计算机操作系统

本书兼顾理论性与实用性，结合计算机类专业卓越工程师的要求编排相应内容。该教材不仅介绍操作系统基础原理，包括进程管理、内存管理、设备管理、文件管理。针对Windows、Linux与Android三种操作的进程管理、内存管理、设备管理和文件管理的实现技术进行分析与对比，为基于操作系统编程提供理论和技术基础。结合*研究成果，还介绍了多CPU、多核操作系统，还单独分析了操作系统的安全与保护技术，同时用一章介绍现代操作系统的*近技术及我国对操作系统的自主创新情况。

林果园，系中国矿业青年学术带头人、计算机学院副院长、计算机类专业基础课“操作系统”的课程负责人，一直担任“操作系统”的教学和课程建设工作。曾主编*版《操作系统》（清华大学出版社）、《信息系统安全》（清华大学出版社）、《操作系统安全》（北京邮电大学出版社）。一直从事计算机操作系统的研究和教学工作，多次参加国家、省级相关科研和教学项目，发表SCI、EI论文40多篇。

第1章概论

1.1操作系统的定义和功能

1.1.1操作系统的定义

1.1.2操作系统的功能

1.1.3操作系统的特征

1.2操作系统的发展

1.2.1手工操作阶段

1.2.2早期的批处理阶段

1.2.3多道批处理系统阶段

1.2.4操作系统的分类

1.3操作系统的接口

1.3.1程序接口

1.3.2操作接口

1.4操作系统的设计实现方法

1.4.1操作系统设计与开发概述

1.4.2操作系统的体系结构

1.5典型操作系统概况

1.5.1Windows系列操作系统

1.5.2Linux 系列操作系统

1.5.3Android系列操作系统

1.5.4国产操作系统的发展

小结

习题

第2章进程管理

2.1概述

2.2程序的运行方式

2.2.1程序的顺序运行

2.2.2程序的并发运行与并行运行

2.2.3进程概念的引入

2.3进程的特征与控制

2.3.1进程状态及转换

2.3.2进程控制块

2.3.3进程控制

2.4进程的互斥与同步

2.4.1与时间有关的错误

2.4.2临界资源与临界区

2.4.3进程同步机制

2.4.4进程同步经典问题

2.5进程通信

2.5.1消息传递通信

2.5.2共享内存通信

2.5.3管道通信

2.6进程调度

2.6.1进程调度模型

2.6.2调度算法的选择/评价准则

2.6.3调度算法

2.6.4多CPU系统中的调度

2.6.5多核CPU中的调度

2.7死锁

2.7.1死锁产生的原因

2.7.2死锁产生的必要条件

2.7.3死锁的避免

2.7.4检测与解除

2.8线程的基本概念

2.8.1线程的引入

2.8.2线程与进程的区别与联系

2.8.3线程的3种模式

2.9管程的基本概念

2.10Windows 10操作系统中的进程与线程

2.10.1Windows进程

2.10.2Windows线程

2.11Linux操作系统中的进程与线程

2.12Android操作系统中的进程与线程

小结

习题

第3章内存管理

3.1内存管理概述

3.1.1内存管理的功能

3.1.2计算机存储系统的结构

3.1.3地址的表示与地址转换

3.1.4覆盖与交换技术

3.2分区内存管理

3.2.1单一连续内存管理

3.2.2固定分区内存管理

3.2.3可变分区内存管理

3.3页式存储管理

3.3.1页式存储管理的基本原理

3.3.2页式存储管理的内存分配与回收

3.3.3页式存储管理的地址转换

3.3.4快表

3.3.5页的共享和保护

3.3.6多级页表

3.4段式存储管理

3.4.1段式存储管理的基本原理

3.4.2段式存储管理的地址转换和内存保护

3.4.3段的共享

3.4.4分段和分页的比较

3.4.5段页式存储管理

3.5虚拟存储技术

3.5.1虚拟存储技术的提出

3.5.2程序的局部性原理

3.5.3虚拟存储技术的基本思想

3.6请求页式虚拟存储管理

3.6.1请求页式虚拟存储管理的基本原理

3.6.2请求页式虚拟存储管理的硬件支持

3.6.3页面分配策略与页面调度算法

3.6.4页面置换算法

3.6.5影响请求页式存储管理性能的因素

3.7请求分段虚拟存储管理

3.7.1请求分段虚拟存储管理的基本原理

3.7.2请求分段虚拟存储管理段的共享和保护

3.7.3请求段页式虚拟存储管理

3.8Windows 10 操作系统内存管理技术

3.8.1虚拟地址空间分布与地址转换机制

3.8.2虚拟存储管理

3.8.3Windows操作系统的内存空间分配

3.8.4内存页面级保护机制

3.9Linux操作系统存储管理技术

3.9.1Linux操作系统存储管理概述

3.9.2虚拟地址空间的组织和管理

3.9.3物理内存空间的管理

3.9.4用户态内存的申请与释放

3.9.5内存的共享和保护

3.9.6交换空间、页面的换出和调入

3.9.7缓冲机制

3.10Android操作系统内存管理机制

3.11Windows、Linux与Android操作系统内存管理的比较

小结

习题

第4章设备管理

4.1设备管理概述

4.1.1设备分类

4.1.2设备管理的目标、功能和结构

4.2设备控制方法

4.2.1程序循环查询方式

4.2.2中断驱动方式

4.2.3直接内存访问方式

4.2.4通道方式

4.3缓冲技术

4.3.1单缓冲

4.3.2双缓冲

4.3.3多缓冲

4.4输入输出软件

4.4.1中断处理程序

4.4.2设备驱动程序

4.4.3设备独立性程序

4.4.4用户层软件

4.5设备分配与回收

4.5.1设备信息描述

4.5.2设备分配策略

4.5.3SPOOLing技术 

4.5.4设备分配算法

4.5.5设备分配与回收过程

4.6Windows操作系统中的I/O设备管理

4.6.1Windows操作系统中的I/O系统软件层次结构

4.6.2I/O系统的数据结构

4.6.3I/O的处理过程

4.6.4通用驱动程序

4.6.5USB的新增功能

4.6.6Windows操作系统的设备管理特性

4.7Linux操作系统中的I/O设备管理

4.7.1虚拟文件系统

4.7.2平台总线驱动模型

4.7.3I/O流程

4.8Android操作系统中的I/O设备管理

4.8.1存储设备类型

4.8.2不可变的设备 ID

4.8.3I/O方式

4.9Windows、Linux与Android操作系统中设备管理的比较

4.9.1Windows与Linux操作系统的设备管理比较

4.9.2Linux与Android操作系统的设备管理比较

小结

习题

第5章文件系统

5.1概述

5.1.1文件的概念

5.1.2文件系统

5.1.3文件的属性

5.1.4文件的分类

5.1.5文件的使用

5.2文件的组织

5.2.1文件的逻辑结构

5.2.2记录的成组与分解

5.2.3文件的物理结构

5.2.4文件的存取方法

5.2.5文件存储空间管理

5.4文件系统调用的实现

5.4.1实现系统调用的相关数据结构

5.4.2创建和删除文件

5.4.3打开和关闭文件

5.4.4文件的读和写

5.4.5文件的随机存取

5.5文件共享

5.5.1静态共享

5.5.2动态共享

5.6文件系统的体系结构

5.6.1文件系统的层次结构模型

5.6.2文件操作的执行过程

5.6.3虚拟文件系统

5.7Windows 10操作系统的文件系统

5.7.1Windows 10操作系统的文件系统实现模型

5.7.2FAT文件系统原理

5.7.3NTFS文件系统原理和Windows 10操作系统新增特性

5.7.4ReFS文件系统概述

5.8Linux操作系统的文件系统

5.8.1Linux操作系统的虚拟文件系统

5.8.2Ext2文件系统

5.8.3Ext3和Ext4文件系统

5.9Android操作系统的文件系统

5.9.1Android操作系统的分区结构

5.9.2YAFFS2文件系统

5.9.3F2FS文件系统

小结

习题

第6章现代操作系统

6.1现代操作系统概述

6.1.1推动现代操作系统发展的主要因素

6.1.2现代操作系统的新特征

6.2网络操作系统

6.2.1网络操作系统的功能和构成

6.2.2流行的网络操作系统

6.2.3Linux网络操作系统的实现

6.3多处理机操作系统

6.3.1多处理机系统结构

6.3.2多处理机操作系统的功能与类型

6.3.3多处理机操作系统的进程调度和管理

6.4单CPU多核操作系统

6.5分布式操作系统与集群

6.5.1分布式操作系统的定义、特征

6.5.2分布式操作系统的设计

6.5.3标识符系统

6.5.4分布式文件系统

6.5.5分布式操作系统的进程管理

6.5.6集群

6.6嵌入式操作系统

6.6.1嵌入式系统的定义与基本特征

6.6.2嵌入式操作系统实例

6.7虚拟操作系统

6.7.1虚拟机系统资源管理

6.7.2常见虚拟化系统

6.8移动设备操作系统

6.8.1移动设备操作系统概述

6.8.2移动设备操作系统实例——Android

小结

习题

第7章操作系统的安全与保护

7.1基本概念

7.1.1可用性

7.1.2完整性

7.1.3机密性

7.1.4操作系统的安全等级

7.2操作系统的安全威胁与保护

7.2.1安全威胁的类型

7.2.2操作系统保护层次

7.3系统安全的密码技术

7.3.1数据加密与解密

7.3.2消息摘要与消息验证码

7.3.3数字签名与公钥基础设施 

7.4针对操作系统的入侵与防范

7.4.1黑客入侵与防范

7.4.2病毒入侵与防范

7.5Windows操作系统的安全

7.5.1Windows操作系统的安全体系结构

7.5.2Windows 10操作系统的启动保护技术

7.5.3Windows 10操作系统的运行保护技术

7.6Linux操作系统安全技术

7.6.1访问控制机制

7.6.2身份验证模块

7.6.3安全网络传输

7.6.4强化软件运行环境

7.6.5防火墙

7.7Android安全技术

小结

习题

参考文献

本书第1章、第4章、第7章由林果园编写，第2章由朱长征编写，第3章由王虎编写，第5章由陆亚萍编写，第6章由张立江编写。全书由林果园修改及统稿，牛强、姜秀柱参与了本书相关内容的润色和校稿工作。
在本书的编写过程中得到清华大学出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢。
在本书写作过程中，参考了很多国内外同行关于操作系统的*研究内容，以及大量学术著作和研究成果，有的已经在参考文献中列出，但由于篇幅所限，恕未能一一列出，在此一并表示感谢！
由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，殷切希望广大读者批评指正。

作者
2020年7月

计算机操作系统为计算机类专业必修课，本书加入了windows 10操作系统的介绍。