操作系統(tǒng)原理

前言

我國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)建立于20世紀(jì)50年代。經(jīng)過近60年的迅速發(fā)展，經(jīng)歷了從精英化教育到大眾化教育的發(fā)展階段，目前在校生多達(dá)40余萬(wàn)人，已成為我國(guó)規(guī)模最大的理工科專業(yè)，為國(guó)家建設(shè)培養(yǎng)了大批信息技術(shù)人才。2006年，教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布了《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），提出了以“按培養(yǎng)規(guī)格分類”為核心思想的專業(yè)發(fā)展建議，把計(jì)算機(jī)專業(yè)人才劃分為研究型、工程型、應(yīng)用型三種不同類型。在《規(guī)范》的方針指導(dǎo)下，培養(yǎng)合格的計(jì)算機(jī)本科人才。教育包括知識(shí)、能力、素質(zhì)三個(gè)方面。知識(shí)是基礎(chǔ)、載體和表現(xiàn)形式，能力是技能化的知識(shí)及其綜合體現(xiàn)，素質(zhì)是知識(shí)和能力的升華。專業(yè)教育不僅要重視知識(shí)的傳授，更應(yīng)突出專業(yè)能力的培養(yǎng)，實(shí)施能力導(dǎo)向的教育。如何以知識(shí)為載體實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)和素質(zhì)的提高，特別是實(shí)現(xiàn)專業(yè)能力和素質(zhì)的提高是非常重要的。對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教育而言，要想實(shí)現(xiàn)能力導(dǎo)向的教育，首先要分析專業(yè)能力的構(gòu)成并考慮如何將其培養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐中。為此，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委會(huì)開展了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力（簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)專業(yè)能力）的培養(yǎng)研究。該項(xiàng)研究明確計(jì)算機(jī)專業(yè)本科人才應(yīng)具有的四大基本能力一計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力，并將這四大基本能力分解為82個(gè)能力點(diǎn)，探討如何面對(duì)不同類型學(xué)生的教育需求，在教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行落實(shí)。針對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，由于其培養(yǎng)數(shù)量巨大、社會(huì)需求廣泛和多樣化，所以培養(yǎng)應(yīng)用型人才的專業(yè)能力在具體教學(xué)實(shí)踐上有其自身的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)是為國(guó)家、企事業(yè)信息系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行培養(yǎng)信息化技術(shù)型人才。本類型人才應(yīng)能承擔(dān)信息化建設(shè)的核心任務(wù)，掌握各種計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的性能，善于進(jìn)行系統(tǒng)的集成和配置，有能力管理和維護(hù)復(fù)雜信息系統(tǒng)的運(yùn)行，研究如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)及方便有效地利用系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算等。計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)凸顯了職業(yè)特征，使企業(yè)與學(xué)校的合作更加緊密，部分課程設(shè)置凸顯能力培養(yǎng)特征，教學(xué)模式也呈現(xiàn)了職業(yè)化趨勢(shì)。為體現(xiàn)研究成果在教學(xué)活動(dòng)中的實(shí)現(xiàn)，我們根據(jù)《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)》和計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)和社會(huì)需求出版了這套教材。本套教材面向高等院校計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才培養(yǎng)從知識(shí)傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)型的需求，在內(nèi)容的選擇、體系安排和教學(xué)方法按照專業(yè)能力培養(yǎng)和職業(yè)特征的需要進(jìn)行了探索和詮釋。

內(nèi)容概要

本書全面系統(tǒng)地介紹現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本知識(shí)和最新技術(shù)，并以Linux系統(tǒng)為背景介紹具體實(shí)現(xiàn)。全書共分7章：第1章概述操作系統(tǒng)的定義、功能、特征、主要類型以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；第2章至第6章分別講述進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度、存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)和設(shè)備管理；第7章簡(jiǎn)述現(xiàn)代操作系統(tǒng)的發(fā)展和安全保護(hù)機(jī)制。為強(qiáng)化操作系統(tǒng)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在附錄A中給出7個(gè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)；附錄B給出部分習(xí)題參考答案；附錄C和D分別給出Linux常用系統(tǒng)調(diào)用和常用命令，供教師和學(xué)生參考。    本書可作為大學(xué)本科及?？朴?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的教材，也可作為其他專業(yè)或成人教育的參考書，以及計(jì)算機(jī)工作者的自學(xué)用書。

書籍目錄

出版者的話叢書序言叢書編委會(huì)前言第1章  操作系統(tǒng)概述  1.1  操作系統(tǒng)的概念    1.1.1  計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)    1.1.2  系統(tǒng)初啟一般過程    1.1.3  什么是操作系統(tǒng)    1.1.4  操作系統(tǒng)的目標(biāo)和地位    1.1.5  操作系統(tǒng)的特征和服務(wù)  1.2  操作系統(tǒng)的主要功能  1.3  操作系統(tǒng)的形成和基本類型    1.3.1  操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展    1.3.2  操作系統(tǒng)的基本類型  1.4  操作系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)  1.5  UNIX和Linux系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)  小結(jié)  習(xí)題第2章進(jìn)程管理  2.1  進(jìn)程的概念    2.1.1  程序順序執(zhí)行的特征    2.1.2  程序并發(fā)執(zhí)行及其特征    2.1.3  進(jìn)程概念的引入和定義  2.2  進(jìn)程狀態(tài)描述及組織方式    2.2.1  進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換    2.2.2  進(jìn)程的組成    2.2.3  進(jìn)程組織方式  2.3  進(jìn)程管理和有關(guān)命令    2.3.1  進(jìn)程圖和進(jìn)程管理    2.3.2  Linux進(jìn)程管理    2.3.3  有關(guān)進(jìn)程操作的命令    2.3.4  有關(guān)進(jìn)程管理的系統(tǒng)調(diào)用  2.4  線程概念    2.4.1  什么是線程    2.4.2  線程的實(shí)現(xiàn)方式  2.5  進(jìn)程間的同步與互斥    2.5.1  進(jìn)程間的關(guān)系    2.5.2  競(jìng)爭(zhēng)條件和臨界區(qū)    2.5.3  進(jìn)程同步機(jī)制    2.5.4  信號(hào)量的一般應(yīng)用  2.6  進(jìn)程通信  2.7  管程  2.8  經(jīng)典進(jìn)程同步問題  2.9  死鎖    2.9.1  死鎖概述    2.9.2  死鎖的預(yù)防    2.9.3  死鎖的避免    2.9.4  死鎖的檢測(cè)和恢復(fù)    2.9.5  活鎖和饑餓  小結(jié)  習(xí)題第3章  處理機(jī)調(diào)度  3.1  調(diào)度的作用和級(jí)別  3.2  作業(yè)調(diào)度    3.2.1  作業(yè)狀態(tài)    3.2.2  作業(yè)管理和調(diào)度  3.3  進(jìn)程調(diào)度    3.3.1  進(jìn)程調(diào)度的功能和時(shí)機(jī)    3.3.2  兩級(jí)調(diào)度模型    3.3.3  三級(jí)調(diào)度模型  3.4  調(diào)度性能的評(píng)價(jià)    3.4.1  調(diào)度策略的選擇    3.4.2  性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)  3.5  常用調(diào)度算法  3.6  實(shí)時(shí)調(diào)度  3.7  Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度    3.7.1  Linux進(jìn)程調(diào)度方式    3.7.2  Linux常用調(diào)度命令  3.8  中斷處理和系統(tǒng)調(diào)用    3.8.1  中斷處理的一般過程    3.8.2  系統(tǒng)調(diào)用處理  3.9 shell基本工作原理  小結(jié)  習(xí)題第4章  存儲(chǔ)管理  4.1  地址空間與重定位    4.1.1  用戶程序的地址空間    4.1.2  重定位概念    4.1.3  對(duì)換技術(shù)  4.2  分區(qū)管理技術(shù)    4.2.1  分區(qū)法    4.2.2  可重定位分區(qū)分配  4.3  分頁(yè)技術(shù)    4.3.1  分頁(yè)的基本概念    4.3.2  分頁(yè)系統(tǒng)中的地址映射    4.3.3  頁(yè)的共享和保護(hù)    4.3.4  頁(yè)表的構(gòu)造  4.4  分段技術(shù)    4.4.1  分段的基本概念    4.4.2  分段系統(tǒng)申的地址映射    4.4.3  段的共享和保護(hù)  4.5  虛擬存儲(chǔ)管理    4.5.1  虛擬存儲(chǔ)器的概念    4.5.2  虛擬存儲(chǔ)器的特征  4.6  請(qǐng)求分頁(yè)技術(shù)    4.6.1  請(qǐng)求分頁(yè)的基本思想    4.6.2  硬件支持及缺頁(yè)處理    4.6.3  頁(yè)面置換算法  4.7  內(nèi)存塊分配和抖動(dòng)問題    4.7.1  內(nèi)存塊分配    4.7.2  抖動(dòng)問題    4.7.3  工作集  4.8  段式虛擬存儲(chǔ)器    4.8.1  基本工作過程    4.8.2  動(dòng)態(tài)鏈接和鏈接中斷處理  4.9  段頁(yè)式結(jié)合系統(tǒng)  4.10   Linux系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理技術(shù)    4.10.1  對(duì)換    4.10.2  請(qǐng)求分頁(yè)技術(shù)  小結(jié)  習(xí)題第5章  文件系統(tǒng)  5.1  文件系統(tǒng)概述    5.1.1  文件及其分類    5.1.2  文件系統(tǒng)的功能  5.2  文件的邏輯組織和物理組織    5.2.1  文件的邏輯組織    5.2.2  用戶對(duì)文件的存取方法    5.2.3  文件的物理組織  5.3  目錄文件    5.3.1  文件控制塊和文件目錄    5.3.2  目錄結(jié)構(gòu)  5.4  文件存儲(chǔ)空間的管理  5.5  文件系統(tǒng)的可靠性    5.5.1  壞塊管理    5.5.2  文件的后備和恢復(fù)    5.5.3  文件系統(tǒng)的一致性  5.6  文件共享和保護(hù)    5.6.1  文件共享    5.6.2  文件保護(hù)  5.7  Linux文件系統(tǒng)    5.7.1  文件系統(tǒng)的格式    5.7.2  虛擬文件系統(tǒng)    5.7.3  管道文件    5.7.4  對(duì)文件的主要操作  小結(jié)  習(xí)題第6章設(shè)備管理  6.1  設(shè)備管理概述    6.1.1  設(shè)備分類和標(biāo)識(shí)    6.1.2  I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)    6.1.3  直接存儲(chǔ)器訪問方式    6.1.4  緩沖技術(shù)    6.1.5  設(shè)備管理的功能  6.2  設(shè)備分配技術(shù)    6.2.1  設(shè)備分配技術(shù)和算法    6.2.2  SPOoLing系統(tǒng)  6.3  I/O軟件構(gòu)造原則    6.3.1  I/O軟件目標(biāo)    6.3.2  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序    6.3.3  與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件    6.3.4  用戶空間I/O軟件    6.3.5  處理輸入輸出請(qǐng)求的步驟  6.4  磁盤調(diào)度和管理    6.4.1  磁盤硬件    6.4.2  磁盤調(diào)度算法  6.5  Linux系統(tǒng)設(shè)備管理    6.5.1  設(shè)備管理概述    6.5.2  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核間的接口  小結(jié)  習(xí)題第7章  操作系統(tǒng)的發(fā)展和安全性  7.1  現(xiàn)代操作系統(tǒng)發(fā)展概述    7.1.1  推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力    7.1.2  現(xiàn)代操作系統(tǒng)的發(fā)展  7.2  系統(tǒng)安全性    7.2.1  信息安全問題    7.2.2  一般性安全機(jī)制    7.2.3  保護(hù)機(jī)制  7.3  系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)  小結(jié)  習(xí)題附錄A實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)附錄B  部分習(xí)題參考答案附錄C  Linux常用系統(tǒng)調(diào)用附錄D  Linux常用命令參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：另一個(gè)用戶程序讀取數(shù)據(jù)，并且可以在終端或打印機(jī)上顯示第三個(gè)用戶程序的結(jié)果。在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，CPU在各程序之間來(lái)回進(jìn)行切換：在這個(gè)程序上運(yùn)行一會(huì)兒（如幾十或幾百毫秒），在另一個(gè)程序上再運(yùn)行一會(huì)兒。也就是說，各個(gè)程序是并發(fā)執(zhí)行的。由于多道程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)共享系統(tǒng)資源，共同決定這些資源的狀態(tài)，因此系統(tǒng)中各程序在執(zhí)行過程中就出現(xiàn)了相互制約的新關(guān)系，程序的執(zhí)行出現(xiàn)“走走停停”的新狀態(tài)。這些都是在程序的動(dòng)態(tài)過程中發(fā)生的。而程序本身是機(jī)器能夠翻譯或執(zhí)行的一組動(dòng)作或指令，或者寫在紙面上，或者存放在磁盤等介質(zhì)上，是靜止的。很顯然，直接從程序的字面上無(wú)法看出它什么時(shí)候運(yùn)行、什么時(shí)候停頓，也看不出它是否影響其他程序或者一定受其他程序的影響。綜上所述，用程序這個(gè)靜態(tài)概念已不能如實(shí)反映程序并發(fā)執(zhí)行過程中的這些特征。為此，人們引入“進(jìn)程”（process）這一概念來(lái)描述程序動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程的性質(zhì)。2.進(jìn)程的定義進(jìn)程（或任務(wù)）是在20世紀(jì)60年代中期由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的J.H.Saltzer首先提出的，并在所研制的MULTICS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。IBM公司把進(jìn)程叫做任務(wù)（task），并在TSS/360系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了。進(jìn)程是操作系統(tǒng)的最基本、最重要的概念之一，是對(duì)正在運(yùn)行程序的抽象。引進(jìn)這個(gè)概念對(duì)于理解、描述和設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)都具有極其重要的意義。但是，迄今為止，對(duì)進(jìn)程概念還沒有形成統(tǒng)一的定義，可以從不同的角度來(lái)描述它的基本特征。進(jìn)程最根本的屬性是動(dòng)態(tài)性和并發(fā)性。我們將進(jìn)程定義為：程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過程。為了說明進(jìn)程和程序的關(guān)系，我們舉一個(gè)生活中的事例作比喻：假如你正在按照菜譜上的指導(dǎo)來(lái)烹飪，廚房里有魚、肉、雞蛋、油、鹽和各種調(diào)料。菜譜就相當(dāng)于程序，你就相當(dāng)于處理器（CPU，各種原料就相當(dāng)于數(shù)據(jù)，你按照菜譜上的指令一步步地加工，這一系列動(dòng)作的總和就是進(jìn)程。如果在你切菜時(shí)，電話鈴響了，你會(huì)停下手中的活（保留現(xiàn)場(chǎng)），然后按規(guī)定的步驟接聽電話：拿起話機(jī)、打招呼、交談，最后掛上電話。這一系列步驟是程序，打電話的整個(gè)過程是進(jìn)程。之后，你接著做菜。這樣，CPU就在進(jìn)程間實(shí)施切換?？梢钥闯?，進(jìn)程和程序有密切的關(guān)系，但又是兩個(gè)完全不同的概念，它們?cè)谝韵?個(gè)方面有重要區(qū)別。①程序是靜態(tài)、被動(dòng)的概念，本身可以作為一種軟件資源長(zhǎng)期保存。進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是動(dòng)態(tài)、主動(dòng)的概念，有一定的生命期，會(huì)動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生和消亡。例如，從鍵盤上輸入一條命令：$date則系統(tǒng)就會(huì)針對(duì)這條命令創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程執(zhí)行date命令所對(duì)應(yīng)的程序（以可執(zhí)行文件的形式存放在系統(tǒng)所用的磁盤上）。當(dāng)工作完成后，顯示出當(dāng)前日期和時(shí)間，這個(gè)進(jìn)程就終止了，并從系統(tǒng)中消失，而date命令所對(duì)應(yīng)的程序仍保留在磁盤上。②傳統(tǒng)的進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單位，能與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。進(jìn)程是作為資源申請(qǐng)和調(diào)度單位存在的。通常的程序是不能作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單位而并發(fā)執(zhí)行的。程序在CPU上才能真正地執(zhí)行。系統(tǒng)中以進(jìn)程為單位進(jìn)行CPU的分配，因?yàn)檫M(jìn)程不僅包括相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)，還有一系列描述其活動(dòng)情況的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中的調(diào)度程序能夠根據(jù)各個(gè)進(jìn)程當(dāng)時(shí)的狀況，從中選出一個(gè)最適合運(yùn)行的進(jìn)程，將CPU控制權(quán)交給它，令其運(yùn)行。而程序是靜態(tài)的，系統(tǒng)無(wú)法區(qū)分內(nèi)存中的哪一個(gè)程序更適合運(yùn)行，所以，程序不能作為獨(dú)立的運(yùn)行單位。

編輯推薦

《操作系統(tǒng)原理》按照工程應(yīng)用型高等院?！安僮飨到y(tǒng)”課程的教學(xué)要求和IT行業(yè)對(duì)人才的需求，并參考研究入學(xué)考試大綱編寫而成。書中以Linux系統(tǒng)為實(shí)例，本著重基礎(chǔ)、重能力、求創(chuàng)新、凸顯職業(yè)性的總體思想，全面系統(tǒng)地講述現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法?！恫僮飨到y(tǒng)原理》特點(diǎn)：突出基礎(chǔ)、強(qiáng)調(diào)實(shí)用，講清基本概念，講透核心技術(shù)，講明典型實(shí)現(xiàn)。既講解經(jīng)典理論，又介紹最新開發(fā)應(yīng)用技術(shù)。在講授方法上由淺入深，由表及里，先引出問題，再給出概念、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和典型算法。強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，每章后面給出大量習(xí)題，并在附錄中給出7個(gè)上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

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