《操作系統原理與實踐教程(第四版)》全面講述計算機操作系統的基本原理和相關技術。全書共分為10章，深入介紹操作系統的發展歷程、通用操作系統的啟動過程、處理器管理、進程管理、存儲器管理、文件管理、設備管理、系統安全、嵌入式操作系統等內容。 《操作系統原理與實踐教程(第四版)》內容豐富、結構合理、知識體系完備，主要面向計算機及相關專業學生。《操作系統原理與實踐教程(第四版)》適合作為普通高等院校操作系統原理課程的教材，也可作為各類培訓班教材或自學者的參考用書，對操作系統及其上層應用程序的開發人員也具有較好的參考價值。 《操作系統原理與實踐教程(第四版)》的電子課件和習題答案可以到http://www.tupwk.com.cn/downpage網站下載，也可以掃描前言中的二維碼獲取。
基礎構建:內容全面，重點突出，助您深入理解計算機系統架構，構建操作系統設
計與開發的基本能力體系。
知識擴展:在講解操作系統通用概念的同時,通過介紹操作系統的發展趨勢，為
您下一步進行相關外延探索打好基礎。
操作系統是計算機系統中重要的系統軟件，它管理整個計算機系統的軟件和硬件資源；是其他軟件和程序的運行基礎；是溝通用戶與計算機硬件的橋梁。操作系統因其在計算機系統中所處的地位決定了其重要性，它是計算機科學與技術專業的一門專業基礎課，是計算機相關專業學生的必修課程。操作系統是計算機領域較活躍的學科之一，其發展極為迅速。
操作系統具有如下特點。
(1) 內容龐雜，涉及面廣。操作系統是一個龐大的系統軟件，它管理系統中所有的軟件、硬件資源，控制計算機的工作流程，提供用戶與計算機之間的接口。因此，操作系統課程的內容非常龐大且復雜。
(2) 內容抽象。操作系統在計算機系統中處于裸機與應用層之間，對下與硬件接口，對上提供簡單便捷的用戶界面。但是，關于操作系統的內容，如操作系統的概念、操作系統的功能以及這些功能如何實現等對于用戶或學習者而言仍是比較抽象和費解的。
(3) 發展變化快。操作系統是計算機領域較活躍的學科之一，其發展極為迅速，隨著計算機的發展而不斷更新，是計算機軟件中更新較快的軟件，因而更加重了學習難度。
正是由于操作系統的上述特點，使得操作系統課程的學習具有相當的難度。為了解決這些問題，提高操作系統課程的教學質量，在廣泛汲取國內外優秀教材和研究成果的基礎上，筆者編寫了本教材。在編寫過程中，力求覆蓋面廣、內容新穎、重點突出。《操作系統原理與實踐教程(第四版)》共分為10章，參考學時為60～80學時。各章內容簡述如下。
第1章介紹操作系統的概念、功能、特征、發展歷史和結構，并從操作系統的發展入手分析操作系統的發展方向，引入不同結構的操作系統的性能比較和分析，對流行的操作系統Windows系列和UNIX/Linux系統進行簡要的介紹。
第2章介紹操作系統用戶的環境、系統的生成與引導，以及操作系統提供的服務和接口。
第3章首先介紹進程與線程的基本概念，重點介紹進程的定義、狀態等知識，并說明進程控制過程和方法；然后對處理器調度的實現和調度算法進行闡述，介紹在現代網絡環境和實時系統中使用的多處理器調度和實時調度的一些基本原理；后介紹Linux的進程管理。
第4章首先介紹進程同步和互斥的基本概念；然后闡述如何通過信號量機制和管程來實現進程的同步和互斥；后介紹進程死鎖的基本概念，并闡述如何預防和避免進程死鎖的發生，以及死鎖檢測和接觸的方法。
第5章首先介紹存儲管理的基本概念和常見的存儲管理方法，然后分別介紹各種內存管理技術的基本原理和地址映射、共享與保護等內容，后介紹Linux的存儲管理。
第6章介紹虛擬存儲器的引入、概念和特征，對請求分頁存儲管理、請求分段存儲管理的方法以及置換算法等內容進行了闡述，后介紹抖動的概念和工作集理論。
第7章介紹文件系統中有關文件管理的基本概念、文件的邏輯結構和物理結構、文件存儲空間的管理、文件的共享和保護、Linux的文件系統等內容。
第8章介紹設備管理的基本概念、I/O控制方式、中斷技術、緩沖技術、設備分配和I/O軟件管理、磁盤調度和管理、Linux的設備管理等內容。
第9章首先介紹信息系統安全的概念；然后介紹計算機病毒的基本概念、常見的計算機病毒類型，以及如何預防和檢測計算機病毒；接著闡述操作系統的安全機制，包括加密機制、認證機制、授權機制和審計機制，以及訪問控制機制；后介紹Linux的安全機制。
第10章介紹嵌入式系統的概念和硬件體系，說明了嵌入式操作系統的特征及其與個人計算機的區別，后介紹常用的嵌入式操作系統。
《操作系統原理與實踐教程(第四版)》可作為普通高校計算機類及其相關專業本科操作系統原理課程的教材，也可作為自學參考書和考研參考書。《操作系統原理與實踐教程(第四版)》免費提供電子課件和習題答案，需要者請到http://www.tupwk.com.cn/ downpage網站下載，也可以通過掃描下方的二維碼獲取。
《操作系統原理與實踐教程(第四版)》由鄭州大學的史葦杭、衛琳編寫而成，其中第1~4、10章由史葦杭編寫，第5~9章由衛琳編寫。
感謝石磊教授在《操作系統原理與實踐教程(第四版)》的編寫和出版過程中提出的寶貴意見，讓我們從中獲益匪淺。參加《操作系統原理與實踐教程(第四版)》編寫的人員還有李翠霞、林楠、韓穎、王瑞娟、陳永霞、曹仰杰等，在此一并向他們表示誠摯的感謝。同時，對清華大學出版社有關同志深表謝意，謝謝他們在《操作系統原理與實踐教程(第四版)》出版過程中付出的辛勤勞動。
《操作系統原理與實踐教程(第四版)》的編寫參閱了多種書籍和資料，主要的參考文獻列于書后，在這里對這些文獻的編著者表示誠摯的謝意。由于編者水平有限，書中難免有不當之處，懇請讀者批評指正。我們的信箱是992116@qq.com，電話是010-62796045。
編者
2022年1月
第1章 操作系統概論 1
1.1 操作系統的概念 1
1.1.1 操作系統的定義 1
1.1.2 操作系統的特征 3
1.1.3 操作系統的功能 4
1.1.4 操作系統的設計目標 8
1.1.5 操作系統的性能指標 8
1.2 操作系統的形成和發展 9
1.2.1 人工操作階段 9
1.2.2 單道批處理 9
1.2.3 多道批處理 10
1.2.4 分時操作系統 11
1.2.5 個人計算機操作系統 12
1.2.6 實時操作系統 13
1.2.7 網絡操作系統 14
1.2.8 分布式操作系統 15
1.2.9 操作系統的進一步發展 16
1.3 操作系統的結構 17
1.3.1 整體結構 18
1.3.2 分層結構 19
1.3.3 虛擬機結構 20
1.3.4 外核結構 21
1.3.5 客戶機/服務器結構 21
1.4 常用操作系統簡介 22
1.4.1 Windows系列操作系統 22
1.4.2 UNIX和Linux系統 24
1.5 小結 26
1.6 思考練習 26
第2章 操作系統的界面 28
2.1 用戶工作環境 28
2.1.1 用戶環境 28
2.1.2 系統的生成與引導 29
2.1.3 實例分析：Linux系統啟動 31
2.2 操作系統的用戶接口 32
2.2.1 命令接口 33
2.2.2 圖形用戶接口 34
2.2.3 程序接口 34
2.3 操作系統提供的服務 35
2.3.1 操作系統提供的基本服務 35
2.3.2 操作系統提供的公共函數 36
2.4 小結 37
2.5 思考練習 37
第3章 處理器管理 38
3.1 程序的執行 38
3.1.1 程序的順序執行 38
3.1.2 程序的并發執行 39
3.2 進程概述 39
3.2.1 進程的概念 39
3.2.2 進程的狀態 41
3.2.3 進程控制塊 43
3.3 進程控制 44
3.3.1 進程控制的概念 44
3.3.2 進程控制機構及其功能 44
3.3.3 進程控制的過程 44
3.4 線程概述 46
3.4.1 線程的概念 46
3.4.2 多線程的概念和優點 46
3.4.3 線程的實現 47
3.4.4 多線程模型 47
3.4.5 線程池 49
3.5 處理器調度 49
3.5.1 處理器調度的層次 49
3.5.2 選擇調度算法的準則 50
3.5.3 作業調度 51
3.5.4 進程調度 52
3.6 調度算法 53
3.6.1 先來先服務算法 53
3.6.2 短作業(進程)優先算法 54
3.6.3 優先級調度算法 54
3.6.4 時間片輪轉算法 55
3.6.5 多級隊列調度算法 56
3.6.6 多級反饋隊列調度算法 56
3.6.7 高響應比優先調度算法 58
3.7 多處理器調度和實時調度 58
3.7.1 多處理器調度 58
3.7.2 實時調度 59
3.8 Linux的進程管理 60
3.8.1 Linux的進程描述符 60
3.8.2 Linux的進程狀態及轉換 61
3.8.3 Linux進程的調度 62
3.8.4 Linux進程的創建和終止 63
3.8.5 Linux的線程管理 64
3.9 小結 65
3.10 思考練習 66
第4章 進程同步與死鎖 68
4.1 進程的同步和互斥 68
4.1.1 進程的同步 68
4.1.2 進程的互斥 69
4.1.3 信號量機制 71
4.1.4 信號量的使用方法 76
4.1.5 信號量的應用實例 77
4.2 經典同步問題 78
4.2.1 生產者消費者問題 78
4.2.2 讀者寫者問題 80
4.2.3 哲學家進餐問題 83
4.2.4 理發師問題 85
4.3 管程 86
4.3.1 管程的基本概念 87
4.3.2 條件變量 88
4.3.3 使用管程解決生產者消費者
問題 89
4.4 進程通信 90
4.4.1 進程通信的概念 90
4.4.2 進程通信的方式 90
4.4.3 消息傳遞系統 91
4.4.4 消息緩沖隊列通信機制 93
4.4.5 管道通信方式 95
4.4.6 Linux的進程通信 95
4.5 死鎖 100
4.5.1 死鎖的概念 100
4.5.2 死鎖產生的原因和必要條件 101
4.5.3 死鎖的描述資源分配圖 103
4.5.4 處理死鎖的方法 105
4.6 死鎖的預防和避免 105
4.6.1 死鎖的預防 105
4.6.2 死鎖的避免 107
4.7 死鎖的檢測和解除 112
4.7.1 死鎖的檢測 112
4.7.2 死鎖的解除 115
4.8 小結 116
4.9 思考練習 116
第5章 存儲管理 119
5.1 存儲管理概述 119
5.1.1 多級存儲結構 120
5.1.2 程序裝入內存的過程 121
5.1.3 存儲管理的任務 124
5.1.4 存儲管理的功能 124
5.1.5 存儲管理方式 127
5.2 連續內存分配 129
5.2.1 單一連續分配 129
5.2.2 固定分區分配 130
5.2.3 動態分區分配 131
5.2.4 可重定位分區分配 135
5.3 處理內存不足的手段 137
5.3.1 覆蓋 137
5.3.2 交換 138
5.4 分頁存儲管理 139
5.4.1 分頁存儲管理的基本原理 139
5.4.2 地址映射 141
5.4.3 頁表的結構 143
5.4.4 頁面的共享 145
5.5 分段存儲管理 146
5.5.1 分段存儲管理方式的引入 146
5.5.2 分段存儲管理的基本原理 147
5.5.3 段的共享和保護 149
5.6 段頁式存儲管理 150
5.7 Linux的存儲管理 152
5.7.1 物理內存管理 153
5.7.2 進程虛擬地址空間管理 155
5.8 小結 157
5.9 思考練習 157
第6章 虛擬存儲器 160
6.1 虛擬存儲器的引入 160
6.1.1 傳統存儲管理方式的特征 160
6.1.2 局部性原理 161
6.1.3 虛擬存儲器的概念 161
6.2 虛擬存儲器的實現方法 162
6.2.1 請求分頁系統 162
6.2.2 請求分段系統 163
6.3 虛擬存儲器的特征 163
6.4 請求分頁存儲管理 164
6.4.1 請求分頁存儲管理的硬件支持 164
6.4.2 請求分頁存儲管理的內存分配 166
6.4.3 頁面調入策略 168
6.5 頁面置換算法 170
6.5.1 置換算法 170
6.5.2 先進先出置換算法 171
6.5.3 近久未使用置換算法 172
6.5.4 少使用置換算法 173
6.5.5 Clock置換算法 173
6.6 頁面緩沖算法 174
6.6.1 影響頁面換進換出效率的因素 174
6.6.2 頁面緩沖算法概述 175
6.7 訪問內存的有效時間 176
6.8 工作集理論和抖動問題 176
6.8.1 多道程序度與抖動 177
6.8.2 工作集 178
6.8.3 抖動的預防方法 179
6.9 請求分段存儲管理 180
6.9.1 請求分段存儲管理的硬件支持 180
6.9.2 分段的共享與保護 182
6.10 小結 184
6.11 思考練習 185
第7章 文件管理 186
7.1 文件的概念 186
7.1.1 文件及其分類 186
7.1.2 文件的屬性 189
7.2 文件目錄的概念 189
7.2.1 文件控制塊和文件目錄 189
7.2.2 文件目錄結構 191
7.2.3 目錄的實現方式 194
7.3 文件操作和目錄操作 195
7.3.1 文件操作 195
7.3.2 目錄操作 196
7.4 文件的邏輯結構 197
7.4.1 文件邏輯結構的類型 198
7.4.2 順序文件 199
7.4.3 索引文件 199
7.4.4 索引順序文件 200
7.5 文件的物理結構 200
7.5.1 連續文件 201
7.5.2 鏈接文件 201
7.5.3 隨機文件 202
7.5.4 連續文件、鏈接文件與隨機
文件的比較 203
7.6 文件存儲空間的分配 204
7.6.1 連續分配 204
7.6.2 鏈接分配 205
7.6.3 索引分配 209
7.7 文件存儲空間的管理 211
7.7.1 空閑文件目錄 212
7.7.2 空閑鏈表法 212
7.7.3 位示圖 214
7.8 文件系統 214
7.8.1 文件系統概述 215
7.8.2 文件系統的實現 215
7.9 文件的共享和保護 216
7.9.1 文件的共享 216
7.9.2 文件的保護 218
7.9.3 文件系統的可靠性 219
7.10 Linux的文件系統 220
7.10.1 虛擬文件系統 220
7.10.2 EXT2文件系統 222
7.11 小結 224
7.12 思考練習 224
第8章 設備管理 226
8.1 設備管理的概念 226
8.1.1 設備的分類 226
8.1.2 設備管理的任務和功能 228
8.1.3 I/O系統的結構 229
8.2 設備控制器 229
8.2.1 設備控制器的基本功能 230
8.2.2 設備控制器的組成 230
8.2.3 CPU與控制器的通信方式 231
8.3 I/O控制方式 231
8.3.1 程序直接控制方式 232
8.3.2 中斷控制方式 233
8.3.3 DMA方式 234
8.3.4 通道控制方式 236
8.4 中斷技術 237
8.4.1 中斷的基本概念 238
8.4.2 中斷的作用 238
8.4.3 中斷的分類與優先級 239
8.4.4 軟中斷 239
8.4.5 中斷處理過程 240
8.5 緩沖技術 241
8.5.1 緩沖技術的引入 241
8.5.2 緩沖的種類 241
8.5.3 緩沖池的管理 242
8.6 設備分配 244
8.6.1 設備分配的數據結構 245
8.6.2 設備分配的原則 246
8.6.3 SPOOLing系統 247
8.6.4 虛擬設備共享打印機 249
8.7 I/O軟件管理 249
8.7.1 I/O軟件設計的注意事項 249
8.7.2 I/O中斷處理程序 250
8.7.3 設備驅動程序 251
8.7.4 設備無關軟件 253
8.7.5 用戶層I/O軟件 255
8.8 磁盤調度和管理 255
8.8.1 磁盤結構 255
8.8.2 磁盤訪問時間 256
8.8.3 磁盤調度 257
8.8.4 磁盤高速緩存 260
8.8.5 磁盤管理 261
8.8.6 廉價磁盤冗余陣列 262
8.9 Linux的設備管理 264
8.9.1 設備文件 265
8.9.2 字符設備管理 265
8.9.3 塊設備管理 266
8.9.4 網絡設備管理 267
8.10 小結 268
8.11 思考練習 269
第9章 操作系統的安全和保護 270
9.1 計算機系統安全和
操作系統安全 270
9.1.1 計算機系統安全概述 270
9.1.2 操作系統安全及信息安全
評價準則 271
9.1.3 計算機安全威脅分類 272
9.2 對計算機系統的攻擊 273
9.2.1 常用的攻擊方式 273
9.2.2 邏輯炸彈和陷阱門 274
9.2.3 特洛伊木馬和登錄欺騙 275
9.2.4 緩沖區溢出 276
9.3 計算機病毒 277
9.3.1 計算機病毒的基本概念 277
9.3.2 計算機病毒的類型 279
9.3.3 計算機病毒的預防和檢測 280
9.4 操作系統安全機制 281
9.4.1 加密機制 281
9.4.2 認證機制 283
9.4.3 授權機制 285
9.4.4 審計機制 285
9.5 訪問控制機制 286
9.5.1 保護域 286
9.5.2 訪問矩陣的概念 287
9.5.3 訪問矩陣的修改 288
9.5.4 訪問矩陣的實現 289
9.6 Linux的安全機制 290
9.7 小結 292
9.8 思考練習 293
第10章 嵌入式操作系統 294
10.1 嵌入式系統概述 294
10.1.1 嵌入式系統的定義 294
10.1.2 嵌入式系統與個人計算機的
異同 295
10.1.3 嵌入式系統的硬件體系 295
10.2 嵌入式軟件 297
10.2.1 嵌入式控制軟件 297
10.2.2 嵌入式操作系統 299
10.3 常見的嵌入式操作系統 301
10.3.1 C/OS-III 301
10.3.2 嵌入式Linux 302
10.4 小結 303
10.5 思考練習 304
參考文獻 305
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