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本书首先回顾了与全书其他内容切实相关的UNIX系统内幕。回顾的目的是增进读者对UNIX操作系统概念的了解，并且定义随后使用的术语。本书接下来的内容分为3个部分。部分“高速缓存存储系统”介绍了高速缓存体系结构、术语和概念，详细考察了4种常见的高速缓存实现——3种虚拟高速缓存的变体和物理高速缓存。第二部分“多处理机系统”讨论了调整单处理机内核的实现，使之适合于紧密耦合、共享存储多处理机上运行时所面临的问题和设计事宜，还研究了几种不同的实现。后一部分介绍多处理机高速缓存一致性，这一部分通过研究高速缓存加入到一个紧密耦合、共享存储器多处理机系统时出现在操作系统和高速缓存体系结构上的问题，从而将前两个部分的内容结合到一起。

本书适合于大学计算机及相关专业高年级本科生或者研究生使用。每一章都包含有一组练习题，问题都需要采用这一章所提供的信息以及一些额外学到的知识来解答，习题大都建立在这一章中所出现的例子的基础之上。在本书的末尾有选择地给出了习题的答案。

第1章 回顾UNIX内核原理　1

1.1 引言　1

1.2 进程、程序和线程　2

1.3 进程地址空间　4

1.3.1 地址空间映射　5

1.4 现场切换　6

1.5 存储管理和进程管理的系统调用　7

1.5.1 系统调用fork　7

1.5.2 系统调用exec　9

1.5.3 系统调用exit　10

1.5.4 系统调用sbrk和brk　10

1.5.5 共享存储　10

1.5.6 输入输出操作　11

1.5.7 映射文件　11

1.6 小结　11

1.7 习题　12

1.8 进一步的读物　13

部分 高速缓存存储系统

第2章 高速缓存存储系统概述　17

2.1 存储器层次结构　17

2.2 高速缓存基本原理　19

2.2.1 如何存取高速缓存　19

2.2.2 虚拟地址还是物理地址　21

2.2.3 搜索高速缓存　21

2.2.4 替换策略　22

2.2.5 写入策略　22

2.3 直接映射高速缓存　25

2.3.1 直接映射高速缓存的散列算法　26

2.3.2 直接映射高速缓存的实例　28

2.3.3 直接映射高速缓存的缺失处理和替换策略　30

2.3.4 直接映射高速缓存的总结　31

2.4 双路组相联高速缓存　32

2.4.1 双路组相联高速缓存的总结　33

2.5 n路组相联高速缓存　34

2.6 全相联高速缓存　34

2.7 n路组相联高速缓存的总结　35

2.8 高速缓存冲洗　35

2.9 无高速缓存操作　36

2.10 独立的指令高速缓存和数据高速缓存　37

2.11 高速缓存的性能　38

2.12 如何区分不同的高速缓存结构　39

2.13 习题　40

2.14 进一步的读物　42

第3章 虚拟高速缓存　45

3.1 虚拟高速缓存的操作　45

3.2 虚拟高速缓存的问题　47

3.2.1 歧义　47

3.2.2 别名　48

3.3 管理虚拟高速缓存　51

3.3.1 现场切换　51

3.3.2 fork　52

3.3.3 exec　54

3.3.4 exit　54

3.3.5 brk和sbrk　55

3.3.6 共享存储器和映射文件　55

3.3.7 输入输出　56

3.3.8 用户-内核数据的歧义　59

3.4 小结　60

3.5 习题　60

3.6 进一步的读物　62

第4章 带有键的虚拟高速缓存　63

4.1 带有键的虚拟高速缓存的操作　63

4.2 管理带有键的虚拟高速缓存　64

4.2.1 现场切换　64

4.2.2 fork　65

4.2.3 exec　67

4.2.4 exit　68

4.2.5 brk和sbrk　68

4.2.6 共享存储和映射文件　68

4.2.7 输入输出　71

4.2.8 用户-内核数据的歧义　71

4.3 在MMU中使用虚拟高速缓存　71

4.4 小结　72

4.5 习题　73

4.6 进一步的读物　74

第5章 带有物理地址标记的虚拟高速缓存　75

5.1 带有物理标记的虚拟高速缓存的组成　75

5.2 管理带有物理标记的虚拟高速缓存　78

5.2.1 现场切换　78

5.2.2 fork　78

5.2.3 exec　79

5.2.4 exit　79

5.2.5 brk和sbrk　80

5.2.6 共享存储和映射文件　80

5.2.7 输入输出　80

5.2.8 用户-内核数据的歧义　80

5.3 小结　81

5.4 习题　81

5.5 进一步的读物　82

第6章 物理高速缓存　83

6.1 物理高速缓存的组成　83

6.2 管理物理高速缓存　85

6.2.1 现场切换　85

6.2.2 fork　85

6.2.3 exec、exit、brk和sbrk　85

6.2.4 共享存储和映射文件　86

6.2.5 用户-内核数据的歧义　86

6.2.6 输入输出和总线监视　86

6.3 多级高速缓存　91

6.3.1 带有次级物理高速缓存的主虚拟高速缓存　92

6.3.2 带有物理标记的主虚拟高速缓存和次级物理高速缓存　93

6.4 小结　95

6.5 习题　95

6.6 进一步的读物　96

第7章 高效的高速缓存管理技术　98

7.1 引言　98

7.2 地址空间布局　98

7.2.1 虚拟索引的高速缓存　98

7.2.2 动态地址绑定　101

7.2.3 物理索引高速缓存　103

7.3 受限于高速缓存大小的冲洗操作　104

7.4 滞后的高速缓存无效操作　104

7.4.1 带有键的虚拟高速缓存　105

7.4.2 没有总线监视机制的物理标记高速缓存　106

7.5 按高速缓存对齐数据结构　106

7.6 小结　108

7.7 习题　109

7.8 进一步的读物　110

第二部分 多处理机系统

第8章 多处理机系统概述　113

8.1 引言　113

8.1.1 MP操作系统　114

8.2 紧密耦合、共享存储的对称多处理机　115

8.3 MP存储器模型　116

8.3.1 顺序存储模型　117

8.3.2 原子读和原子写　117

8.3.3 原子读-改-写操作　119

8.4 互斥　121

8.5 回顾单处理机Unix系统上的互斥　123

8.5.1 短期互斥　123

8.5.2 和中断处理程序的互斥　123

8.5.3 长期互斥　124

8.6 在MP上使用UP互斥策略的问题　126

8.7 小结　127

8.8 习题　128

8.9 进一步的读物　130

第9章 主从处理机内核　132

9.1 引言　132

9.2 自旋锁　133

9.3 死锁　134

9.4 主从处理机内核的实现　136

9.4.1 运行队列的实现　136

9.4.2 从处理器的进程选择　139

9.4.3 主处理器的进程选择　140

9.4.4 时钟中断处理　140

9.5 性能考虑　141

9.5.1 主从处理机内核的改进　142

9.6 小结　142

9.7 习题　143

9.8 进一步的读物　145

第10章 采用自旋锁的内核　147

10.1 引言　147

10.2 巨型上锁　147

10.3 不需要上锁的多线程情况　149

10.4 粗粒度上锁　150

10.5 细粒度上锁　152

10.5.1 短期互斥　152

10.5.2 长期互斥　153

10.5.3 和中断处理程序的互斥　154

10.5.4 锁的粒度　155

10.5.5 性能　156

10.5.6 内核抢先　157

10.6 sleep和wakeup对多处理机的影响　157

10.7 小结　158

10.8 习题　159

10.9 进一步的读物　162

第11章 采用信号量的内核　164

11.1 引言　164

11.1.1 采用信号量的互斥　165

11.1.2 采用信号量的同步　165

11.1.3 采用信号量分配资源　166

11.2 死锁　166

11.3 实现信号量　167

11.4 粗粒度信号量的实现　170

11.5 采用信号量的多线程　171

11.5.1 长期互斥　171

11.5.2 短期互斥　172

11.5.3 同步　172

11.6 性能考虑　173

11.6.1 测量锁争用　173

11.6.2 结对　174

11.6.3 多读锁　176

11.7 小结　180

11.8 习题　180

11.9 进一步的读物　181

第12章 其他MP原语　184

12.1 引言　184

12.2 管程　184

12.3 事件计数和定序器　186

12.4 SVR4.2 MP的MP原语　188

12.4.1 自旋锁　188

12.4.2 睡眠锁　190

12.4.3 同步变量　191

12.4.4 多读锁　193

12.5 比较MP同步原语　194

12.6 小结　196

12.7 习题　197

12.8 进一步的读物　197

第13章 其他存储模型　200

13.1 引言　200

13.2 Dekker算法　201

13.3 其他存储模型　202

13.4 TSO　204

13.5 PSO　208

13.6 作为存储层次结构一部分的store缓冲　210

13.7 小结　210

13.8 习题　211

13.9 进一步的读物　211

第三部分 带有高速缓存的多处理机系统

第14章 MP高速缓存一致性概述　217

14.1 引言　217

14.2 高速缓存一致性问题　219

14.3 软件高速缓存一致性　221

14.3.1 共享数据不被高速缓存　222

14.3.2 有选择性地冲洗高速缓存　224

14.3.3 处理其他存储模型　227

14.4 小结　227

14.5 习题　228

14.6 进一步的读物　229

第15章 硬件高速缓存一致性　233

15.1 引言　233

15.2 写-使无效协议　235

15.2.1 写直通-使无效协议　235

15.2.2 写一次协议　236

15.2.3 MESI协议　238

15.3 写-更新协议　239

15.3.1 Firefly协议　239

15.3.2 MIPS R4000 更新协议　240

15.4 读-改-写操作的一致性　240

15.5 多级高速缓存的硬件一致性　242

15.6 其他主要的存储体系结构　243

15.6.1 交叉开关互连　243

15.6.2 基于目录的硬件高速缓存一致性　245

15.7 对软件的影响　246

15.8 非顺序存储模型的硬件一致性　248

15.9 软件的性能考虑　249

15.9.1 数据结构在高速缓存内对齐　249

15.9.2 在获得自旋锁时减少对高速缓存行的争用　250

15.9.3 一致性协议与数据用途相匹配　251

15.10 小结　252

15.11 习题　253

15.12 进一步的读物　254

附录A 体系结构汇总　259

附录B 部分习题的答案　265

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要读取完整的一行，高速缓存可能需要额外的存储器周期，也可能不需要，这取决于主存储系统的设计。为了获得最佳性能，主存储系统应该以高速缓存行的大小为单元传送数据，这称为突发模式(burst mode)的传送.

将指令缓存与数据缓存分离，能够有效地使高速缓存的带宽加倍。

考虑使用自身能够修改代码的程序的情形，比如LISP解释器... 虽然可能让系统中的硬件自动保持指令高速缓存和数据高速缓存的同步，但是却很少这样做。

书籍介绍

本书首先回顾了与全书其他内容切实相关的UNIX系统内幕。回顾的目的是增进读者对UNIX操作系统概念的了解，并且定义随后使用的术语。本书接下来的内容分为3个部分。第一部分“高速缓存存储系统”介绍了高速缓存体系结构、术语和概念，详细考察了4种常见的高速缓存实现——3种虚拟高速缓存的变体和物理高速缓存。第二部分“多处理机系统”讨论了调整单处理机内核的实现，使之适合于紧密耦合、共享存储多处理机上运行时所面