計算機操作系統

操作系統是現代計算機系統的重要組成部分，它作為重要的系統軟件，在整個計算機系統軟件中佔有中心地位。操作系統的主要作用就是控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地組織計算機工作流程以及方便用户使用計算機系統。隨着計算機的發展，計算機系統的硬件和軟件資源也越來越豐富。為了提高這些資源的利用率，增強系統的處理能力和改善用户與計算機間的接口，需要功能更完善的操作系統，從而出現了滿足不同要求的操作系統，操作系統的功能也越來越強。本教材以國際知名、使用廣泛的UNIX 操作系統為線索，闡述了操作系統的基本概念、工作原理和實施技術。本書在編寫過程中，注意到了理論和實踐的結合以及培養學生分析和設計操作系統的能力。在講述操作系統的一般概念和工作原理時，儘可能地通過圖表進行説明，以方便教師講解和學生理解。本書的內容安排如下：第1章介紹操作系統的功能、發展、分類等基本概念。第2章對操作系統中的一個重要概念———進程做了介紹，包括進程狀態及轉換、進程控制、進程通信、線程等。第3章對調度的基本原理、調度算法、算法性能的評估等作了詳細的介紹，此外，還對UNIX 的調度算法進行了分析。第4章介紹了關於進程通信的知識，包括進程互斥與同步的概念、臨界資源與臨界區的概念、信號量機制、經典同步問題與管程的概念，最後對UNIX 系統的信號量機制進行了分析。第5章首先介紹了死鎖的基本概念，然後分別對產生死鎖的必要條件、避免和預防死鎖的機制做了介紹。第6章和第7章介紹了操作系統的存儲管理。其中第6章主要介紹了操作系統中有關存儲管理的基本概念，幾種常用存儲管理技術的基本思想、實現算法及硬件支持。第7章主要是討論了虛存管理技術和輔助存儲器管理。第8章是關於設備管理的，主要介紹了I/O 設備、中斷技術、緩存技術等。第9章對文件系統中的文件管理、文件的共享與保護做了介紹，此外，作為實例還對UNIX 文件系統的主要結構和算法作了説明。在本書的最後部分對另外兩個與操作系統有關的知識做了介紹，即操作系統的安全和設計。第10章主要是在介紹計算機信息安全基礎知識的基礎上，分析了操作系統產生的原因，討論了操作系統的保護和安全機制，並對UNIX 操作系統的安全做了簡要的介紹。第11章在介紹計算機操作系統結構的基礎上介紹了設計操作系統的原理及方法等。2計算機操作系統本書由胡志剛教授負責總體框架、制訂寫作大綱及最後定稿。其中第1，4章（4.1～4.4，4.6，4.8）由譚長庚編寫，第2章及4.5，4.7由朱豔輝編寫，第3章由陳強編寫，第5章由陽慧編寫，第6，7章由宋虹編寫，第8章由左貴啓編寫，第9章由陳利平編寫，第10章由王楚正編寫，第11章由何嘯峯編寫，附錄部分由李璽編寫。本書可作為高等院校計算機科學與軟件工程類專業的教材，也可作為對計算機有一定了解的科技工作者及計算機使用者自學的參考書。在此，向為本書編寫給予指導、提出寶貴意見的老師和同行們表示衷心的感謝。書中難免有些疏漏謬誤之處，懇請讀者批評指正。 編 者 2005年6月

第1章 緒 論（1） 1.1 操作系統的設置目的（1） 1.1.1 操作系統的定義和設計目標（1） 1.1.2 操作系統的作用（2） 1.2 操作系統的功能（3） 1.2.1 處理機管理（3） 1.2.2 存儲管理（4） 1.2.3 設備管理（5） 1.2.4 信息管理（6） 1.2.5 用户接口（7） 1.3 操作系統的基本類型（8） 1.3.1 批處理操作系統（9） 1.3.2 分時操作系統（12） 1.3.3 實時操作系統（13） 1.3.4 其他操作系統（14） 1.4 操作系統的特徵與性能（15） 1.4.1 操作系統的特徵（15） 1.4.2 操作系統的性能（17） 1.5 UNIX 操作系統特徵（18） 第2章 進 程（21） 2.1 進程概念（21） 2.1.1 進程的引入（21） 2.1.2 進程的定義與特徵（23） 2.1.3 進程描述（25） 2.2 進程狀態及轉換（28） 2.2.1 三態模型（28） 2.2.2 五態模型（29） 2.2.3 具有掛起功能的進程狀態及其轉換（30） 2.3 進程控制（30） 2.3.2 進程的撤銷（31） 2.3.3 進程的阻塞與喚醒（32） 1目 錄 2.3.4 進程的掛起與激活（34） 2.4 進程切換與模式切換（34） 2.4.1 執行模式（34） 2.4.2 模式切換（35） 2.4.3 進程切換（35） 2.5 線 程（36） 2.5.1 線程的概念（36） 2.5.2 線程與進程的比較（37） 2.5.3 線程的實現（38） 2.6 UNIX 進程結構（39） 2.6.1 UNIX 系統的進程映像（39） 2.6.2 UNIX 系統的進程狀態及變遷（44） 第3章 調 度（47） 3.1 調度策略（47） 3.2 作業調度（49） 3.3 進程調度（50） 3.4 調度算法（52） 3.5 調度算法評價（57） 3.5.1 客觀型調度算法（57） 3.5.2 主觀型調度算法（59） 3.6 UNIX 進程調度與換進換出（60） 3.6.1 進程調度（60） 3.6.2 進程的換進換出（61） 第4章 進程同步與通信（66） 4.1 臨界區（66） 4.1.1 互斥與同步（66） 4.1.2 臨界資源（67） 4.1.3 臨界區（68） 4.1.4 同步機構的設計原則（68） 4.1.5 解決互斥問題的軟件方法（69） 4.1.6 利用硬件方法解決進程互斥問題（70） 4.2 信號量（72） 4.2.1 信號量概念（72） 4.2.2 信號量的應用（73） 4.2.3 信號量集機制（77） 4.3 經典進程同步問題（79） 4.3.1 生產者—消費者問題（79） 2計算機操作系統 4.3.2 讀者—寫者問題（82） 4.3.3 哲學家進餐問題（84） 4.4 管 程（86） 4.4.1 信號量機制存在的問題（86） 4.4.2 管程概念（86） 4.4.3 管程的實現（88） 4.5 進程通信（89） 4.5.1 進程通信的類型（90） 4.5.2 共享存儲器系統（90） 4.5.3 管道通信系統（90） 4.5.4 消息傳遞系統（90） 4.6 UNIX 信號量機構分析（93） 4.7 UNIX 進程通信機構pipe（95） 第5章 死 鎖（99） 5.1 死鎖的概念（99） 5.1.1 死鎖的定義（99） 5.1.2 產生死鎖的原因（99） 5.1.3 死鎖舉例（100） 5.2 資源分配模型（103） 5.3 死鎖條件（103） 5.4 死鎖預防（104） 5.4.1 破壞互斥條件（105） 5.4.2 破壞佔有等待條件（105） 5.4.3 破壞非剝奪條件（105） 5.4.4 破壞循環等待條件（105） 5.5 死鎖避免（106） 5.5.1 系統的安全狀態（106） 5.5.2 銀行家算法（107） 5.6 死鎖檢測（110） 5.7 死鎖恢復（111） 第6章 存儲管理（116） 6.1 存儲管理功能（116） 6.1.1 主存空間分配和管理（116） 6.1.2 地址轉換和重定位（117） 6.1.3 存儲保護和共享（119） 6.1.4 存儲擴充（119） 6.2 分區存儲管理（120） 6.2.1 固定分區管理（120） 6.2.2 動態分區管理（121） 6.2.3 動態重定位分區管理（123） 6.3 覆蓋與交換技術（125） 6.3.1 覆 蓋（125） 6.3.2 交換技術（125） 6.4 分頁存儲管理（127） 6.4.1 基本原理（127） 6.4.2 數據結構（127） 6.4.3 地址轉換機制（129） 6.4.4 頁面分配策略（130） 6.4.5 分頁存儲管理的共享與保護（130） 6.5 分段存儲管理（131） 6.5.1 基本原理（131） 6.5.2 數據結構和地址轉換機制（132） 6.5.3 段的共享與保護（132） 6.5.4 分頁存儲管理和分段存儲管理的區別（134） 6.6 段頁式存儲管理（134） 第7章 虛存管理（137） 7.1 基本概念（137） 7.1.1 程序訪問局部性原理（137） 7.1.2 虛存的定義（138） 7.1.3 虛存的特徵（138） 7.1.4 虛存的實現方法（138） 7.2 請求分頁存儲管理（139） 7.2.1 數據結構（139） 7.2.2 地址轉換（139） 7.2.3 頁面調度策略 7.2.5 請求分頁管理的共享與保護（146） 7.3 請求分段存儲管理（147） 7.3.1 段表機制（147） 7.3.2 地址轉換和硬件支持（147） 7.4 UNIX 存儲管理（148） 7.4.2 請求調頁管理（150） 第8章 設備管理（157） 8.1 I/O 組織（157） 8.1.1 I/O 設備（157） 8.1.2 設備控制器（157） 8.1.3 I/O 系統結構（158） 8.2 數據傳送控制方式（159） 8.2.1 程序直接控制方式（159） 8.2.2 程序中斷控制方式（160） 8.2.3 DMA 控制方式（161） 8.2.4 I/O 通道控制方式（161） 8.3 中斷技術（162） 8.3.1 中斷的基本概念（162） 8.3.2 中斷處理（163） 8.4 緩衝技術（164） 8.4.1 緩衝的引入（164） 8.4.2 緩衝區的種類（164） 8.4.3 緩衝池（166） 8.5 設備分配（166） 8.5.1 設備分配策略（167） 8.5.2 設備分配程序（169） 8.6 I/O 軟件的層次結構（171） 8.6.1 用户層I/O 軟件（171） 8.6.2 與設備無關的I/O 軟件（171） 8.6.3 設備驅動程序（173） 8.6.4 中斷處理程序（173） 8.7 磁盤管理（173） 8.7.2 磁盤調度策略（174） 8.7.3 廉價磁盤冗餘陣列（177） 8.8 UNIX 塊設備管理（178） 8.8.1 概述（178） 8.8.2 UNIX 塊設備管理（179） 8.8.3 UNIX 塊設備驅動程序（184） 8.8.4 UNIX 塊設備讀寫技術（185） 8.8.5 UNIX 塊設備的程序結構（185） 第9章 文件系統（187） 9.1 目錄結構（187） 9.1.1 一級目錄結構（187） 9.1.2 二級目錄結構（188） 9.1.3 樹形目錄結構（189） 9.1.4 無環圖目錄結構（190） 9.1.5 通用圖目錄結構（191） 9.2 文件結構和存取方法（191） 9.2.1 文件結構（191） 9.2.2 存取方法（198） 9.3 文件存儲空間管理（199） 9.3.1 文件存儲空間分配（199） 9.3.2 存儲空間的管理（200） 9.4 文件的共享和保護（202） 9.4.1 文件的共享（203） 9.4.2 文件的保護（205） 9.5 文件的系統調用（208） 9.6 文件系統的基本模型（210） 9.7 UNIX 文件系統（211） 9.7.1 UNIX 文件系統概述（211） 9.7.2 文件系統的物理結構（213） 9.7.3 UNIX 文件系統的數據結構及其關係（214） 9.7.4 空閒磁盤空間的管理（217） 9.7.5 UNIX 的文件操作（218） 第10章 安全和保護（223） 10.1 操作系統安全概述（223） 10.1.1 安全性概述（223） 10.1.2 操作系統安全的概念（224） 10.2 數據保密（225） 10.2.1 數據加密技術（225） 10.2.2 密碼體制的分析（225） 10.3 保 護（227） 10.3.1 存儲保護（228） 10.3.2 訪問控制（228） 10.3.3 I/O 保護（229） 10.4 安全機制（229） 10.4.1 認證機制（229） 10.4.2 授權機制（230） 10.4.3 審計機制（230） 10.5 UNIX 的安全機制（231） 10.5.1 標識與口令安全（231） 10.5.2 存取控制（232） 10.5.3 鑑 別（233） 10.5.4 審 計（233） 10.5.4 網絡安全性（234） 10.5.5 加 密（234） 第11章 操作系統結構與設計（236） 11.1 操作系統結構（236） 11.2 用户接口設計（239） 11.2.1 命令接口（239） 11.2.2 程序接口（240） 11.2.3 圖形用户接口（242） 11.3 系統設計與實現（242） 11.4 操作系統性能（244） 附錄 實驗（246） 實驗一 處理機調度（246） 實驗二 主存儲器空間的分配和回收（247） 實驗三 中斷處理（248） 實驗四 資源分配（248） 參考文獻（250） ^[1]