操作系统(第2版）

操作系统是计算机系统中必不可少的系统软件。一方面，它能有效地管理计算机的各个功能部件，使之正常运转； 另一方面，它给用户提供了一个方便灵活、安全可靠的工作环境。对于普通的计算机用户，操作系统是一个操作环境，是执行各种应用程序的一个平台，用户可以在它上面编辑文档、上网聊天、播放视频等。而对于程序员，操作系统则是一组抽象的应用程序编程接口，程序员可以利用这些接口函数来编写丰富多彩的应用程序。因此，了解操作系统的基本原理，能够帮助人们更好地使用计算机，更好地编写应用程序。
“操作系统”是计算机专业的一门核心课程，包含许多重要的专业基础知识。然而，由于它的内容较为单调枯燥、晦涩难懂，使得不少学生对它望而生畏、敬而远之。如何来解决这个问题呢？我们认为，关键还是在于教师的正确引导，在于有一本好的教材，能够以生动活泼、通俗易懂的方式来阐述复杂的原理概念，把晦涩难懂的知识点真正讲清楚、讲明白。事实上，难懂只是一个结果，其原因还是没有讲清楚。本书的作者具有丰富的教学经验，曾经荣获霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、北京市高校青年教师教学基本功比赛一等奖、宝钢优秀教师奖、清华大学青年教师教学优秀奖、清华大学清韵烛光届“我喜爱的教师”评选活动“十佳教师”等奖项和荣誉，对教学规律、课程内容和学生的特点有深入的理解，这对于教材的编写毫无疑问是大有裨益的。
本书遵循操作系统课程的教学大纲要求，内容共分为6章。第1章是操作系统概述，主要介绍操作系统的基本概念、发展历史和运行环境； 第2章是进程管理，主要介绍进程和线程的基本概念、进程间通信、经典的进程间通信问题以及进程调度； 第3章是死锁，主要介绍死锁的基本概念、死锁的检测和解除、死锁的避免及预防； 第4章是存储管理，主要介绍单道程序存储管理、分区存储管理、页式和段式存储管理以及虚拟存储技术； 第5章是I/O设备管理，主要介绍I/O硬件、I/O控制方式、I/O软件以及外部存储设备； 第6章是文件系统，主要介绍文件的基本概念、目录的基本概念以及文件系统的实现。另外，为了配合课程的内容，在每一章的末尾都附有大量的习题，以便读者及时地复习相关内容。本书还提供教学课件和教学大纲等资源，读者可从清华大学出版社官网下载。作者为书中部分内容录制了教学视频，请读者先扫描封底刮刮卡内二维码，再扫描书中章节对应二维码，即可观看视频。
本书是清华大学本科生课程“操作系统”的教材，该课程已经实施了十多年的时间。在教学实践过程中，我们根据各方面的反馈情况，不断地进行更新和完善，目前已进入了较为成熟和稳定的阶段。同时，这门课程也得到了学生的认可，取得了较好的成绩。在历届的教学评估中，曾多次进入了全校的前5%。
2012年本书的第1版问世，受到了广大读者的欢迎，目前已重印了10次。为了感谢读者的厚爱，今年我们对本书进行了更新，删除了陈旧过时的内容，增加了新近的进展，并对每一章的内容几乎都进行了重写，融入了我们对操作系统的理解。
在本书的写作过程中，得到了许多人的关心和帮助，在此一并表示感谢。
后，我要特别感谢我的父母和家人，谢谢他们的关心、理解和支持。尤其是我的两个女儿谌玥颖和谌玥然，她们总是能给我带来开心和快乐。

谌卫军
2022年7月于清华园

本书主要介绍操作系统的基本概念和基本原理，包括进程管理、死锁、存储管理、I/O设备管理和文件系统等，内容涵盖了现代操作系统所应具有的各个功能模块。 “操作系统”是一门比较难的专业课程，内容较为单调枯燥、晦涩难懂，学生不易掌握。本书作者具有丰富的教学经验，对教学规律、课程内容和学生特点有深入的理解。因此，在写作本书时，能够生动活泼、通俗易懂地讲述复杂的原理概念，这一点已经在教学实践中得到了充分的验证。另外，为了配合课程的内容，在每一章的末尾，附有大量的习题，以便读者及时地复习相关的内容。 本书适合作为高等院校计算机、软件、自动化和电子等专业本科生的操作系统课程教材，也适合正在学习操作系统的广大科技人员、软件工程师和青少年学生参考，尤其对于即将参加研究生入学考试的学生来说，本书是一本不可多得的参考书。

本书主要介绍操作系统的基本概念和基本原理，包括进程管理、死锁、存储管理、I/O设备管理和文件系统等，内容涵盖了现代操作系统所应具有的各个功能模块。 “操作系统”是一门比较难的专业课程，内容较为单调枯燥、晦涩难懂，学生不易掌握。本书作者具有丰富的教学经验，对教学规律、课程内容和学生特点有深入的理解。因此，在写作本书时，能够生动活泼、通俗易懂地讲述复杂的原理概念，这一点已经在教学实践中得到了充分的验证。另外，为了配合课程的内容，在每一章的末尾，附有大量的习题，以便读者及时地复习相关的内容。 本书适合作为高等院校计算机、软件、自动化和电子等专业本科生的操作系统课程教材，也适合正在学习操作系统的广大科技人员、软件工程师和青少年学生参考，尤其对于即将参加研究生入学考试的学生来说，本书是一本不可多得的参考书。

第1章操作系统概述

1．1计算机与应用程序

1．1．1功能强大的计算机

1．1．2计算机程序

1．1．3计算机用户

1．2操作系统的概念

1．3操作系统的发展历史

1．3．1电子管时代

1．3．2晶体管时代

1．3．3集成电路时代

1．3．4个人计算机时代

1．3．5移动计算机时代

1．4操作系统的类型

1．5承上启下的操作系统

1．5．1内核态与用户态

1．5．2系统调用

习题

第2章进程管理

2．1进程

2．1．1程序的执行

2．1．2为何引入进程

2．1．3什么是进程

2．1．4进程的特性

2．1．5进程的创建与终止

2．1．6进程的状态

2．1．7进程控制块

2．1．8状态队列

2．1．9进程模型

2．2线程

2．2．1为何引入线程

2．2．2线程的概念

2．2．3线程的实现

2．2．4线程库

2．2．5一个例子

操作系统(第2版)

目录
2．3进程间通信与同步

2．3．1进程间通信方式

2．3．2进程的互斥

2．3．3基于关闭中断的互斥实现

2．3．4基于繁忙等待的互斥实现

2．3．5信号量

2．3．6进程的同步

2．4经典的IPC问题

2．4．1生产者与消费者问题

2．4．2哲学家就餐问题

2．4．3读者与写者问题

2．5进程调度

2．5．1关于调度的若干问题

2．5．2先来先服务算法

2．5．3短作业优先算法

2．5.4时间片轮转法

2．5．5优先级算法

2．5．6多级反馈队列算法

习题

第3章死锁

3．1死锁概述

3．1．1什么是死锁

3．1．2资源

3．1．3死锁的模型

3．2死锁的检测和解除

3．2．1死锁检测算法

3．2．2死锁的解除

3．3死锁的避免

3．3．1死锁避免举例

3．3．2安全状态与不安全状态

3．3．3银行家算法

3．4死锁的预防

习题

第4章存储管理

4．1存储管理概述

4．2单道程序存储管理

4．3分区存储管理

4．3．1固定分区存储管理

4．3．2可变分区存储管理

4．3．3内存抽象与地址映射

4．4页式和段式存储管理

4．4．1页式存储管理

4．4．2段式存储管理

4．4．3页式存储管理与段式存储管理的比较

4．4．4段页式存储管理

4．5虚拟存储技术

4．5．1程序的局部性原理

4．5．2虚拟存储技术的原理

4．5．3虚拟页式存储管理

4．5．4页面置换算法

4．5．5工作集模型

4．5．6虚拟页式的设计问题

习题

第5章I/O设备管理

5．1I/O硬件

5．1．1I/O设备的类型

5．1．2设备控制器

5．1．3I/O地址

5．2I/O控制方式

5．2．1程序循环检测方式

5．2．2中断驱动方式

5．2．3直接内存访问方式

5．3I/O软件

5．3．1I/O软件的层次结构

5．3．2设备独立的系统软件

5．3．3用户空间的I/O软件

5．3．4I/O实现举例

5．4磁盘

5．4．1磁盘的硬件

5．4．2磁盘格式化

5．4．3磁盘调度算法

5．4．4出错处理

5．5固态硬盘

5．5．1闪存

5．5．2NAND Flash

5．5．3U盘

5．5．4SSD

习题

第6章文件系统

6．1文件

6．1．1文件的基本概念

6．1．2文件的使用

6．2目录

6．2．1目录的基本概念

6．2．2目录的结构

6．3文件系统的实现

6．3．1文件系统的布局

6．3．2文件的实现

6．3．3目录的实现

6．3．4系统调用的实现

6．3．5空闲空间管理

习题

参考文献

本书主要介绍操作系统的基本概念和基本原理，包括进程管理、死锁、存储管理、I/O设备管理和文件系统等，内容涵盖了现代操作系统所应具有的各个功能模块。 “操作系统”是一门比较难的专业课程，内容较为单调枯燥、晦涩难懂，学生不易掌握。本书作者具有丰富的教学经验，对教学规律、课程内容和学生特点有深入的理解。因此，在写作本书时，能够生动活泼、通俗易懂地讲述复杂的原理概念，这一点已经在教学实践中得到了充分的验证。另外，为了配合课程的内容，在每一章的末尾，附有大量的习题，以便读者及时地复习相关的内容。 本书适合作为高等院校计算机、软件、自动化和电子等专业本科生的操作系统课程教材，也适合正在学习操作系统的广大科技人员、软件工程师和青少年学生参考，尤其对于即将参加研究生入学考试的学生来说，本书是一本不可多得的参考书。

1. 教学能手，倾心佳作
作者曾荣获清华大学、北京市和全国各个级别的诸多教学奖项，本书是其二十多年教学经验的结晶；
2. 经典现代，详略得当
精心组织和雕琢内容，涵盖经典的操作系统原理及当前的进展；
3. 语言风趣，通俗易懂
将抽象晦涩的原理用生活中具体形象的案例来类比，使读者理解更深刻，印象更持久；
4.定位精准，为你而来
操作系统是计算机本科专业的核心必修课，本书为该课程的优秀教材，精准匹配课程教学需求。