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内容概要:本书详细介绍了操作系统的基本概念、发展历程、结构特点和关键功能。从操作系统的定义、特征、功能出发,逐步探讨其形成和发展过程,涵盖人工操作阶段、单道和多道批处理、分时操作系统等多种类型。随后深入讲解操作系统的内部结构,包括整体结构、分层结构、虚拟机结构等,并重点介绍常用的Windows、UNIX和Linux系统。此外,书中详细讨论了处理器管理、存储管理、进程同步与死锁、存储管理和网络操作系统等多个核心主题,提供了丰富的实例和思考练习。 适合人群:计算机科学专业的学生、从事计算机系统开发的技术人员,尤其是初学者和有一定基础的研发人员。 使用场景及目标:帮助读者理解操作系统的基本原理和技术细节,掌握常用操作系统的特性和应用场景,适用于课程学习和实际项目开发。 其他说明:本书内容全面,理论与实践相结合,适合作为教材和参考书使用。通过阅读本书,读者不仅可以深入了解操作系统的工作原理,还可以通过思考练习提升实际操作能力。
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操作系统原理与实践教程
目 录
第 1 章 操作系统概论
.........................................
1
1.1 操作系统的概念
.....................................
1
1.1.1 操作系统的定义
.................................
1
1.1.2 操作系统的特征
.................................
3
1.1.3 操作系统的功能
.................................
4
1.1.4 操作系统的设计目标
..........................
8
1.1.5 操作系统的性能指标
..........................
8
1.2 操作系统的形成和发展
........................
9
1.2.1 人工操作阶段
.....................................
9
1.2.2 单道批处理
.........................................
9
1.2.3 多道批处理
.......................................
10
1.2.4 分时操作系统
...................................
11
1.2.5 个人计算机操作系统
........................
12
1.2.6 实时操作系统
...................................
13
1.2.7 网络操作系统
...................................
14
1.2.8 分布式操作系统
...............................
15
1.2.9 操作系统的进一步发展
.....................
16
1.3 操作系统的结构
...................................
17
1.3.1 整体结构
..........................................
18
1.3.2 分层结构
..........................................
19
1.3.3 虚拟机结构
.......................................
20
1.3.4 外核结构
..........................................
21
1.3.5 客户机/服务器结构
...........................
21
1.4 常用操作系统简介
...............................
22
1.4.1 Windows系列操作系统
.....................
22
1.4.2 UNIX和Linux系统
............................
24
1.5 小结
..........................................................
26
1.6 思考练习
.................................................
26
第 2 章 操作系统的界面
.................................
28
2.1 用户工作环境
........................................
28
2.1.1 用户环境
..........................................
28
2.1.2 系统的生成与引导
............................
29
2.1.3 实例分析:Linux系统启动
................
31
2.2 操作系统的用户接口
..........................
32
2.2.1 命令接口
..........................................
33
2.2.2 图形用户接口
...................................
34
2.2.3 程序接口
..........................................
34
2.3 操作系统提供的服务
..........................
35
2.3.1 操作系统提供的基本服务
.................
35
2.3.2 操作系统提供的公共函数
.................
36
2.4 小结
..........................................................
37
2.5 思考练习
.................................................
37
第 3 章 处理器管理
...........................................
38
3.1 程序的执行
............................................
38
3.1.1 程序的顺序执行
................................
38
3.1.2 程序的并发执行
................................
39
3.2 进程概述
.................................................
39
3.2.1 进程的概念
.......................................
39
3.2.2 进程的状态
.......................................
41
3.2.3 进程控制块
.......................................
43
3.3 进程控制
.................................................
44
3.3.1 进程控制的概念
................................
44
3.3.2 进程控制机构及其功能
.....................
44
3.3.3 进程控制的过程
................................
44
3.4 线程概述
.................................................
46
3.4.1 线程的概念
.......................................
46
3.4.2 多线程的概念和优点
........................
46
3.4.3 线程的实现
.......................................
47
3.4.4 多线程模型
.......................................
47
3.4.5 线程池
..............................................
49
IV
3.5 处理器调度
............................................
49
3.5.1 处理器调度的层次
............................
49
3.5.2 选择调度算法的准则
........................
50
3.5.3 作业调度
..........................................
51
3.5.4 进程调度
..........................................
52
3.6 调度算法
.................................................
53
3.6.1 先来先服务算法
...............................
53
3.6.2 短作业(进程)优先算法
......................
54
3.6.3 优先级调度算法
...............................
54
3.6.4 时间片轮转算法
...............................
55
3.6.5 多级队列调度算法
............................
56
3.6.6 多级反馈队列调度算法
.....................
56
3.6.7 高响应比优先调度算法
.....................
58
3.7 多处理器调度和实时调度
.................
58
3.7.1 多处理器调度
...................................
58
3.7.2 实时调度
..........................................
59
3.8 Linux的进程管理
..................................
60
3.8.1 Linux的进程描述符
..........................
60
3.8.2 Linux的进程状态及转换
...................
61
3.8.3 Linux进程的调度
..............................
62
3.8.4 Linux进程的创建和终止
...................
63
3.8.5 Linux的线程管理
..............................
64
3.9 小结
..........................................................
65
3.10 思考练习
...............................................
66
第 4 章 进程同步与死锁
.................................
68
4.1 进程的同步和互斥
...............................
68
4.1.1 进程的同步
.......................................
68
4.1.2 进程的互斥
.......................................
69
4.1.3 信号量机制
.......................................
71
4.1.4 信号量的使用方法
............................
76
4.1.5 信号量的应用实例
............................
77
4.2 经典同步问题
........................................
78
4.2.1 生产者—消费者问题
........................
78
4.2.2 读者—写者问题
...............................
80
4.2.3 哲学家进餐问题
...............................
83
4.2.4 理发师问题
.......................................
85
4.3 管程
..........................................................
86
4.3.1 管程的基本概念
...............................
87
4.3.2 条件变量
..........................................
88
4.3.3 使用管程解决生产者—消费者
问题
.................................................
89
4.4 进程通信
.................................................
90
4.4.1 进程通信的概念
................................
90
4.4.2 进程通信的方式
................................
90
4.4.3 消息传递系统
...................................
91
4.4.4 消息缓冲队列通信机制
.....................
93
4.4.5 管道通信方式
...................................
95
4.4.6 Linux的进程通信
..............................
95
4.5 死锁
.......................................................
100
4.5.1 死锁的概念
....................................
100
4.5.2 死锁产生的原因和必要条件
...........
101
4.5.3 死锁的描述——资源分配图
............
103
4.5.4 处理死锁的方法
.............................
105
4.6 死锁的预防和避免
............................
105
4.6.1 死锁的预防
....................................
105
4.6.2 死锁的避免
....................................
107
4.7 死锁的检测和解除
............................
112
4.7.1 死锁的检测
....................................
112
4.7.2 死锁的解除
....................................
115
4.8 小结
.......................................................
116
4.9 思考练习
..............................................
116
第 5 章 存储管理
.............................................
119
5.1 存储管理概述
.....................................
119
5.1.1 多级存储结构
................................
120
5.1.2 程序装入内存的过程
.....................
121
5.1.3 存储管理的任务
.............................
124
5.1.4 存储管理的功能
.............................
124
5.1.5 存储管理方式
................................
127
5.2 连续内存分配
.....................................
129
5.2.1 单一连续分配
................................
129
5.2.2 固定分区分配
................................
130
5.2.3 动态分区分配
................................
131
5.2.4 可重定位分区分配
.........................
135
5.3 处理内存不足的手段
.......................
137
5.3.1 覆盖
..............................................
137
5.3.2 交换
..............................................
138
V
目 录
5.4 分页存储管理
......................................
139
5.4.1 分页存储管理的基本原理
...............
139
5.4.2 地址映射
........................................
141
5.4.3 页表的结构
.....................................
143
5.4.4 页面的共享
.....................................
145
5.5 分段存储管理
......................................
146
5.5.1 分段存储管理方式的引入
...............
146
5.5.2 分段存储管理的基本原理
...............
147
5.5.3 段的共享和保护
.............................
149
5.6 段页式存储管理
.................................
150
5.7 Linux的存储管理
................................
152
5.7.1 物理内存管理
.................................
153
5.7.2 进程虚拟地址空间管理
...................
155
5.8 小结
........................................................
157
5.9 思考练习
...............................................
157
第 6 章 虚拟存储器
.........................................
160
6.1 虚拟存储器的引入
.............................
160
6.1.1 传统存储管理方式的特征
...............
160
6.1.2 局部性原理
.....................................
161
6.1.3 虚拟存储器的概念
..........................
161
6.2 虚拟存储器的实现方法
....................
162
6.2.1 请求分页系统
.................................
162
6.2.2 请求分段系统
.................................
163
6.3 虚拟存储器的特征
.............................
163
6.4 请求分页存储管理
.............................
164
6.4.1 请求分页存储管理的硬件支持
........
164
6.4.2 请求分页存储管理的内存分配
........
166
6.4.3 页面调入策略
.................................
168
6.5 页面置换算法
......................................
170
6.5.1 最佳置换算法
.................................
170
6.5.2 先进先出置换算法
..........................
171
6.5.3 最近最久未使用置换算法
...............
172
6.5.4 最少使用置换算法
..........................
173
6.5.5 Clock置换算法
................................
173
6.6 页面缓冲算法
......................................
174
6.6.1 影响页面换进换出效率的因素
........
174
6.6.2 页面缓冲算法概述
..........................
175
6.7 访问内存的有效时间
........................
176
6.8 工作集理论和抖动问题
...................
176
6.8.1 多道程序度与“抖动”
..................
177
6.8.2 工作集
...........................................
178
6.8.3 “抖动”的预防方法
.....................
179
6.9 请求分段存储管理
............................
180
6.9.1 请求分段存储管理的硬件支持
.......
180
6.9.2 分段的共享与保护
.........................
182
6.10 小结
.....................................................
184
6.11 思考练习
............................................
185
第 7 章 文件管理
.............................................
186
7.1 文件的概念
.........................................
186
7.1.1 文件及其分类
................................
186
7.1.2 文件的属性
....................................
189
7.2 文件目录的概念
................................
189
7.2.1 文件控制块和文件目录
..................
189
7.2.2 文件目录结构
................................
191
7.2.3 目录的实现方式
.............................
194
7.3 文件操作和目录操作
.......................
195
7.3.1 文件操作
.......................................
195
7.3.2 目录操作
.......................................
196
7.4 文件的逻辑结构
................................
197
7.4.1 文件逻辑结构的类型
.....................
198
7.4.2 顺序文件
.......................................
199
7.4.3 索引文件
.......................................
199
7.4.4 索引顺序文件
................................
200
7.5 文件的物理结构
................................
200
7.5.1 连续文件
.......................................
201
7.5.2 链接文件
.......................................
201
7.5.3 随机文件
.......................................
202
7.5.4 连续文件、链接文件与随机
文件的比较
....................................
203
7.6 文件存储空间的分配
.......................
204
7.6.1 连续分配
.......................................
204
7.6.2 链接分配
.......................................
205
7.6.3 索引分配
.......................................
209
7.7 文件存储空间的管理
.......................
211
7.7.1 空闲文件目录
................................
212
7.7.2 空闲链表法
....................................
212
VI
7.7.3 位示图
............................................
214
7.8 文件系统
...............................................
214
7.8.1 文件系统概述
.................................
215
7.8.2 文件系统的实现
.............................
215
7.9 文件的共享和保护
.............................
216
7.9.1 文件的共享
.....................................
216
7.9.2 文件的保护
.....................................
218
7.9.3 文件系统的可靠性
..........................
219
7.10 Linux的文件系统
.............................
220
7.10.1 虚拟文件系统
...............................
220
7.10.2 EXT2文件系统
..............................
222
7.11 小结
......................................................
224
7.12 思考练习
.............................................
224
第 8 章 设备管理
.............................................
226
8.1 设备管理的概念
.................................
226
8.1.1 设备的分类
.....................................
226
8.1.2 设备管理的任务和功能
...................
228
8.1.3 I/O系统的结构
................................
229
8.2 设备控制器
..........................................
229
8.2.1 设备控制器的基本功能
...................
230
8.2.2 设备控制器的组成
..........................
230
8.2.3 CPU与控制器的通信方式
...............
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 中断控制方式
.................................
233
8.3.3 DMA方式
.......................................
234
8.3.4 通道控制方式
.................................
236
8.4 中断技术
...............................................
237
8.4.1 中断的基本概念
.............................
238
8.4.2 中断的作用
.....................................
238
8.4.3 中断的分类与优先级
......................
239
8.4.4 软中断
............................................
239
8.4.5 中断处理过程
.................................
240
8.5 缓冲技术
...............................................
241
8.5.1 缓冲技术的引入
.............................
241
8.5.2 缓冲的种类
.....................................
241
8.5.3 缓冲池的管理
.................................
242
8.6 设备分配
...............................................
244
8.6.1 设备分配的数据结构
.....................
245
8.6.2 设备分配的原则
.............................
246
8.6.3 SPOOLing系统
..............................
247
8.6.4 虚拟设备——共享打印机
...............
249
8.7 I/O软件管理
........................................
249
8.7.1 I/O软件设计的注意事项
.................
249
8.7.2 I/O中断处理程序
...........................
250
8.7.3 设备驱动程序
................................
251
8.7.4 设备无关软件
................................
253
8.7.5 用户层I/O软件
...............................
255
8.8 磁盘调度和管理
................................
255
8.8.1 磁盘结构
.......................................
255
8.8.2 磁盘访问时间
................................
256
8.8.3 磁盘调度
.......................................
257
8.8.4 磁盘高速缓存
................................
260
8.8.5 磁盘管理
.......................................
261
8.8.6 廉价磁盘冗余阵列
.........................
262
8.9 Linux的设备管理
...............................
264
8.9.1 设备文件
.......................................
265
8.9.2 字符设备管理
................................
265
8.9.3 块设备管理
....................................
266
8.9.4 网络设备管理
................................
267
8.10 小结
.....................................................
268
8.11 思考练习
............................................
269
第 9 章 操作系统的安全和保护
.................
270
9.1 计算机系统安全和
操作系统安全
.....................................
270
9.1.1 计算机系统安全概述
.....................
270
9.1.2 操作系统安全及信息安全
评价准则
.......................................
271
9.1.3 计算机安全威胁分类
.....................
272
9.2 对计算机系统的攻击
.......................
273
9.2.1 常用的攻击方式
.............................
273
9.2.2 逻辑炸弹和陷阱门
.........................
274
9.2.3 特洛伊木马和登录欺骗
..................
275
9.2.4 缓冲区溢出
....................................
276
9.3 计算机病毒
.........................................
277
9.3.1 计算机病毒的基本概念
..................
277
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