操作系统原理及LINUX内核分析(第3版) 9787302631705

随着计算机技术的发展及应用的普及，计算机操作系统也在不断发展。本书根据计算机专业的培养目标，在充分介绍操作系统的基本原理与技术的基础上，结合操作系统的发展技术，在第2版的基础上进行了修订，在部分内容上增加了更加细致的描述和新技术的介绍。

为了做到理论与实践相结合，突出操作系统各主要部分关键环节的概念、功能、原理和方法，本书选择当前较为流行且有代表性的操作系统——Linux，深入分析和讲解了它的部分关键环节的实现技术。此外，由于操作系统所涉及的原理与算法比较抽象，难以理解和掌握，笔者根据多年的教学经验，将一些典型实例引入本书，使读者通过实例充分掌握操作系统的原理与算法思想，提高分析问题和解决问题的能力。考虑到近年来操作系统在技术与应用上都有了一些较新的发展，本书引入了线程、实时调度、多处理机、嵌入式操作系统、操作系统安全技术等新技术的介绍。

本书共10章。第1章为绪论，从操作系统的发展和作用引入操作系统的概念，简要介绍操作系统的功能，同时依据操作系统的不同设计目标对操作系统进行分类介绍，描述Linux内核结构及各个功能模块的关联程度； 第2章为用户接口，介绍操作系统的两种用户接口，重点介绍Linux常用操作命令和系统调用的实现原理； 第3章为进程管理，从单道程序和多道程序执行的不同特征引入进程的概念，而后介绍进程的基本特征和运行状态及操作系统对进程的控制机构，通过实例分析进程的同步与互斥关系的解决方法以及进程通信的常用方式，然后介绍线程的概念和应用环境，后从Linux的进程管理结构入手，介绍Linux进程管理实现技术； 第4章为处理机调度与死锁，介绍处理机调度级别与常用调度算法的基本思想，并通过实例对不同的算法进行优劣比较，包括进程调度、实时调度和多处理机调度，介绍Linux近年来在进程调度算法上的演进过程； 第5章为存储管理，从存储管理的内存分配、地址变换、内存扩充与内存保护4方面分别介绍分区式存储管理、页式存储管理、段式存储管理与段页式存储管理4种常用的存储管理方案，介绍Linux虚存与内存之间的关系和实现中用到的数据结构； 第6章为设备管理，由低到高逐层介绍I/O系统的层次结构中的一些关键技术以及Linux存储管理采用的模块化技术； 第7章为文件管理，主要讲述文件与文件系统、文件的组织和存取以及文件的保护，介绍Linux的文件管理中的目录结构和文件操作； 第8章为多处理机系统，从多处理机概述引入多处理机操作系统和多计算机系统的调度及虚拟化实现技术； 第9章为嵌入式操作系统，介绍嵌入式操作系统的特点、功能及应用领域，嵌入式操作系统的任务管理、内存管理及时钟管理技术； 第10章为操作系统安全，对计算机系统安全进行概要介绍，重点介绍操作系统安全机制。

本书特色

（1） 内容全面，结构清晰。本书融当前的主流操作系统于一体，既有操作系统的常用原理介绍，又有具体实现技术的详细分析，从而使读者较好地掌握各种常用操作系统的基本理论和实用技术。本书内容结构根据操作系统的五大功能设计，使读者对所学内容一目了然，并能分类、分层掌握。

（2） 富有启发性。采用“实例引导，任务驱动”的编写方式，增加实例分析，使读者掌握操作系统实例的解析方法，激发读者的学习兴趣，充分理解所学知识。

（3） 图文并茂。对于较深奥的理论知识，尽量以图示的形式来说明，便于读者理解和掌握。

（4） 理论联系实际。既重视原理、概念的讲解，也重视具体实现源代码的分析，通过分析当前流行的Linux操作系统的实现技术和方法，将抽象的原理和具体实例相结合，使读者能够在实际应用中更好地建立自己的应用系统，开发自己的应用软件。

（5） 介绍当代操作系统动向。在本书中引入目前实际应用中广泛使用的嵌入式操作系统和多处理机系统，并对这些技术进行了详细的介绍，使学生能掌握前沿知识。

（6） 增加实践练习。在每章都提供了大量习题，其中既有一般概念和基本原理测试题，还包括近年来全国计算机等级考试与研究生招生考试试题。

配套资源

为便于教与学，本书配有教学课件、教学大纲、教学进度表、习题答案、期末试卷及答案，读者可以扫描本书封底的“书圈”二维码，关注后回复本书书号，即可下载资源。

读者对象

本书既可作为计算机及相关专业的教材和等级考试、考研辅导书，也可供从事计算机工作的科技人员参考。

本书的第1~6章（与Linux有关的各节除外）由李芳编写，第7章、第10章及第1~6章中的Linux部分由刘晓春编写，第8章、第9章由李东海编写。

在本书的编写过程中参阅了大量的文献，在此对相关文献的作者表示感谢。

由于编者水平有限，本书难免会有疏漏和不当之处，恳请读者批评指正。

编者
2023年1月于长安大学

本书主要介绍操作系统的核心功能：操作系统接口、进程管理、存储管理、文件管理、设备管理的主要思想及设计原理。围绕这五大模块以Linux为例分析操作系统的核心代码的实现方法、技术以及操作系统各个功能部分的关联实现技巧。在此基础上，从操作系统的发展需求及计算机体系结构的发展上，引入操作系统的**技术，如线程的引入及应用环境、多处理机系统的实现技术、实时调度算法等。本教材主要适合于计算机及相关专业的教科书，也可作为对计算机有兴趣的相关人员的参考书。

李芳，女，1969年出生，副教授，1995年获计算机软件专业硕士学位，1996至今就职于长安大学信息工程学院软件工程系，主要讲授《操作系统》、《数据库原理》等课程，主要研究方向为操作系统研究与应用及信息管理技术。发表主要论文：教师管理考核决策支持系统的研究与实现、计算机专业实验教学的改革探讨、基于多线程技术动态显示的设计与实现等，2008年01月主编出版教材《操作系统原理与实例分析》。

第1章绪论

1.1什么是操作系统

1.1.1程序是如何运行的

1.1.2操作系统的作用

1.2操作系统运行环境

1.2.1计算机的基本硬件元素

1.2.2与操作系统相关的几种主要寄存器

1.2.3指令的执行

1.2.4中断

1.2.5处理机状态及特权指令

1.3操作系统的形成和发展

1.3.1操作系统发展的基础

1.3.2手工操作

1.3.3批处理系统

1.3.4分时系统

1.3.5实时系统

1.3.6个人操作系统

1.3.7网络操作系统

1.3.8分布式操作系统

1.3.9嵌入式操作系统

1.3.10操作系统的发展趋势

1.4操作系统的功能和特性

1.4.1操作系统的功能

1.4.2操作系统的基本特征

1.5操作系统结构

1.5.1模块组合结构及层次结构

1.5.2微内核结构

1.5.3虚拟机结构

1.6Linux操作系统

1.6.1Linux发展历程

1.6.2Linux的特点

1.6.3Linux内核结构

习题

第2章用户接口

2.1命令控制界面

2.1.1联机命令的类型

2.1.2联机命令的操作方式

2.2Linux系统的命令控制界面

2.2.1登录Shell

2.2.2命令句法

2.2.3常用的基本命令

2.2.4重定向与管道命令

2.2.5通信命令

2.2.6后台命令

2.3程序接口

2.3.1系统调用

2.3.2系统调用的类型

2.3.3系统调用的实现

2.3.4Linux系统调用

2.3.5Windows应用编程接口

习题

第3章进程管理

3.1进程的概念

3.1.1进程的引入

3.1.2进程的定义与特征

3.1.3引入进程的利弊

3.2进程控制块和进程的状态

3.2.1进程的状态及其变化

3.2.2进程控制块

3.3进程的控制

3.3.1进程的创建原语

3.3.2进程的撤销原语

3.3.3进程的阻塞与唤醒原语

3.4进程同步

3.4.1互斥

3.4.2进程的同步

3.4.3同步机制

3.4.4同步机构应用

3.5经典的进程同步问题

3.5.1生产者消费者问题

3.5.2读者写者问题

3.5.3哲学家进餐问题

3.6进程通信

3.6.1进程通信的类型

3.6.2进程通信的方式

3.6.3消息缓冲队列通信机制

3.6.4信箱通信

3.7线程

3.7.1线程的引入

3.7.2线程的概念

3.7.3线程的控制

3.7.4线程的实现

3.7.5线程的适用范围

3.8Linux的进程管理

3.8.1Linux进程概念与描述

3.8.2Linux中的进程状态及其转换

3.8.3Linux的进程控制

3.8.4Linux的进程通信

习题

第4章处理机调度与死锁

4.1调度的基本概念

4.1.1作业的概念及状态

4.1.2分级调度

4.1.3调度的功能与时机

4.1.4调度原则与性能衡量

4.2调度算法

4.2.1先来先服务算法

4.2.2短作业优先算法

4.2.3响应比优先算法

4.2.4高优先权优先算法

4.2.5轮转法

4.2.6多级反馈算法

4.3实时调度

4.3.1实时系统的特点

4.3.2实时调度算法

4.4多处理机调度

4.4.1多处理机系统的类型

4.4.2多处理机系统调度方式

4.5死锁

4.5.1死锁的产生

4.5.2死锁的必要条件

4.6解决死锁问题的方法

4.6.1死锁的预防

4.6.2死锁的避免

4.6.3死锁的检测与解除

4.7Linux进程调度

4.7.1Linux进程调度的时机

4.7.2Linux进程调度策略

4.7.3Linux进程调度算法

习题

第5章存储管理

5.1存储管理基本概念

5.1.1物理内存和虚拟存储空间

5.1.2存储管理的主要任务

5.2分区式存储管理

5.2.1固定分区

5.2.2可变分区

5.2.3地址变换与内存保护

5.2.4分区式存储管理的优缺点

5.3页式存储管理

5.3.1静态页式存储管理

5.3.2动态页式存储管理

5.3.3指令存取速度与页面大小问题

5.3.4存储保护

5.3.5页式存储管理的优缺点

5.4淘汰算法与抖动现象

5.4.1淘汰算法

5.4.2抖动现象与工作集

5.5段式存储管理

5.5.1静态段式存储管理

5.5.2动态段式存储管理

5.5.3分段和分页的主要区别

5.5.4段的信息共享

5.5.5段的静态链接与动态链接

5.5.6段式存储管理的内存保护

5.5.7段式存储管理的优缺点

5.6段页式存储管理

5.6.1实现原理

5.6.2段页式存储管理的其他问题

5.7Linux存储管理

5.7.1进程虚拟内存空间的管理

5.7.2Linux的分页式存储管理

习题

第6章设备管理

6.1设备管理概述

6.1.1设备的分类

6.1.2设备管理的目标

6.1.3设备控制器

6.1.4I/O系统的层次结构

6.2数据传送控制方式

6.2.1程序直接控制方式

6.2.2中断控制方式

6.2.3DMA控制方式

6.2.4通道控制方式

6.3中断处理与设备驱动程序

6.3.1中断处理过程

6.3.2设备驱动程序

6.4缓冲技术

6.4.1引入缓冲技术的原因

6.4.2缓冲的种类

6.4.3缓冲池的管理

6.5设备分配

6.5.1设备分配中的数据结构

6.5.2设备分配的原则

6.5.3设备分配程序

6.5.4SPOOLing技术

6.6逻辑I/O系统

6.7Linux的设备管理

6.7.1逻辑I/O管理

6.7.2用户与设备驱动程序

6.7.3设备模型

习题

第7章文件管理

7.1文件和文件系统

7.1.1文件的概念

7.1.2文件的分类

7.1.3文件管理系统

7.2文件的逻辑结构

7.2.1无结构文件

7.2.2顺序文件

7.2.3索引文件

7.2.4直接文件

7.3文件的物理结构

7.3.1连续文件

7.3.2链接式文件

7.3.3索引文件

7.4文件存储空间的管理

7.4.1位示图法

7.4.2空闲表法

7.4.3空闲链表法

7.5文件目录管理

7.5.1文件控制块的内容

7.5.2目录结构

7.5.3目录管理

7.6文件共享和保护

7.6.1基于索引节点的共享方法

7.6.2基于符号链接的共享方法

7.6.3文件的保护

7.7硬盘管理与调度

7.7.1机械硬盘

7.7.2固态硬盘

7.8Linux文件管理

7.8.1Linux文件系统概论

7.8.2虚拟文件系统

7.8.3EXT文件系统

7.8.4文件管理和操作

习题

第8章多处理机系统

8.1多处理机

8.1.1多处理机硬件

8.1.2多处理机操作系统类型

8.1.3多处理机同步

8.1.4处理机调度

8.2多计算机

8.2.1多计算机硬件

8.2.2低层通信软件

8.2.3用户层通信软件

8.2.4远程过程调用

8.2.5分布式共享存储器

8.2.6多计算机调度

8.2.7负载均衡

8.3虚拟化

8.3.1准虚拟化

8.3.2内存的虚拟化

8.3.3I/O设备的虚拟化

8.3.4虚拟工具

8.3.5多核处理机上的虚拟机

8.3.6授权问题

习题

第9章嵌入式操作系统

9.1什么是嵌入式操作系统

9.2嵌入式操作系统的特点

9.3嵌入式操作系统的主要功能

9.4嵌入式操作系统的应用领域

9.5典型的嵌入式操作系统

9.5.1VxWorks

9.5.2QNX

9.5.3嵌入式Linux

9.5.4Windows CE

9.5.5Android

9.5.6iOS

9.5.7TinyOS

9.5.8μC/OS

习题

第10章操作系统安全

参考文献

本书主要介绍操作系统的核心功能：操作系统接口、进程管理、存储管理、文件管理、设备管理的主要思想及设计原理。围绕这五大模块以Linux为例分析操作系统的核心代码的实现方法、技术以及操作系统各个功能部分的关联实现技巧。在此基础上，从操作系统的发展需求及计算机体系结构的发展上，引入操作系统的**技术，如线程的引入及应用环境、多处理机系统的实现技术、实时调度算法等。本教材主要适合于计算机及相关专业的教科书，也可作为对计算机有兴趣的相关人员的参考书。

李芳，女，1969年出生，副教授，1995年获计算机软件专业硕士学位，1996至今就职于长安大学信息工程学院软件工程系，主要讲授《操作系统》、《数据库原理》等课程，主要研究方向为操作系统研究与应用及信息管理技术。发表主要论文：教师管理考核决策支持系统的研究与实现、计算机专业实验教学的改革探讨、基于多线程技术动态显示的设计与实现等，2008年01月主编出版教材《操作系统原理与实例分析》。