[正版]计算机操作系统(慕课版)

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为了满足D下高等学校操作系统课程的教学需求，本书在《计算机操作系统（D四版）》的基础上进行了QFW的内容修订与资源完善，现已全面覆盖全国硕士研究生招生考试操作系统考

试大纲。全书共12章，在引论之后详细介绍了进程的描述与控制、处理机调度与死锁、进程同步、存储器管理、虚拟存储器、输入/输出系统、文件管理、磁盘存储器管理、多处理机操作系

统、保护和安全等操作系统的核心理论内容，跟踪介绍了虚拟化和云计算等前沿技术内容；同时，增加了足量案例与习题（含考研真题）。

本书可以作为高等学校计算机类、电子信息类等相关专业的本科生教材，也可供从事计算机相关工作的技术人员与操作系统的爱好者参考使用，还可作为考研学子的复习与辅导用书。

D 1章　操作系统引论

D 2章　进程的描述与控制

D3章　处理机调度与死锁

D4章　进程同步

D5章　存储器管理

D6章　虚拟存储器

D7章　输入/输出系统

D8章　文件管理

D9章　磁盘存储器管理

D 10章　多处理机操作系统

D 11章　虚拟化和云计算

D 12章　保护和安全

【详细目录】

D 1章 操作系统引论 1

1.1 操作系统的目标和作用 1

1.1.1 操作系统的目标 1

1.1.2 操作系统的作用 2

1.1.3 推动操作系统发展的主要动力 4

1.2 操作系统的发展过程 5

1.2.1 未配置操作系统的计算机系统 5

1.2.2 单道批处理系统 6

1.2.3 多道批处理系统 7

1.2.4 分时系统 8

1.2.5 实时系统 10

1.2.6 微机操作系统 11

1.2.7 嵌入式操作系统 12

1.2.8 网络操作系统 12

1.2.9 分布式操作系统 13

1.3 操作系统的基本特性 14

1.3.1 并发 14

1.3.2 共享 15

1.3.3 虚拟 16

1.3.4 异步 17

1.4 操作系统的运行环境 17

1.4.1 硬件支持 17

1.4.2 操作系统内核 18

1.4.3 处理机的双重工作模式 19

1.4.4 中断与异常 20

1.5 操作系统的主要功能 21

1.5.1 处理机管理功能 21

1.5.2 存储器管理功能 22

1.5.3 设备管理功能 23

1.5.4 文件管理功能 23

1.5.5 接口管理功能 24

1.5.6 现代操作系统的新功能 25

1.6 操作系统的结构设计 26

1.6.1 简单结构 26

1.6.2 模块化结构 27

1.6.3 分层式结构 28

1.6.4 微内核结构 29

1.6.5 外核结构 32

1.7 系统调用 33

1.7.1 系统调用的基本概念 33

1.7.2 系统调用的类型 35

1.8 本章小结 35

习题1（含考研真题） 36

D 2章 进程的描述与控制 38

2.1 前趋图和程序执行 38

2.1.1 前趋图 38

2.1.2 程序顺序执行 39

2.1.3 程序并发执行 40

2.2 进程的描述 42

2.2.1 进程的定义和特征 42

2.2.2 进程的基本状态与转换 43

2.2.3 挂起操作和进程状态的转换 44

2.2.4 进程管理中的数据结构 46

2.3 进程控制 49

2.3.1 进程的创建 49

2.3.2 进程的终止 51

2.3.3 进程的阻塞与唤醒 52

2.3.4 进程的挂起与激活 53

2.4 进程通信 53

2.4.1 进程通信的类型 53

2.4.2 消息传递通信的实现方式 56

2.4.3 Linux进程通信实例 59

2.5 线程的基本概念 62

2.5.1 线程的引入 62

2.5.2 线程与进程的比较 63

2.5.3 线程的状态和线程控制块 64

2.6 线程的实现 65

2.6.1 线程的实现方式 65

2.6.2 线程的实现 67

2.6.3 线程的创建和终止 69

2.7 本章小结 70

习题2（含考研真题） 70

D3章 处理机调度与死锁 72

3.1 处理机调度概述 72

3.1.1 处理机调度的层次 72

3.1.2 作业和作业调度 73

3.1.3 进程调度 74

3.1.4 处理机调度算法的目标 76

3.2 调度算法 77

3.2.1 先来先服务调度算法 77

3.2.2 短作业优先调度算法 78

3.2.3 优先级调度算法 78

3.2.4 轮转调度算法 80

3.3.5 多级队列调度算法 81

3.2.6 多级反馈队列调度算法 82

3.2.7 基于公平原则的调度算法 83

3.3 实时调度 84

3.3.1 实现实时调度的基本条件 84

3.3.2 实时调度算法分类 85

3.3.3 Z早截止时间优先算法 86

3.3.4 Z低松弛度优先算法 87

3.3.5 优先级倒置 88

3.4 Linux进程调度实例 90

3.5 死锁概述 91

3.5.1 资源问题 91

3.5.2 计算机系统中的死锁 92

3.5.3 死锁的定义、必要条件和处理方法 94

3.5.4 资源分配图 95

3.6 死锁预防 96

3.6.1 破坏“请求和保持”条件 96

3.6.2 破坏“不可抢占”条件 97

3.6.3 破坏“循环等待”条件 97

3.7 死锁避免 98

3.7.1 系统安全状态 98

3.7.2 利用银行家算法避免死锁 99

3.8 死锁的检测与解除 102

3.8.1 死锁的检测 102

3.8.2 死锁的解除 103

3.9 本章小结 105

习题3（含考研真题） 105

D4章 进程同步 108

4.1 进程同步的基本概念 108

4.1.1 背景 108

4.1.2 临界区问题 111

4.2 软件同步机制 112

4.3 硬件同步机制 113

4.4 信号量机制 115

4.4.1 信号量机制介绍 115

4.4.2 信号量的应用 118

4.5 管程机制 119

4.6 经典进程的同步问题 122

4.6.1 生产者-消费者问题 122

4.6.2 哲学家进餐问题 125

4.6.3 读者-写者问题 128

4.7 Linux进程同步机制 130

4.8 本章小结 132

习题4（含考研真题） 133

D5章 存储器管理 135

5.1 存储器的层次结构 135

5.1.1 多层结构的存储器 135

5.1.2 主存储器与寄存器 136

5.1.3 高速缓存和磁盘缓存 137

5.2 程序的装入和链接 138

5.2.1 地址绑定和内存保护 138

5.2.2 程序的装入 139

5.2.3 程序的链接 140

5.3 对换与覆盖 142

5.3.1 多道程序环境下的对换技术 142

5.3.2 对换区的管理 143

5.3.3 进程的换出与换入 143

5.3.4 覆盖 145

5.4 连续分配存储管理方式 146

5.4.1 单一连续分配 146

5.4.2 固定分区分配 146

5.4.3 动态分区分配 147

5.4.4 动态重定位分区分配 151

5.5 分页存储管理方式 153

5.5.1 分页存储管理的基本方法 153

5.5.2 地址变换机构 155

5.5.3 引入快表后的内存有效访问时间 157

5.5.4 两级页表和多级页表 157

5.5.5 反置页表 159

5.6 分段存储管理方式 160

5.6.1 分段存储管理方式的引入 160

5.6.2 分段系统的基本原理 161

5.6.3 信息共享 164

5.7 段页式存储管理方式 165

5.8 实例：基于IA-32/x86-64架构的内存管理策略 167

5.9 本章小结 169

习题5（含考研真题） 169

D6章 虚拟存储器 171

6.1 虚拟存储器概述 171

6.1.1 常规存储器管理方式的特征和局部性原理 171

6.1.2 虚拟存储器的定义和特征 172

6.1.3 虚拟存储器的实现方法 173

6.2 请求分页存储管理方式 174

6.2.1 请求分页中的硬件支持 175

6.2.2 请求分页中的内存分配 176

6.2.3 页面调入策略 178

6.3 页面置换算法 180

6.3.1 ZJ页面置换算法和XJ先出页面置换算法 180

6.3.2 Z近Z久未使用页面置换算法和Z少使用页面置换算法 181

6.3.3 Clock页面置换算法 183

6.3.4 页面缓冲算法 184

6.3.5 请求分页系统的内存有效访问时间 185

6.4 “抖动”与工作集 186

6.4.1 多道程序度与“抖动” 186

6.4.2 工作集 187

6.4.3 “抖动”的预防方法 189

6.5 请求分段存储管理方式 189

6.5.1 请求分段中的硬件支持 190

6.5.2 分段的共享与保护 191

6.6 虚拟存储器实现实例 193

6.6.1 实例1：在Windows XP系统中实现虚拟存储器 193

6.6.2 实例2：在Linux系统中实现虚拟存储器 194

6.7 本章小结 195

习题6（含考研真题） 195

D7章 输入/输出系统 198

7.1 I/O系统的功能、模型和接口 198

7.1.1 I/O系统的基本功能 198

7.1.2 I/O系统的层次结构和模型 200

7.1.3 I/O系统接口 202

7.2 I/O设备和设备控制器 203

7.2.1 I/O设备 203

7.2.2 设备控制器 204

7.2.3 内存映像I/O 205

7.2.4 I/O通道 206

7.2.5 I/O设备的控制方式 208

7.3 中断和中断处理程序 212

7.3.1 中断简介 212

7.3.2 中断处理程序 213

7.3.3 实例：Linux系统中断处理 215

7.4 设备驱动程序 217

7.4.1 设备驱动程序概述 217

7.4.2 设备驱动程序的执行过程 218

7.4.3 设备驱动程序的框架 219

7.5 与设备无关的I/O软件 221

7.5.1 与设备无关软件的基本概念 221

7.5.2 与设备无关软件的共有操作 222

7.5.3 设备分配 223

7.5.4 逻辑设备名映射到物理设备名 225

7.5.5 I/O调度 226

7.6 用户层的I/O软件 226

7.6.1 系统调用与库函数 227

7.6.2 假脱机系统 228

7.7 缓冲区管理 231

7.7.1 缓冲的引入 231

7.7.2 单缓冲区和双缓冲区 232

7.7.3 环形缓冲区 234

7.7.4 缓冲池 235

7.7.5 缓存 237

7.8 磁盘性能概述和磁盘调度 237

7.8.1 磁盘性能概述 237

7.8.2 早期的磁盘调度算法 240

7.8.3 基于扫描的磁盘调度算法 241

7.9 本章小结 243

习题7（含考研真题） 244

D8章 文件管理 247

8.1 文件和文件系统 247

8.1.1 文件、记录和数据项 248

8.1.2 文件名和文件类型 249

8.1.3 文件系统的层次结构 250

8.1.4 文件操作 251

8.2 文件的逻辑结构 252

8.2.1 文件逻辑结构的类型 252

8.2.2 顺序文件 253

8.2.3 顺序文件记录寻址 254

8.2.4 索引文件 255

8.2.5 索引顺序文件 256

8.2.6 直接文件和哈希文件 257

8.3 文件目录 258

8.3.1 文件控制块和索引节点 258

8.3.2 简单的文件目录 260

8.3.3 树形目录 262

8.3.4 无环图目录 264

8.3.5 目录查询技术 264

8.4 文件共享 266

8.4.1 利用有向无环图实现文件共享 266

8.4.2 利用符号链接实现文件共享 267

8.5 文件保护 269

8.5.1 保护域 269

8.5.2 访问矩阵的概念 270

8.5.3 访问矩阵的修改 271

8.5.4 访问矩阵的实现 273

8.6 Linux文件系统实例 274

8.6.1 实例1：虚拟文件系统 274

8.6.2 实例2：Linux ext2文件系统 275

8.7 本章小结 276

习题8（含考研真题） 277

D9章 磁盘存储器管理 279

9.1 外存的组织方式 279

9.1.1 连续组织方式 280

9.1.2 链接组织方式 281

9.1.3 索引组织方式 284

9.2 文件存储空间的管理 287

9.2.1 空闲区表法和空闲链表法 288

9.2.2 位示图法 289

9.2.3 成组链接法 290

9.3 提高磁盘I/O速度的途径 291

9.3.1 磁盘高速缓存 291

9.3.2 提高磁盘I/O速度的其他方法 292

9.3.3 廉价磁盘冗余阵列 293

9.4 提高磁盘可靠性的技术 295

9.4.1 DI一级容错技术 295

9.4.2 D二级容错技术 296

9.4.3 基于集群系统的容错技术 297

9.4.4 后备系统 298

9.5 存储新技术 300

9.5.1 传统存储系统 300

9.5.2 新型存储系统 301

9.5.3 硬盘新技术 301

9.6 数据一致性控制 302

9.6.1 事务 302

9.6.2 检查点 303

9.6.3 并发控制 304

9.6.4 重复数据的一致性问题 305

9.7 本章小节 306

习题9（含考研真题） 306

D 10章 多处理机操作系统 310

10.1 多处理机系统的基本概念 310

10.1.1 多处理机系统的引入 310

10.1.2 多处理机系统的类型 311

10.2 多处理机系统的结构 312

10.2.1 统一内存访问多处理机系统结构 312

10.2.2 非统一内存访问多处理机系统结构 315

10.3 多处理机操作系统的特征与分类 318

10.3.1 多处理机操作系统的特征 318

10.3.2 多处理机操作系统的功能 319

10.3.3 多处理机操作系统的类型 321

10.4 多处理机操作系统的进程同步 323

10.4.1 集中式同步方式与分布式同步方式 323

10.4.2 自旋锁 324

10.4.3 读-复制-更新锁 325

10.4.4 二进制指数补偿算法和待锁CPU等待队列机构 326

10.4.5 定序机构 327

10.4.6 面包房算法 328

10.4.7 令牌环算法 329

10.5 多处理机操作系统的进程调度 329

10.5.1 调度性能的评价因素 330

10.5.2 进程分配方式 331

10.5.3 进程（线程）调度方式 332

10.5.3 死锁的分类、检测与解除 335

10.6 本章小结 336

习题10 336

D 11章 虚拟化和云计算 338

11.1 虚拟化的基本概念 338

11.1.1 虚拟化的引入 338

11.1.2 虚拟化的发展 339

11.1.3 虚拟化的必要条件 341

11.1.4 虚拟化的实现方法 342

11.2 虚拟化技术 345

11.2.1 虚拟机监视器 345

11.2.2 CPU虚拟化 346

11.2.3 内存虚拟化 348

11.2.4 I/O虚拟化 348

11.2.5 多核虚拟化 349

11.3 云计算 350

11.3.1 云计算的引入 350

11.3.2 云计算的定义和基本特征 351

11.3.3 虚拟机迁移 352

11.3.4 授权和检查 354

11.4 实例：虚拟机软件 354

11.5 本章小结 355

习题11 356

D 12章 保护和安全 357

12.1 安全环境 357

12.1.1 实现“安全环境”的主要目标 357

12.1.2 系统安全的特征 358

12.1.3 计算机安全的分类 359

12.2 数据加密技术 360

12.2.1 数据加密原理 360

12.2.2 对称加密算法与非对称加密算法 362

12.2.3 数字签名与数字证明书 363

12.3 用户验证 364

12.3.1 口令验证技术 365

12.3.2 基于物理标志的验证技术 367

12.3.3 生物识别验证技术 368

12.4 来自系统内部的攻击 369

12.4.1 早期常用的内部攻击方式 369

12.4.2 逻辑炸弹与陷阱门 370

12.4.3 特洛伊木马与登录欺骗 371

12.4.4 缓冲区溢出 372

12.5 来自系统外部的攻击 373

12.5.1 病毒、蠕虫和移动代码 373

12.5.2 计算机病毒的特征与类型 374

12.5.3 病毒的隐藏方式 376

12.5.4 病毒的预防与检测 377

12.6 可信系统 378

12.6.1 访问矩阵模型和信息流控制模型 378

12.6.2 可信计算基 379

12.6.3 设计安全操作系统的原则 380

12.7 本章小结 382

习题12 382

参考文献 384

1