现代操作系统（第2版）

第1章 引论 1

1.1 什么是操作系统 2

1.1.1 作为扩展机器的操作系统 2

1.1.2 作为资源管理者的操作系统 2

1.2 操作系统的历史 3

1.2.1 第一代（1945～1955）：真空管和

插件板 3

1.2.2 第二代（1955～1965）：晶体管和

批处理系统 4

1.2.3 第三代（1965～1980）：集成电路和多道程序设计 5

1.2.4 第四代（1980～至今）：个人计算机 7

1.2.5 个体的重复发展 9

1.3 操作系统大观 10

1.3.1 大型机操作系统 10

1.3.2 服务器操作系统 10

1.3.3 多处理机操作系统 10

1.3.4 个人计算机操作系统 10

1.3.5 实时操作系统 10

1.3.6 嵌入式操作系统 11

1.3.7 智能卡操作系统 11

1.4 计算机硬件介绍 11

1.4.1 处理器 11

1.4.2 存储器 13

1.4.3 I/O设备 15

1.4.4 总线 17

1.5 操作系统概念 19

1.5.1 进程 19

1.5.2 死锁 20

1.5.3 存储管理 21

1.5.4 输入/输出 21

1.5.5 文件 21

1.5.6 安全 23

1.5.7 shell 23

1.5.8 概念的重用 24

1.6 系统调用 25

1.6.1 用于进程管理的系统调用26

1.6.2 用于文件管理的系统调用28

1.6.3 用于目录管理的系统调用29

1.6.4 其他系统调用 30

1.6.5 Windows Win32 API 30

1.7 操作系统结构 32

1.7.1 单体系统 32

1.7.2 分层系统 33

1.7.3 虚拟机 33

1.7.4 外核 34

1.7.5 客户机－服务器模型 35

1.8 有关操作系统的研究 36

1.9 本书其他部分概要 37

1.10 公制单位 37

1.11 小结 38

习题 38

第2章 进程与线程 41

2.1 进程 41

2.1.1 进程模型 41

2.1.2 进程的创建 42

2.1.3 进程的终止 43

2.1.4 进程的层次结构 44

2.1.5 进程的状态 44

2.1.6 进程的实现 45

2.2 线程 46

2.2.1 线程模型 46

2.2.2 线程的使用 48

2.2.3 在用户空间中实现线程 51

2.2.4 在内核中实现线程 53

2.2.5 混合实现 53

2.2.6 调度程序激活机制 54

2.2.7 弹出式线程 54

2.2.8 使单线程代码多线程化 55

2.3 进程间通信 57

2.3.1 竞争条件 57

2.3.2 临界区 58

2.3.3 忙等待的互斥 59

2.3.4 休眠与唤醒 61

2.3.5 信号量 63

2.3.6 互斥信号量 64

2.3.7 管程 65

2.3.8 消息传递 69

2.3.9 屏障 70

2.4 经典的IPC问题 71

2.4.1 哲学家就餐问题 71

2.4.2 读者-写者问题 73

2.4.3 睡眠理发师问题 74

2.5 调度 75

2.5.1 调度介绍 76

2.5.2 批处理系统中的调度 79

2.5.3 交互式系统中的调度 81

2.5.4 实时系统中的调度 84

2.5.5 策略和机制 85

2.5.6 线程调度 85

2.6 有关进程和线程的研究 86

2.7 小结 87

习题 87

第3章 死锁 91

3.1 资源 91

3.1.1 可抢占资源和不可抢占资源91

3.1.2 资源获取 92

3.2 死锁概述 93

3.2.1 死锁的条件 93

3.2.2 死锁建模 94

3.3 鸵鸟算法 95

3.4 死锁检测和死锁恢复 96

3.4.1 每种类型一个资源的死锁检测96

3.4.2 每种类型多个资源的死锁检测97

3.4.3 从死锁中恢复 99

3.5 死锁避免 100

3.5.1 资源轨迹图 100

3.5.2 安全状态和不安全状态 101

3.5.3 单个资源的银行家算法 101

3.5.4 多个资源的银行家算法 102

3.6 死锁预防 103

3.6.1 破坏互斥条件 103

3.6.2 破坏占有和等待条件 103

3.6.3 破坏不可抢占条件 104

3.6.4 破坏循环等待条件 104

3.7 其他问题 104

3.7.1 两阶段加锁 105

3.7.2 非资源死锁 105

3.7.3 饥饿 105

3.8 有关死锁的研究 105

3.9 小结 106

习题 106

第4章 存储管理 109

4.1 基本存储管理 109

4.1.1 无交换或分页的单道程序设计109

4.1.2 固定分区的多道程序设计110

4.1.3 建立多道程序设计模型 111

4.1.4 多道程序设计系统的性能分析111

4.1.5 重定位和保护 112

4.2 交换 113

4.2.1 使用位图的存储管理 114

4.2.2 使用链表的存储管理 115

4.3 虚拟存储器 116

4.3.1 分页 116

4.3.2 页表 118

4.3.3 转换检测缓冲区 121

4.3.4 倒排页表 122

4.4 页面置换算法 123

4.4.1 最优页面置换算法 123

4.4.2 最近未使用页面置换算法124

4.4.3 先进先出页面置换算法 124

4.4.4 第二次机会页面置换算法125

4.4.5 时钟页面置换算法 125

4.4.6 最近最少使用页面置换算法125

4.4.7 用软件模拟LRU 126

4.4.8 工作集页面置换算法 127

4.4.9 工作集时钟页面置换算法 129

4.4.10 页面置换算法小结 130

4.5 建立页面置换算法模型 131

4.5.1 Belady异常 131

4.5.2 栈式算法 131

4.5.3 距离字符串 133

4.5.4 页面失效率预测 133

4.6 分页系统的设计问题 133

4.6.1 局部分配策略与全局分配策略 134

4.6.2 负载控制 135

4.6.3 页面大小 136

4.6.4 分离的指令空间和数据空间136

4.6.5 共享页面 137

4.6.6 清除策略 138

4.6.7 虚拟存储器接口 138

4.7 有关实现的问题 138

4.7.1 与分页有关的操作系统 138

4.7.2 页面失效处理 139

4.7.3 指令备份 139

4.7.4 锁定内存中的页面 140

4.7.5 后备存储 140

4.7.6 策略和机制的分离 141

4.8 分段 142

4.8.1 纯分段的实现 144

4.8.2 分段和分页结合：MULTICS144

4.8.3 分段和分页结合：Intel Pentium146

4.9 有关存储管理的研究 149

4.10 小结 149

习题 150

第5章 输入/输出 153

5.1 I/O硬件组成原理 153

5.1.1 I/O设备 153

5.1.2 设备控制器 153

5.1.3 内存映射I/O 154

5.1.4 直接存储器存取 156

5.1.5 重温中断 158

5.2 I/O软件原理 160

5.2.1 I/O软件的目标 160

5.2.2 程序控制I/O 161

5.2.3 中断驱动I/O 162

5.2.4 使用DMA的I/O 163

5.3 I/O软件层次 163

5.3.1 中断处理程序 163

5.3.2 设备驱动程序 164

5.3.3 与设备无关的I/O软件 166

5.3.4 用户空间的I/O软件 169

5.4 盘 170

5.4.1 盘的硬件 170

5.4.2 磁盘格式化 179

5.4.3 磁盘臂调度算法 181

5.4.4 错误处理 183

5.4.5 稳定存储器 185

5.5 时钟 187

5.5.1 时钟硬件 187

5.5.2 时钟软件 187

5.5.3 软定时器 189

5.6 面向字符的终端 190

5.6.1 RS-232终端硬件 190

5.6.2 输入软件 192

5.6.3 输出软件 194

5.7 图形用户界面 195

5.7.1 个人计算机键盘、鼠标和显示器硬件 195

5.7.2 输入软件 198

5.7.3 Windows输出软件 198

5.8 网络终端 203

5.8.1 X Window系统 203

5.8.2 SLIM网络终端 206

5.9 电源管理 207

5.9.1 硬件问题 208

5.9.2 操作系统问题 209

5.9.3 退化的操作 212

5.10 关于输入/输出的研究 212

5.11 小结 213

习题 213

第6章 文件系统 217

6.1 文件 217

6.1.1 文件命名 217

6.1.2 文件结构 218

6.1.3 文件类型 219

6.1.4 文件存取 220

6.1.5 文件属性 221

6.1.6 文件操作 221

6.1.7 使用文件系统调用的一个示例程序222

6.1.8 内存映射文件 224

6.2 目录 224

6.2.1 一级目录系统 224

6.2.2 两级目录系统 225

6.2.3 层次目录系统 225

6.2.4 路径名 225

6.2.5 目录操作 227

6.3 文件系统的实现 228

6.3.1 文件系统布局 228

6.3.2 文件的实现 228

6.3.3 目录的实现 231

6.3.4 共享文件 233

6.3.5 磁盘空间管理 234

6.3.6 文件系统的可靠性 237

6.3.7 文件系统性能 242

6.3.8 日志结构文件系统 244

6.4 文件系统实例 246

6.4.1 CD-ROM文件系统 246

6.4.2 CP/M文件系统 249

6.4.3 MS-DOS文件系统 250

6.4.4 Windows 98文件系统 252

6.4.5 UNIX V7文件系统 254

6.5 有关文件系统的研究 256

6.6 小结 256

习题 256

第7章 多媒体操作系统 259

7.1 多媒体简介 259

7.2 多媒体文件 261

7.2.1 音频编码 262

7.2.2 视频编码 263

7.3 视频压缩 265

7.3.1 JPEG标准 265

7.3.2 MPEG标准 267

7.4 多媒体进程调度 268

7.4.1 调度同质进程 268

7.4.2 一般实时调度 268

7.4.3 速率单调调度 270

7.4.4 最早最终时限优先调度 270

7.5 多媒体文件系统范型 272

7.5.1 VCR控制功能 272

7.5.2 近似视频点播 273

7.5.3 具有VCR功能的近似视频点播274

7.6 文件存放 276

7.6.1 在单个磁盘上存放文件 276

7.6.2 两个替代的文件组织策略276

7.6.3 近似视频点播的文件存放278

7.6.4 在单个磁盘上存放多个文件279

7.6.5 在多个磁盘上存放文件 281

7.7 高速缓存 282

7.7.1 块高速缓存 282

7.7.2 文件高速缓存 283

7.8 多媒体磁盘调度 284

7.8.1 静态磁盘调度 284

7.8.2 动态磁盘调度 285

7.9 有关多媒体的研究 286

7.10 小结 286

习题 287

第8章 多处理机系统 289

8.1 多处理机 290

8.1.1 多处理机硬件 290

8.1.2 多处理机操作系统类型 294

8.1.3 多处理机同步 297

8.1.4 多处理机调度 299

8.2 多计算机 302

8.2.1 多计算机硬件 302

8.2.2 低层通信软件 305

8.2.3 用户层通信软件 307

8.2.4 远程过程调用 309

8.2.5 分布式共享存储器 310

8.2.6 多计算机调度 313

8.2.7 负载平衡 313

8.3 分布式系统 315

8.3.1 网络硬件 317

8.3.2 网络服务和网络协议 319

8.3.3 基于文档的中间件 321

8.3.4 基于文件系统的中间件 322

8.3.5 基于共享对象的中间件 326

8.3.6 基于协作的中间件 329

8.4 有关多处理机系统的研究 332

8.5 小结 333

习题 333

第9章 安全 337

9.1 安全环境 337

9.1.1 威胁 337

9.1.2 入侵者 338

9.1.3 数据意外遗失 338

9.2 密码学基础 338

9.2.1 秘密密钥加密 339

9.2.2 公钥加密体制 339

9.2.3 单向函数 340

9.2.4 数字签名 340

9.3 用户验证 341

9.3.1 使用口令验证 341

9.3.2 使用实际物体的验证 346

9.3.3 使用生物识别的验证 347

9.3.4 对策 348

9.4 来自系统内部的攻击 349

9.4.1 特洛伊木马 349

9.4.2 登录欺骗 350

9.4.3 逻辑炸弹 350

9.4.4 后门陷阱 350

9.4.5 缓冲区溢出 351

9.4.6 一般安全性攻击 352

9.4.7 著名的安全缺陷 353

9.4.8 安全设计原则 354

9.5 来自系统外部的攻击 355

9.5.1 病毒破坏的场景 355

9.5.2 病毒工作方式 356

9.5.3 病毒如何传播 360

9.5.4 反病毒技术和抑制反病毒技术361

9.5.5 因特网蠕虫 365

9.5.6 移动代码 366

9.5.7 Java安全性 369

9.6 保护机制 371

9.6.1 保护域 371

9.6.2 访问控制列表 372

9.6.3 权能字 374

9.7 可信系统 375

9.7.1 可信计算基 376

9.7.2 安全系统的形式模型 377

9.7.3 多级安全 377

9.7.4 橘皮书安全标准 379

9.7.5 隐蔽信道 380

9.8 有关安全的研究 382

9.9 小结 382

习题 383

第10章 实例研究1：UNIX和Linux387

10.1 UNIX的历史 387

10.1.1 UNICS 387

10.1.2 PDP-11上的UNIX 388

10.1.3 可移植的UNIX 388

10.1.4 伯克利UNIX 389

10.1.5 标准UNIX 389

10.1.6 MINIX 390

10.1.7 Linux 390

10.2 UNIX概述 392

10.2.1 UNIX的目标 392

10.2.2 UNIX接口 392

10.2.3 UNIX shell 393

10.2.4 UNIX实用程序 394

10.2.5 内核结构 395

10.3 UNIX进程 396

10.3.1 基本概念 396

10.3.2 UNIX中的进程管理系统调用398

10.3.3 UNIX中进程的实现 401

10.3.4 引导UNIX 406

10.4 UNIX中的存储管理 407

10.4.1 基本概念 408

10.4.2 UNIX里的存储管理系统调用 409

10.4.3 UNIX中存储管理的实现 410

10.5 UNIX中的输入/输出 415

10.5.1 基本概念 415

10.5.2 UNIX中的输入/输出系统调用 417

10.5.3 UNIX中输入/输出的实现417

10.5.4 流 419

10.6 UNIX文件系统 420

10.6.1 基本概念 420

10.6.2 UNIX中的文件系统调用423

10.6.3 UNIX中文件系统的实现425

10.6.4 NFS：网络文件系统 429

10.7 UNIX中的安全 432

10.7.1 基本概念 432

10.7.2 UNIX中的安全系统调用434

10.7.3 UNIX中安全的实现 434

10.8 小结 435

习题 435

第11章 实例研究2：Windows 2000439

11.1 Windows 2000 的历史 439

11.1.1 MS-DOS 439

11.1.2 Windows 95/98/Me 439

11.1.3 Windows NT 440

11.1.4 Windows 2000 441

11.2 Windows 2000编程 444

11.2.1 Win32应用程序接口 444

11.2.2 注册表 445

11.3 系统结构 447

11.3.1 操作系统结构 447

11.3.2 对象的实现 452

11.3.3 环境子系统 456

11.4 Windows 2000的进程和线程458

11.4.1 基本概念 458

11.4.2 管理作业、进程、线程和纤程的

API调用 460

11.4.3 进程和线程的实现 461

11.4.4 MS-DOS仿真 465

11.4.5 引导Windows 2000 466

11.5 存储管理 467

11.5.1 基本概念 467

11.5.2 存储管理的系统调用 470

11.5.3 存储管理的实现 470

11.6 Windows 2000中的输入/输出474

11.6.1 基本概念 474

11.6.2 输入/输出的API调用 475

11.6.3 I/O实现 476

11.6.4 设备驱动程序 476

11.7 Windows 2000文件系统 478

11.7.1 基本概念 478

11.7.2 Windows 2000中的文件系统API

调用 478

11.7.3 Windows 2000中文件系统的实现 480

11.8 Windows 2000中的安全 486

11.8.1 基本概念 487

11.8.2 安全API调用 487

11.8.3 安全的实现 488

11.9 Windows 2000中的高速缓存机制489

11.10 小结 490

习题 491

第12章 操作系统设计 493

12.1 设计问题的本质 493

12.1.1 目标 493

12.1.2 设计操作系统为什么困难494

12.2 接口设计 495

12.2.1 指导原则 495

12.2.2 范型 496

12.2.3 系统调用接口 498

12.3 实现 499

12.3.1 系统结构 499

12.3.2 机制与策略 501

12.3.3 正交性 502

12.3.4 命名 502

12.3.5 绑定的时机 503

12.3.6 静态与动态结构 503

12.3.7 自顶向下与自底向上的实现504

12.3.8 实用技术 505

12.4 性能 508

12.4.1 操作系统为什么运行缓慢508

12.4.2 什么应该优化 508

12.4.3 空间-时间的权衡 508

12.4.4 高速缓存 510

12.4.5 线索 511

12.4.6 利用局部性 511

12.4.7 优化常见的情况 511

12.5 项目管理 512

12.5.1 人月神话 512

12.5.2 团队结构 513

12.5.3 经验的作用 514

12.5.4 没有银弹 514

12.6 操作系统设计的趋势 514

12.6.1 大型地址空间操作系统515

12.6.2 联网 515

12.6.3 并行系统与分布式系统515

12.6.4 多媒体 516

12.6.5 电池供电的计算机 516

12.6.6 嵌入式系统 516

12.7 小结 516

习题 517

第13章 阅读材料及参考文献 519

13.1 进行深入阅读的建议 519

13.1.1 简介及概要 519

13.1.2 进程和线程 519

13.1.3 死锁 520

13.1.4 存储管理 520

13.1.5 输入/输出 520

13.1.6 文件系统 520

13.1.7 多媒体操作系统 521

13.1.8 多处理机系统 521

13.1.9 安全 522

13.1.10 UNIX和Linux 523

13.1.11 Windows 2000 523

13.1.12 设计原理 523

13.2 按字母顺序排序的参考文献525

索引 537