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新工科建设之路计算机类专业规划教材 操作系统原理 胡元义 黑新宏 主编 金海燕 杨凯峰 鲁晓锋 副主编 内 容 简 介 操作系统主要涉及对计算机软、硬件资源的控制和管理。本书对操作系统的实现原理进行了详细和深入的分析，力求做到全面、系统、准确和通俗，以便读者透彻理解操作系统的设计思想，深化对基本概念的掌握。全书共分为 6 章，主要包括：引论、处理器管理、进程同步与通信、存储管理、设备管理和文件管理。本书结构清晰、内容丰富、取材新颖，既强调知识的实用性，又注重理论的完整性，可作为高等院校计算机及相关专业的操作系统课程教材，也可作为从事计算机工作及报考研究生人员的参考资料。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 操作系统原理/胡元义，黑新宏主编.北京：电子工业出版社，2018.8 ISBN 978-7-121-34038-3 I操 II胡 黑 III操作系统高等学校教材 IVTP316 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 074475 号 策划编辑：章海涛 责任编辑：章海涛 文字编辑：孟 宇 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：20 字数：485 千字 版 次：2018 年 8 月第 1 版 印 次：2018 年 8 月第 1 次印刷 定 价：48.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：。III 前 言 操作系统为计算机的使用提供了一个方便灵活、安全可靠的环境，特别是 Windows 操作系统的出现，使得使用计算机只需单击鼠标。操作系统是计算机专业的一门核心课程，在计算机本科教学中占有十分重要的地位。操作系统主要涉及对计算机软、硬件资源的控制和管理，其理论性强，内容抽象。特别是进程管理，需要通过缜密、细致的逻辑思维来想象微观世界中处理器的调度与运行，这种抽象、复杂的内容不易理解，也难以掌握。本书对操作系统的实现原理进行了详细和深入的分析，力求做到全面、系统、准确和通俗，以便读者透彻理解操作系统的设计思想，深化对基本概念的掌握。操作系统是现有软件系统中最复杂的软件系统之一，代码多达几亿条。著名计算机科学家 P.Denning 和他的助手及同事们认为，在操作系统方面取得了进程、内存管理、信息的保护与安全性、调度与资源管理以及系统结构等 5 项主要的成就。现今，信息的保护与安全性已作为一门独立的课程来讲授，即计算机信息安全；而系统结构的部分内容已经转化为硬件的内容，在计算机系统结构课程中讲授。本书围绕操作系统取得的主要成就（除上述已经独立设课的内容外），从原理出发，详细介绍了操作系统有关内容，注重操作系统理论的发展与传承，注意知识的连贯性与拓展性，并通过精选的示例和图例来帮助读者理解与掌握操作系统知识，同时还设计了一些不同于其他操作系统教材的算法，如睡眠理发师问题、吃水果问题、读者-写者问题等 P、V 操作和管程实现算法，对深入理解操作系统原理提供了更好的帮助。全书共分 6 章：第 1 章引论，主要介绍操作系统的基本概念、操作系统的发展过程、操作系统的分类、操作系统运行的硬件环境以及操作系统与用户的接口；第 2 章处理器管理，主要介绍进程的引入和描述、进程状态及转换、进程调度及调度算法、进程控制和线程；第 3 章进程同步与通信，主要介绍进程同步与互斥、临界区的使用、实现进程同步与互斥的工具（P、V 操作和管程）、进程通信和进程死锁；第 4 章存储管理，主要介绍存储管理的基本概念和功能、各种存储管理技术、虚拟存储的思想及实现方法；第 5 章设备管理，主要介绍 I/O 设备的硬件结构和软件组成、I/O 设备控制方式、设备管理使用的有关技术及设备分配；第 6 章文件管理，主要介绍文件的概念、文件的逻辑结构和物理结构、文件目录、文件存储空间的组织和管理、文件的共享和保护。本书结构清晰、内容丰富、取材新颖，既强调知识的实用性，又注重理论的完整性。本书是编者 30 年在操作系统方面取得的教学实践成果的总结，同时也汲取了国内外优秀操作系统教材的精华。此外，本书配套了辅助教材操作系统原理习题解析与上机指导 IV（ISBN 978-7-121-34037-6），在学习中配合使用将会得到更好的效果。本书还配有教学用的电子教案，以供教学与学习使用。本书可作为高等院校计算机及相关专业的操作系统课程教材，也可作为从事计算机工作及报考研究生人员的参考资料。限于编者水平，书中难免有疏漏之处，敬请读者赐教。本书的相关教学资源，可以从华信教育资源网站（http:/）下载。编 者 2018 年 5 月 V 目 录 第 1 章 引论 1 1.1 操作系统的概念 1 1.1.1 什么是操作系统 1 1.1.2 操作系统的主要功能 4 1.1.3 操作系统的基本特征 6 1.2 操作系统的逻辑结构和运行模型 8 1.2.1 用户态和内核态的划分 8 1.2.2 操作系统的逻辑结构 9 1.2.3 操作系统的运行模型 11 1.3 操作系统的形成与发展 12 1.3.1 操作系统的形成时期 12 1.3.2 操作系统的成熟时期 15 1.3.3 操作系统的进一步发展时期 17 1.4 主要操作系统的类型 19 1.4.1 批处理操作系统 19 1.4.2 分时操作系统 20 1.4.3 实时操作系统 21 1.4.4 微机操作系统 23 1.4.5 网络操作系统 24 1.4.6 多 CPU 操作系统 25 1.4.7 分布式操作系统 27 1.4.8 嵌入式操作系统 29 1.5 操作系统安全性概述 30 1.5.1 操作系统安全的重要性 30 1.5.2 操作系统的安全观点 31 1.5.3 实现操作系统安全性的基本技术 31 1.6 操作系统运行基础 32 1.6.1 处理器及工作模式 32 1.6.2 中断技术 36 1.6.3 系统调用 40 习题 1 42 第 2 章 处理器管理 47 2.1 进程的概念 47 VI2.1.1 程序的顺序执行 47 2.1.2 程序的并发执行 48 2.1.3 进程 50 2.2 进程的状态及转换 53 2.2.1 两状态进程模型 53 2.2.2 进程的三态模型 53 2.2.3 进程的五态模型 55 2.2.4 进程的挂起 56 2.2.5 进程控制块 58 2.3 进程控制 60 2.3.1 进程切换 60 2.3.2 进程控制原语 62 2.4 处理器调度 65 2.4.1 作业与进程的关系 66 2.4.2 CPU 的三级调度 67 2.4.3 处理器调度队列模型 69 2.4.4 进程调度的方式和时机 71 2.5 单处理器调度算法 73 2.5.1 调度原则 73 2.5.2 常用调度算法 75 2.5.3 实时调度 80 2.6 线程 82 2.6.1 线程的引入 82 2.6.2 线程的概念 83 2.6.3 线程与传统进程的比较 84 2.6.4 线程实现原理 85 习题 2 86 第 3 章 进程同步与通信 93 3.1 进程同步的基本概念 93 3.1.1 并发进程的关系 93 3.1.2 进程的互斥与同步 94 3.1.3 临界资源与临界区 95 3.2 进程互斥方法 97 3.2.1 实现进程互斥的硬件方法 97 3.2.2 实现进程互斥的软件方法 99 3.3 信号量机制 101 3.3.1 信号量 101 3.3.2 使用信号量实现进程互斥 103 3.3.3 使用信号量实现进程同步 105 VII3.4 经典互斥与同步问题 108 3.4.1 生产者-消费者问题 108 3.4.2 哲学家进餐问题 111 3.4.3 读者-写者问题 114 3.4.4 睡眠理发师问题 117 3.5 经典互斥与同步问题的应用 119 3.5.1 缓冲区数据传送问题 119 3.5.2 吃水果问题 120 3.5.3 汽车过桥问题 122 3.6 管程机制 123 3.6.1 条件变量与管程结构 123 3.6.2 生产者-消费者问题的管程解决方法 125 3.6.3 哲学家进餐问题的管程解决方法 127 3.6.4 读者-写者问题的管程解决方法 128 3.6.5 睡眠理发师问题的管程解决方法 129 3.6.6 吃水果问题的管程解决方法 131 3.7 进程通信 132 3.7.1 进程通信的概念 132 3.7.2 共享内存通信方式 133 3.7.3 消息缓冲通信方式 134 3.7.4 信箱通信方式 137 3.7.5 管道通信方式 139 3.8 死锁 140 3.8.1 产生死锁的原因和必要条件 141 3.8.2 死锁的预防 145 3.8.3 死锁的避免 146 3.8.4 死锁的检测与解除 152 习题 3 155 第 4 章 存储管理 163 4.1 程序的链接和装入 163 4.1.1 逻辑地址和物理地址 164 4.1.2 程序链接 164 4.1.3 程序装入 165 4.2 存储器及存储管理的基本功能 168 4.2.1 多级存储器体系 169 4.2.2 内存的分配与回收以及地址转换 170 4.2.3 内存的共享、保护及扩充 171 4.3 分区式存储管理 173 4.3.1 单一连续分区存储管理 173 VIII4.3.2 固定分区存储管理 175 4.3.3 可变分区存储管理 177 4.3.4 覆盖与交换技术 182 4.4 分页存储管理 184 4.4.1 分页存储管理的基本原理 184 4.4.2 分页存储管理的地址转换与存储保护 186 4.4.3 两级页表和多级页表 189 4.4.4 内存物理块的分配与回收 191 4.5 分段存储管理 192 4.5.1 分段存储管理的基本原理 192 4.5.2 分段存储管理的地址转换与存储保护 194 4.5.3 分段存储管理的优缺点 197 4.6 段页式存储管理 198 4.6.1 段页式存储管理的基本原理 198 4.6.2 段页式存储管理的地址转换与特点 199 4.7 虚拟存储管理 201 4.7.1 虚拟存储器的概念 201 4.7.2 请求分页存储管理 203 4.7.3 请求分段存储管理 212 4.7.4 请求段页式存储管理 216 习题 4 218 第 5 章 设备管理 225 5.1 设备管理概述 225 5.1.1 设备的分类 225 5.1.2 设备管理的目标和功能 226 5.2 I/O 设备管理系统的组成 228 5.2.1 I/O 系统的硬件组织 228 5.2.2 I/O 系统的软件组织 233 5.3 I/O 设备控制方式 238 5.3.1 程序直接 I/O 控制方式 238 5.3.2 程序中断 I/O 控制方式 239 5.3.3 直接存储器存取 I/O 控制方式 240 5.3.4 I/O 通道控制方式 242 5.3.5 4 种 I/O 控制方式的对比 245 5.4 缓冲技术与虚拟设备技术 246 5.4.1 缓冲技术 246 5.4.2 虚拟设备技术 250 5.5 设备的分配与回收 252 5.5.1 用于设备分配的数据结构 252 IX5.5.2 设备分配 254 5.5.3 设备回收 258 5.6 磁盘存储器管理 259 5.6.1 存储设备概述 259 5.6.2 磁盘调度 260 5.6.3 提高磁盘 I/O 速度的方法 264 5.6.4 磁盘阵列（RAID）266 习题 5 270 第 6 章 文件管理 274 6.1 文件系统基本概念 274 6.1.1 文件系统的引入 274 6.1.2 文件与文件系统 275 6.1.3 文件操作 278 6.2 文件的组织结构 280 6.2.1