操作系统本质

本书是一本关于操作系统概念与基础原理的教材。全书围绕现代操作系统的处理器管理、存储管理、设备管理和文件管理等几个重要组件展开，介绍进程、线程、并发、处理器调度、死锁、竞争条件、上下文切换、系统调用、临界区、信号量、分页、分段、地址映射、设备独立性、设备驱动、SPOOLing、磁盘调度、虚拟存储、请求分页、抖动、存储空间管理、文件和目录等主要和核心的操作系统概念，同时也涵盖进程调度算法、互斥算法、银行家算法、经典的进程间通信算法、磁盘调度算法、存储空间管理算法和页面置换算法等常见的操作系统核心算法。本书共11章，第1章和第2章主要从宏观层面介绍操作系统的概念、特征及其分类，并结合计算机体系结构介绍操作系统的体系结构；第3~5章以进程为核心，介绍进程的概念、进程的并发和进程间通信；第6~11章对处理器管理、存储管理、设备管理和文件管理等操作系统核心管理组件进行了介绍。本书不仅可以作为高等院校计算机相关专业的操作系统课程教材，而且涵盖了全国研究生招生考试操作系统课程考试大纲的全部知识点，非常适合作为考研的复习辅导用书。

陈鹏，副教授，计算机软件与理论专业博士（北京航空航天大学），哲学博士后（中国社会科学院哲学所），近五年来发表论文20余篇，著作3部，专利1项，软件著作权10余项。主讲操作系统课程超过10年。

第1章操作系统初识1
1.1操作系统简介1
1.1.1操作系统的定义1
1.1.2操作系统的功能5
1.1.3操作系统的主要特征8
1.1.4时空与逻辑关系10
1.2操作系统的起源12
1.2.1手工操作阶段12
1.2.2联机批处理系统阶段13
1.2.3脱机批处理系统阶段13
1.2.4执行系统阶段14
1.2.5多道批处理系统阶段14
1.3操作系统的分类17
1.3.1按使用环境与功能特征划分18
1.3.2按体系架构划分19
1.3.3按内核划分20
本章小结21
习题21
第2章操作系统的架构23
2.1计算机体系架构23
2.1.1冯·诺依曼体系架构23
2.1.2系统的自举26
2.1.3保护模式与实模式28
2.1.4中断31
2.2操作系统的界面36
2.2.1系统调用36
2.2.2内核态（管态）与用户态（目态）38
2.3操作系统的设计39
2.3.1操作系统的设计哲学39
2.3.2操作系统的逻辑层次40
本章小结41
习题42
操作系统本质目录第3章进程的抽象44
3.1多道程序设计与进程的引入44
3.2进程结构与进程控制45
3.2.1进程控制块45
3.2.2进程的创建48
3.2.3进程的终止49
3.3进程状态转换与上下文切换50
3.3.1进程的状态及其转换50
3.3.2上下文切换52
3.4线程54
3.4.1线程的引入54
3.4.2进程与线程的关系55
3.4.3POSIX线程57
本章小结60
习题60
第4章进程的并发66
4.1并发的问题66
4.2竞争条件67
4.3死锁71
4.4优先级反转77
4.5再谈死锁79
4.5.1产生死锁的必要条件79
4.5.2处理死锁的基本方法80
4.5.3预防死锁81
4.5.4避免死锁82
4.5.5死锁的检测和恢复86
本章小结91
习题92
第5章进程间通信95
5.1临界区与互斥95
5.1.1禁用中断98
5.1.2锁变量99
5.1.3严格轮转法99
5.1.4Dekker算法101
5.1.5Peterson算法104
5.1.6Dijkstra算法108
5.1.7EisenbergMcGuire算法111
5.1.8Lamport bakery算法114
5.1.9测试与设置锁117
5.1.10POSIX的锁机制118
5.2协作与同步120
5.2.1进程同步问题120
5.2.2条件变量123
5.2.3信号量127
5.3消息传送135
5.3.1管道135
5.3.2FIFO138
5.3.3消息队列141
5.3.4共享内存段144
5.4经典IPC问题151
5.4.1哲学家进餐问题151
5.4.2读者写者问题155
5.4.3理发师睡觉问题159
本章小结163
习题164
第6章处理器管理171
6.1处理器调度概述171
6.1.1处理器的虚拟化171
6.1.2调度的进程行为172
6.1.3调度决策173
6.2调度层次173
6.2.1高级调度174
6.2.2低级调度175
6.2.3中级调度176
6.2.4调度与进程生命周期177
6.3调度准则与算法178
6.3.1调度准则178
6.3.2先来先服务调度算法181
6.3.3短作业优先调度算法182
6.3.4最短剩余时间优先调度算法183
6.3.5时间片轮转调度算法184
6.3.6多级反馈队列调度算法186
6.3.7其他调度方式190
本章小结192
习题192
第7章内存管理197
7.1内存管理概述197
7.1.1存储器的层次结构197
7.1.2内存管理需求分析199
7.2无抽象的存储器200
7.3连续内存分配203
7.3.1固定分区分配203
7.3.2动态分区分配204
7.3.3Buddy 系统206
7.4地址空间的抽象213
7.5分段存储管理216
7.6分页存储管理220
7.6.1地址结构221
7.6.2地址变换222
7.6.3页表结构229
7.7段页式存储管理方式232
本章小结236
习题237
第8章设备管理239
8.1设备管理概述239
8.1.1设备分类239
8.1.2IO的硬件241
8.1.3CPU与IO的数据传送方式245
8.1.4缓冲管理249
8.2IO软件249
8.2.1设计目标和原则249
8.2.2中断处理程序253
8.2.3设备驱动程序253
8.2.4内核IO子系统257
8.3IO请求的生命周期261
8.4再谈SPOOLing263
8.4.1SPOOLing介绍263
8.4.2SPOOLing系统的组成264
8.4.3SPOOLing系统的特点265
8.4.4SPOOLing系统的应用（共享打印机）265
本章小结267
习题267
第9章磁盘管理269
9.1磁盘存储器的管理269
9.1.1磁盘设备270
9.1.2磁盘的访问时间271
9.1.3RAID272
9.1.4磁盘连接方式277
9.2磁盘调度279
9.2.1先来先服务279
9.2.2最短寻道时间优先279
9.2.3扫描算法280
9.2.4循环扫描算法281
9.2.5NStepSCAN和FSCAN调度算法282
9.2.6磁盘调度算法的选择284
9.3存储空间管理285
9.3.1位图法285
9.3.2空闲表法286
9.3.3空闲链表法287
9.3.4成组链接法288
本章小结289
习题290
第10章虚拟存储293
10.1虚拟存储概述294
10.1.1对换295
10.1.2局部性297
10.1.3虚拟存储器的定义299
10.1.4虚拟存储器的特征300
10.2请求分页存储管理302
10.2.1地址转换机制305
10.2.2内存分配策略和分配算法307
10.2.3调页策略309
10.2.4页面置换算法310
10.3抖动325
10.3.1抖动的原因325
10.3.2工作集模型326
10.3.3基于页面故障频率的页面替换328
本章小结329
习题329
第11章文件管理331
11.1文件系统概述332
11.1.1文件及文件系统332
11.1.2文件、记录和数据项336
11.1.3文件类型337
11.1.4文件的操作339
11.2文件的逻辑结构343
11.2.1文件逻辑结构的类型344
11.2.2堆345
11.2.3顺序文件346
11.2.4索引顺序文件346
11.2.5索引文件348
11.2.6哈希文件350
11.3文件分配管理351
11.3.1连续分配351
11.3.2链接分配354
11.3.3索引分配355
11.4文件命名359
11.4.1目录管理359
11.4.2链接362
11.4.3识别文件的其他方式365
本章小结366
习题366
结束语369
参考文献与扩展阅读371
A.1一般性文献371
A.2案例研究371
A.3死锁372
A.4同步373
A.5CPU调度373
A.6内存管理374
A.7设备处理374
A.8文件系统375
A.9实现375