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操作系统课程是计算机、软件及相关专业的核心课程和必修课程，是计算机文化基础知识的重要组成部分。本书理论与实践案例并重，全面、系统地阐述了操作系统的重要概念和原理，深入、细致地剖析了操作系统的组成结构和运行机制，给出了相关概念、原理在Linux操作系统中的实现方法，提供了大量鲜活的应用实例，详细说明了Linux实验环境搭建方法，给出了完整可用的Linux C源程序及编译和运行方法，方便读者无障碍实验学习和再创造，为培养具有扎实的专业理论知识和较强实践能力的高级工程技术人才提供可理解、可实践的内容和素材。对Linux内核进行了深入分析，给出了其系统模型。全书共分8章，内容包括：操作系统概论，处理器管理，并发进程的同步、互斥与死锁，存储管理，设备管理，文件管理，操作系统安全，多处理机与多计算机操作系统，涵盖了操作系统的经典、核心内容及扩展内容。本书结构完整，逻辑清晰，言简意赅，理论和实践、Linux内核分析相呼应，理解和应用交替穿插，有效克服了学习的单调性，有助于活跃学生思维，激发学生的学习兴趣。本书可作为计算机及软件类本科、专科专业课程教材或参考书，也可作为对工程实践能力有着更高要求的面向卓越工程师培养的同样专业的课程教材或参考书，也可供计算机及软件行业工程技术人员、内核分析与开发人员及研究生阅读和参考。

第1章  操作系统概论	1
1.1  操作系统的资源管理功能和目标	1
1.1.1  操作系统的定义	1
1.1.2  操作系统在计算机系统中的位置	2
1.1.3  操作系统的资源管理技术	2
1.1.4  操作系统运行程序的服务	4
实验1  Linux操作系统实验环境搭建	5
1.1.5  操作系统的目标	10
1.2  操作系统的功能	10
1.3  操作系统的主要特性	11
1.3.1  并发性	11
1.3.2  共享性	12
1.3.3  异步性	13
1.3.4  虚拟性	13
1.4  操作系统的发展和分类	13
1.4.1  操作系统的发展	13
1.4.2  操作系统的分类	15
1.5  操作系统的用户接口	18
1.5.1  程序接口	18
实验2  Linux程序接口实验	20
1.5.2  操作接口	21
实验3  Linux操作接口实验	23
1.6  操作系统的结构设计	26
1.6.1  操作系统的主要构件	26
1.6.2  操作系统的结构	27
1.6.3  操作系统运行模型	29
习题1	30
第2章  处理器管理	32
2.1  处理器	32
2.1.1  寄存器	32
2.1.2  指令系统、特权指令与非特权指令	33
2.1.3  处理器工作模式（状态）及切换	33
2.1.4  程序状态字寄存器	34
2.2  中断	35
2.2.1  中断概念	35
2.2.2  中断源分类	35
2.2.3  中断处理	37
2.2.4  中断与操作系统的关系	38
2.3  进程及其实现	39
2.3.1  引入进程概念的必要性	39
2.3.2  进程定义和属性	39
2.3.3  进程状态与切换	40
2.3.4  进程描述	42
2.3.5  进程切换	47
2.3.6  模式切换	49
2.3.7  进程控制与管理	50
实验4  Linux进程控制实验	52
2.4  线程及其实现	53
2.4.1  多线程的引入	53
2.4.2  多线程环境中的进程与线程	54
2.4.3  多线程的实现方法	56
实验5  结果不唯一的多线程并发运行实例	58
实验6  多线程共享资源并发访问控制	59
2.5  处理器调度系统	62
2.6  处理器调度算法	67
2.6.1  低级调度的功能和类型	67
2.6.2  作业调度和低级调度算法	68
2.7  Intel x86中断机构	75
2.7.1  中断向量及中断分类	75
2.7.2  中断	75
2.7.3  异常	75
2.7.4  硬件中断机构	76
2.7.5  中断描述符表	76
2.7.6  中断和异常响应过程	76
2.7.7  中断/异常返回过程	77
2.7.8  中断嵌套	77
2.7.9  硬件级的进程上下文切换机制	78
2.8  Linux中断管理	78
2.8.1  Linux中的中断向量及用途分配	78
2.8.2  Linux中断描述符表的初始化	78
2.8.3  注册中断	79
2.8.4  Linux中断向量的数据结构	79
2.8.5  Linux内核栈的设置	80
2.8.6  Linux中断处理程序执行过程	80
2.8.7  Linux中断/异常处理返回	81
2.8.8  异常处理	81
2.8.9  I/O中断与时钟中断处理	81
2.9  Linux进程管理	82
2.9.1  Linux进程结构	82
2.9.2  Linux进程组织	84
2.9.3  Linux进程控制	85
2.9.4  Linux进程调度	88
2.9.5  抢占内核与非抢占内核	90
2.9.6  内核同步	91
2.9.7  Linux线程管理	91
习题2	91
第3章  并发进程的同步、互斥与死锁	95
3.1  并发进程	95
3.1.1  程序执行的顺序性	95
3.1.2  程序执行的并发性	96
3.1.3  与并发执行时间有关的错误	99
3.1.4  进程间的关系	100
3.2  临界区管理	102
3.2.1  临界区调度原则	102
3.2.2  实现临界区管理的几种错误算法	103
3.2.3  实现临界区管理的Peterson算法	104
3.2.4  实现临界区管理的硬件设施	105
3.3  同步	107
3.3.1  同步与同步机制	107
3.3.2  信号量与PV操作	108
3.3.3  利用信号量实现互斥	110
3.3.4  利用信号量实现进程同步	111
3.3.5  Linux系统中的同步互斥功能	120
实验7  使用信号量解决生产者?消费者
?问题	120
3.4  管程	123
3.4.1  管程的概念	123
3.4.2  管程的实现	126
3.4.3  管程的应用	129
3.5  进程通信	132
3.5.1  管道通信机制	133
实验8  Linux管道通信	133
3.5.2  共享内存通信机制	137
实验9  Linux共享内存通信	137
3.5.3  消息传递通信机制	141
实验10  Linux消息传递通信	144
3.5.4  套接字通信机制	146
实验11  Linux套接字通信	146
3.5.5  信号通信机制	148
3.6  死锁	151
3.6.1  死锁的概念和产生的必要条件	151
3.6.2  死锁防止	152
3.6.3  死锁避免	154
3.6.4  死锁检测与解除	159
3.7  Linux内核中的同步和互斥机制	162
3.8  Linux通信机制	163
3.8.1  Linux管道	164
3.8.2  Linux共享内存	166
3.8.3  Linux消息队列	166
3.8.4  Linux信号量	168
3.8.5  Linux套接字	168
习题3	169
第4章  存储管理	172
4.1  存储器层次	172
4.2  地址重定位、存储保护和存储共享	173
4.3  连续存储管理	175
4.3.1  固定分区存储管理	175
4.3.2  可变分区存储管理	176
4.3.3  伙伴系统	178
4.3.4  内存不足的辅助存储管理技术	179
4.4  分页存储管理	180
4.4.1  分页存储管理方案	180
4.4.2  快表	181
4.4.3  分页存储空间的分配和释放	182
4.4.4  分页存储空间页面共享与保护	183
4.4.5  多级页表	184
4.4.6  反置页表	185
4.5  分段存储管理	185
4.6  虚拟存储管理	187
4.6.1  虚拟存储器原理	187
4.6.2  请求分页式虚拟存储管理	188
4.7  Intel x86存储机构	197
4.7.1  Intel x86段机制	198
4.7.2  Intel x86分页机制	201
4.7.3  Intel x86快表机制	203
4.8  Linux存储管理	203
4.8.1  虚拟地址空间布局（虚拟地址空间
的划分）	203
4.8.2  进程映像的逻辑结构	204
4.8.3  进程虚拟地址空间的组织结构	205
4.8.4  Linux分页机制	208
4.8.5  存储空间管理单元与组织	208
4.8.6  Linux内核空间布局及其映射机制	209
习题4	211
第5章  设备管理	213
5.1  I/O硬件系统	213
5.1.1  I/O设备	213
5.1.2  I/O控制方式	215
5.2  I/O软件系统	219
5.2.1  I/O软件设计目标	219
5.2.2  设备中断处理程序	219
5.2.3  设备驱动程序	220
5.2.4  设备无关I/O软件	223
5.2.5  用户空间的I/O软件	226
5.3  磁盘管理	227
5.3.1  磁盘结构	227
5.3.2  磁盘调度算法	229
5.4  虚拟设备	231
5.4.1  虚拟设备原理	231
5.4.2  SPOOLing系统结构	235
5.5  Linux设备管理	236
5.5.1  设备硬件管理接口	236
5.5.2  Linux设备分类与I/O软件层次	236
5.5.3  字符设备驱动的内核数据和服务
接口	238
5.5.4  字符设备驱动程序的开发、安装
和使用	240
5.5.5  块设备驱动相关的软件层次架构	242
5.5.6  块设备驱动的内核数据和服务
接口	242
5.5.7  块设备驱动程序的开发、安装
和使用	245
5.5.8  Linux设备缓冲管理	246
习题5	249
第6章  文件管理	251
6.1  文件	251
6.1.1  文件的概念	251
6.1.2  文件的类型和属性	252
6.1.3  文件存取方法	253
6.1.4  文件操作	255
实验12  Linux文件操作	256
6.2  目录	258
6.2.1  目录项信息和结构	258
6.2.2  目录层次	260
6.2.3  目录操作	261
6.3  文件结构	261
6.3.1  文件的逻辑结构	261
6.3.2  文件的物理结构	261
6.4  文件系统功能及实现	262
6.4.1  磁盘信息分区	262
6.4.2  文件操作系统调用功能实现	263
6.4.3  文件共享	266
6.5  文件空间管理	269
6.5.1  文件空间分配方法	269
6.5.2  文件外存空间管理	273
6.6  内存映射文件	276
实验13  Linux内存映射文件	278
6.7  虚拟文件系统	280
6.8  Linux虚拟文件系统（VFS）	283
6.8.1  VFS框架结构	283
6.8.2  文件系统操作及数据结构	283
6.8.3  文件、目录操作及数据结构	287
6.9  Linux Ext2文件系统	293
6.9.1  Ext2文件系统结构	294
6.9.2  文件系统操作	297
6.9.3  文件及目录操作	298
习题6	301
第7章  操作系统安全	303
7.1  操作系统安全的概念	303
7.1.1  信息安全及威胁	303
7.1.2  信息保护	304
7.2  信息安全保护机制	306
习题7	309
第8章  多处理机与多计算机操作系统	310
8.1  多处理机操作系统	310
8.2  多计算机操作系统	311
习题8	313

前    言
《操作系统原理与Linux实践教程》自2016年出版以来，通过不断的教学实践、反复深入的思考和大量文献的实例考证为新版教材积累了新的内容。本版教材做了如下修订：
（1）在第2章到第6章末尾分别增加了与相应章节理论相关的主流硬件结构知识和Linux内核功能、数据结构及内核流程解析内容，提供从抽象到具体、理论充分联系实际的多层次教学内容。
（2）基于清晰、准确、简洁的原则修订了个别概念、原理的表述，知识体系仍然保持稳定性。
操作系统是计算机系统的重要组成部分，是保证计算机功能正常、完整、可用的最基本的软件系统。操作系统几乎是每个计算机用户驾驭计算机的唯一系统工具。因此，每个用户理所当然地需要熟悉操作系统。然而，操作系统又是一种异常复杂的软件系统，不仅代码规模庞大，而且组成结构和运行机制复杂，学习、理解操作系统内部奥秘极富挑战性。操作系统直接建立在硬件基础上，对硬件进行管理，向用户屏蔽复杂的硬件细节。计算机系统中的硬件品种众多，工作流程复杂。操作系统需要处理大量的并发任务及并行操作，良好协调这些任务及操作间的同步关系，防止错误的发生。总之，操作系统是计算机系统工作的指挥者、协调者、监控者。理解操作系统乃至进行新的设计及实现均离不开对操作系统概念和理论的熟悉和掌握，这些概念和理论是操作系统领域的共同语言。操作系统课程内容又是程序设计、软件工程等需要以操作系统作为工作支持环境及涉及操作系统内核要素的课程的基础。作为一种复杂的、大规模的软件系统，操作系统的成功研制也是软件工程思想和方法应用的典范，并且为软件工程提供普遍的、可借鉴的、实用的实践方案和模板。例如，操作系统所包含的方便软件维护的模块化、层次化、分布式软件体系结构思想，复杂系统分治策略及各种资源管理中的数据结构在许多应用软件构造中有着类似的应用。因此，操作系统是一门重要的软件理论和方法基础课程。
全书共分8章。第1章，介绍操作系统的定义、地位、功能、特性、发展、分类及结构。重难点内容是对1.1.3 操作系统的资源管理技术；1.3 操作系统的主要特性；1.5.1 程序接口；1.6 操作系统的结构设计的理解与区分。
第2章，讲述进程管理的硬件基础，进程的定义，进程的结构、状态，进程控制，处理器调度以及线程概念和线程实现，Intel x86处理器与中断机构，Linux中断管理和进程管理。重难点内容是2.1.2 指令系统、特权指令与非特权指令；2.1.3 处理器工作模式（状态）及切换；2.2 中断；2.3 进程及其实现；2.4.2 多线程环境中进程与线程；2.6 处理器调度算法。
第3章，讲述并发进程之间的关系，包括并发进程的同步、互斥关系及信号量与PV和管程实现机制、死锁的产生及其解决方案、进程间的通信方案、Linux内核中的同步互斥机制和Linux通信机制。重难点内容是3.1.3 与并发执行时间有关的错误；3.2.1 临界区调度原则；3.3 同步；3.4 管程；3.5 进程通信；3.6 死锁。
第4章，从简单到复杂讲述存储管理技术，包括连续存储管理技术（固定分区、可变分区、伙伴系统）、离散实存管理技术（分页、分段、段页式系统）和虚拟存储管理技术（请求分页、请求分段、请求段页式系统）、Intel x86存储机构和Linux存储管理，重点讲述请求分页式虚拟存储管理技术。重难点内容是4.2 地址重定位、存储保护和存储共享；4.4 分页存储管理；4.6 虚拟存储管理。
第5章，讲述设备管理的硬件基础知识、I/O软件系统层次、磁盘结构与磁盘I/O调度算法、虚拟设备技术、Linux设备管理。重难点内容是5.1.2 I/O控制方式；5.2.3 设备驱动程序；5.3.2 磁盘调度算法；5.4.2 SPOOLing系统结构。
第6章，讲述文件管理系统的文件及目录结构、用户接口功能及其实现、文件空间管理方法、内存映射文件技术及虚拟文件系统结构、Linux虚拟文件系统（VFS）和Linux Ext2文件系统。重难点内容是6.1.4 文件操作；6.3 文件结构；6.4.2 文件操作系统调用功能实现；6.4.3 文件共享；6.5 文件空间管理。
第7章，简述操作系统安全保护机制，了解系统安全隐患与相应的防护措施。
第8章，简述多处理机及多计算机环境下操作系统设计思想，了解复杂硬件条件下与单处理机环境下处理机管理的区别。
对操作系统的内核功能进行实践应用是消除操作系统陌生感的重要学习形式，也是以工程实践能力为培养目标的教学内容的重要组成部分。本书包含经过多年教学实践积累、完善形成的Linux操作系统内核功能完整实验程序和实验环境搭建方法，可供读者无障碍地验证和透彻理解操作系统的相关概念和理论，并在此基础上进行操作系统的应用创新和设计。本书设计了13个实验。实验选材既考虑操作系统概念、理论的验证性需求，同时也考虑相关技术在工程实践中的实用价值，达到学以致用的目的。本版教材增加的主流硬件结构知识和Linux内核流程解析内容则为操作系统的研制、开发、定制提供知识准备。
总之，本书理论与实践并重，满足各类读者的需要。既方便以理论学习为主的人员具体、完整地理解和掌握操作系统的理论知识，又方便需要在理论学习的基础上熟练掌握操作系统内核功能应用技术的人员顺利获得工程实践能力，也有利于减轻Linux内核分析人员和操作系统研发、定制人员理解操作系统内核的阻力。对于安排有独立实验学时的班级，教材中的实验可以在实验学时进行。对于课程安排在实验室或机房，但是没有独立实验学时的班级，教材中的实验可以嵌入理论讲授的适当时机进行，实验时长由教师根据学生情况及总学时合理确定。建议理论讲授与实验交替进行，防止学习形式的单调性，保持学生的学习兴趣。对于不具备统一实验条件的班级，教材中的实验可以由学生课下进行，教师决定验收与否。对以理论教学为主的班级，新增的主流硬件结构知识和Linux内核分析内容可以作为学生的课外学习内容，完成学习报告，计入平时成绩。略过教材中的实验章节以及新增的主流硬件结构知识和Linux内核分析内容，并不影响操作系统理论体系的完整性。
本书内容与知识结构图形象直观地描述了本书核心章节，可帮助读者总览知识全局、准确定位知识细节。
由于作者水平有限，加上操作系统代码规模庞大、复杂，分析不易，难以获得系统、完整、准确的第一手资料作为佐证，书中内容难免存在错误，敬请读者批评、指正，以便共同改进教材。为方便课程讲授，华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）提供了本书配套教学资源，供教师下载，或与作者联系索取。电子邮箱：iefsshen@zzu.edu.cn。
用于搭建实验环境的Ubuntu Linux操作系统可从官方网站下载安装。Ubuntu新版本不断推出，读者可能下载到高于本书使用的Ubuntu版本，高版本Ubuntu完全可以替代本书使用的低版本Ubuntu顺利安装和完成实验。

编  者

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操作系统原理与Linux实践教程（第2版）