mb) 与缓存一致性影响 |
| 自旋锁机制 | Spinlock / Reader-Writer | 自旋等待与 CPU 缓存行争用 |
| 高级同步 | Semaphores / Mutex / futex | 睡眠唤醒机制, 内核等待队列与优先级继承 |
| 无锁并发 | RCU (Read-Copy-Update) | 读端零开销, 宽限期 (Grace Period) 与回收 |
| 死锁治理 | Coffman 条件 / Banker 算法 | lockdep 静态依赖检测与动态图分析 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| 虚拟地址抽象 | 多级页表 / 5-level Paging | CR3 切换开销与 TLB Shootdown 机制 |
| 物理分配器 | Buddy / SLUB / Per-CPU | 缓存着色 (Cache Coloring) 与内存回收 |
| 内存压缩/交换 | zram / zswap / MGLRU | Google 多代 LRU 算法与性能收益分析 |
| 分级存储治理 | Tiered Memory / CXL / Folios | Linux Folios 抽象与跨节点内存迁移优化 |
| 内存回收与治理 | MGLRU / PSI / Userfaultfd | 压力指标监控与用户态缺页异常处理机制 |
| 内核安全机制 | KASLR / CET / KPTI | 防御侧信道攻击与控制流完整性加固 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| VFS 统一封装 | dentry cache / inode 索引 | 路径查找冲突与 RCU 路径检索优化 |
| 文件系统实现 | ext4 / XFS | Extent Tree 结构与日志 (JBD2) 机制 |
| 高性能 I/O | io_uring / Zero-Copy | Completion Queue 机制与内存环同步 |
| 块层演变 | Multi-queue (blk-mq) | 解决 NVMe 下的单队列锁竞争瓶颈 |
| 一致性保障 | Journaling / CoW / FSCK | 原子提交机制与崩溃恢复一致性链条 |
| 主题 | 知识点 | 底层深度内容 |
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| CPU 虚拟化 | VT-x / SVM / ARM EL2 | 多架构支持 (Intel/AMD/ARM) 与根模式切换 |
| 内存虚拟化 | EPT (Extended Page Table) | 影子页表 vs 硬件辅助地址转换 |
| I/O 虚拟化 | VirtIO / IOMMU / SR-IOV | 半虚拟化后端协议与网卡穿透直连 |
| 容器底层 | Namespace / Cgroups / Rootfs | 视图隔离,资源限制与联合文件系统 (OverlayFS) |
| 运行时架构 | containerd / Kata Container | 跨特权级隔离与安全容器 MicroVM 演进 |
阶段 1: 基础构建 (2-3 周)
├── M1 处理器架构 - 理解 CPU 运行模式, 启动自举与 TEE
└── M2 交互边界 - 掌握中断陷阱, 动态追踪与系统接口
阶段 2: 核心机制 (4-6 周)
├── M3 任务调度 - EEVDF 调度算法, 执行流抽象与 Cgroups
├── M4 同步机制 - 并发语义, 硬件原语 RCU 与屏障
└── M5 存储治理 - 分级存储, Folios 抽象与物理分配
阶段 3: 持久化与 I/O (2-3 周)
├── M6 持久化抽象 - VFS 架构, ext4 与 io_uring 实战
└── M7 基础设施 - 硬件虚拟化, 容器底层机制与 SR-IOV
阶段 4: 实践进阶 (持续)
├── 内核源码阅读 (结合 LXR 或 Bootlin Elixir)
├── 编写内核模块与 eBPF 控制台工具
└── 性能调优 (perf, ftrace, bpftrace)
| 项目 | 说明 |
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| 语言 | 中文正文, 专业术语附英文原文 |
| 标点 | 全文使用英文标点符号 |
| 代码 | 关键函数/结构体使用 等宽字体 |
| 引用 | 教材引用格式: 斜体书名 + 章节号 |
| 流程图 | 使用 Mermaid 绘制 |
