計算機操作系統

王潔，女，工學博士，山西省霍州市人。現為山西師範大學數學與計算機科學學院教授，碩士生導師，副院長，網絡空間安全一級學科碩士學位點負責人，兼任山西省計算機學會理事。2016年博士畢業於北京工業大學計算機科學應用專業。目前主要從事理性密碼學、大數據安全及隱私保護等方面的研究，主持山西省自然科學基金項目1項；已支持完成山西省軟科學基金項目2項、山西省高等學校決策咨詢（智庫）研究項目1項；參與國家自然科學基金項目1項、山西省自然科學基金項目4項。先後在《通信學報》、《西南交通大學學報》、《Journal of Security and Its Applications》等學術期刊上發表文章10余篇。

目錄

配套資源

第1章操作系統概論1

1.1操作系統的概念1

1.1.1操作系統的定義1

1.1.2操作系統的特征1

1.1.3操作系統的功能2

1.1.4操作系統的設計目標4

1.2操作系統的發展過程5

1.2.1未配置操作系統的計算機系統5

1.2.2單道批處理系統5

1.2.3多道批處理系統6

1.2.4分時操作系統8

1.2.5實時操作系統9

1.2.6微機操作系統10

1.2.7網絡操作系統11

1.2.8分布式操作系統11

1.2.9操作系統的進一步發展12

1.3操作系統的結構14

1.3.1整體結構14

1.3.2模塊化結構14

1.3.3分層式14

1.3.4微內核結構15

1.3.5外核結構15

1.4系統調用16

1.4.1系統調用的基本概念16

1.4.2系統調用的類型16

1.5思政案例18

1.5.1思政元素18

1.5.2課程思政案例18

小結19

思考練習19

第2章進程的描述與控制21

2.1前驅圖和程序執行21

2.1.1前驅圖21

2.1.2程序順序執行21

2.1.3程序並發執行22

2.1.4程序並發執行的條件23

2.2進程的描述24

2.2.1進程的定義與特征24

2.2.2進程的基本狀態與轉換25

2.2.3進程掛起27

2.3進程控制29

2.3.1進程的創建29

2.3.2進程的切換30

2.3.3上下文切換30

2.3.4進程的終止30

2.3.5進程的阻塞與喚醒30

2.3.6進程的掛起與激活31

2.4進程通信31

2.4.1進程通信的類型31

2.4.2消息傳遞通信的實現方式32

2.5線程的概念33

2.5.1線程的引入33

2.5.2線程與進程的關系35

2.5.3線程的管理35

2.6思政案例36

2.6.1思政元素36

2.6.2課程思政案例37

小結38

思考練習38

第3章處理器調度與死鎖40

3.1處理器調度概述40

3.1.1處理器調度的層次40

3.1.2作業和作業調度42

3.1.3進程調度42

3.2調度算法44

3.2.1調度算法的目標44

3.2.2先來先服務調度算法44

3.2.3短作業（進程）優先算法45

3.2.4優先級調度算法45

3.2.5時間片輪轉算法46

3.2.6多級隊列調度算法47

3.2.7多級反饋隊列調度算法47

3.2.8高響應比優先調度算法48

3.2.9基於公平原則的調度算法49

3.3實時調度49

3.3.1實現實時調度的基本條件49

3.3.2實時調度算法分類50

3.3.3最早截止時間優先算法50

3.3.4最低松弛度優先算法50

3.3.5優先級倒置51

3.4死鎖概述52

3.4.1資源問題52

3.4.2死鎖的定義、產生的原因、必要條件53

3.4.3資源分配圖53

3.4.4死鎖的預防53

3.4.5死鎖的避免54

3.4.6死鎖的檢測和解除54

3.5思政案例55

3.5.1思政元素55

3.5.2課程思政案例56

小結58

思考練習58

第4章並發控制——互斥與同步59

4.1並發原理59

4.1.1進程的互斥59

4.1.2進程的同步59

4.1.3信號量機制60

4.1.4信號量的使用方法60

4.1.5信號量的應用實例60

4.2經典同步問題61

4.2.1生產者消費者問題61

4.2.2讀者寫者問題62

4.2.3哲學家進餐問題65

4.2.4理發師問題67

4.3管程70

4.3.1管程的基本概念70

4.3.2條件變量70

4.3.3使用管程解決生產者消費者問題71

4.4思政案例73

4.4.1思政元素73

4.4.2課程思政案例74

小結75

思考練習75

第5章存儲器管理76

5.1存儲器管理概述76

5.1.1存儲器的層次結構76

5.1.2程序的裝入與鏈接77

5.1.3對換與覆蓋77

5.2連續分配存儲管理方式78

5.2.1單一連續分配79

5.2.2固定分區分配79

5.2.3動態分區分配80

5.2.4可重定位分區分配81

5.3分頁存儲管理82

5.3.1分頁存儲管理的基本原理82

5.3.2地址變換機構84

5.3.3引入快表後的內存有效訪問時間86

5.3.4兩級頁表和多級頁表86

5.3.5反置頁表88

5.4分段存儲管理88

5.4.1分段存儲管理方式的引入88

5.4.2分段存儲管理的基本原理89

5.4.3信息共享89

5.5段頁式存儲管理90

5.5.1基本原理90

5.5.2地址結構90

5.5.3段表與頁表91

5.5.4地址變換過程91

5.6思政案例92

5.6.1思政元素92

5.6.2課程思政案例93

小結94

思考練習94

第6章虛擬存儲器95

6.1虛擬存儲器的引入95

6.1.1傳統存儲管理方式的特征95

6.1.2局部性原理95

6.1.3虛擬存儲器的概念與特征96

6.1.4虛擬存儲器的實現方法96

6.2請求分頁存儲管理方式97

6.2.1缺頁中斷的處理98

6.2.2作業運行時的頁面走向100

6.3頁面置換算法102

6.3.1最佳頁面置換算法103

6.3.2先進先出置換算法103

6.3.3最近最久未使用置換算法105

6.3.4最少使用置換算法106

6.3.5Clock置換算法106

6.3.6頁面緩沖算法106

6.3.7請求分頁系統的內存有效訪問時間107

6.4工作集理論和抖動問題107

6.4.1多道程序度與“抖動”107

6.4.2工作集109

6.4.3“抖動”的預防方法110

6.5請求分段存儲管理111

6.5.1請求分段存儲管理的硬件支持111

6.5.2分段的共享與保護111

6.6思政案例112

6.6.1思政元素112

6.6.2課程思政案例112

小結114

思考練習114

第7章輸入/輸出系統115

7.1I/O系統的功能、模型與接口115

7.1.1I/O系統的基本功能115

7.1.2I/O系統的層次結構及模型117

7.1.3I/O系統的接口118

7.2I/O設備與設備控制器120

7.2.1I/O設備120

7.2.2設備控制器120

7.2.3內存映像I/O121

7.2.4I/O通道121

7.2.5I/O設備的控制方式122

7.3中斷技術122

7.3.1中斷的基本概念122

7.3.2中斷處理程序123

7.4設備驅動程序123

7.4.1設備驅動程序概述123

7.4.2設備驅動程序的執行過程124

7.4.3設備驅動程序的框架125

7.5與設備無關的I/O軟件126

7.5.1與設備無關軟件的基本概念126

7.5.2與設備無關軟件的共有操作126

7.5.3設備分配與回收127

7.5.4邏輯設備名映射到物理設備名128

7.5.5I/O調度129

7.6用戶層的I/O軟件130

7.6.1系統調用與庫函數130

7.6.2SPOOLing系統131

7.7緩沖區管理132

7.7.1緩沖的引入132

7.7.2單緩沖區與雙緩沖區133

7.7.3設備驅動程序133

7.7.4環形緩沖區134

7.7.5緩沖池134

7.7.6緩存135

7.8磁盤性能概述和磁盤調度135

7.8.1磁盤性能概述135

7.8.2早期的磁盤調度算法136

7.8.3基於掃描的磁盤調度算法136

7.9思政案例137

7.9.1思政元素137

7.9.2課程思政案例137

小結139

思考練習139

第8章文件管理140

8.1文件和文件系統140

8.1.1文件、記錄和數據項140

8.1.2文件名和文件類型140

8.1.3文件系統的層次結構141

8.1.4文件操作141

8.2文件目錄的概念142

8.2.1文件控制塊和索引節點142

8.2.2簡單的文件目錄143

8.2.3樹狀目錄144

8.2.4無環圖目錄144

8.2.5目錄查詢技術145

8.3文件的邏輯結構146

8.3.1文件邏輯結構的類型146

8.3.2順序文件146

8.3.3索引文件147

8.3.4索引順序文件147

8.3.5直接文件和哈希文件147

8.4文件的物理結構147

8.4.1連續分配148

8.4.2鏈接分配148

8.4.3索引分配150

8.5文件共享151

8.5.1利用有向無環圖實現文件共享151

8.5.2利用符號鏈接實現文件共享152

8.6思政案例153

8.6.1思政元素153

8.6.2課程思政案例153

小結154

思考練習154

第9章操作系統的安全和保護155

9.1操作系統安全基礎155

9.1.1操作系統的安全特征155

9.1.2操作系統的安全威脅方式156

9.2操作系統面臨的安全威脅156

9.2.1惡意用戶與非法訪問157

9.2.2系統漏洞與弱點157

9.2.3惡意代碼與病毒157

9.2.4端口掃描與網絡攻擊158

9.2.5用戶誤操作與內部威脅158

9.3操作系統的安全機制158

9.3.1加密機制158

9.3.2認證機制159

9.3.3授權機制159

9.3.4審計機制160

9.3.5訪問控制機制160

9.4操作系統安全策略與管理163

9.4.1操作系統安全策略的制定163

9.4.2操作系統安全策略的實施164

9.4.3操作系統安全管理165

9.5操作系統安全與社會責任165

9.5.1政府責任: 構建安全法律框架與國際合作165

9.5.2企業責任: 技術創新與責任擔當165

9.5.3用戶責任: 提升安全意識與自我保護能力166

9.5.4社會監督: 構建全民參與的監督體系166

小結166

思考練習167

參考文獻168