“计算机专业能力构成与培养”规划教材（应用型层次）核心课程之一。作者是北京信息科技大学教授，编著过多本操作系统方面的教材，受到市场欢迎。

高等院校计算机专业人才能力培养规划教材
（应用型）

操作系统原理
孟庆昌 等编著

Operating Systems
　　　　　　　　Concepts

本书按照工程应用型高等院校“操作系统”课程的教学要求和IT行业对人才的需求，并参考研究入学考试大纲编写而成。书中以Linux系统为实例，本着重基础、重能力、求创新、凸显职业性的总体思想，全面系统地讲述现代操作系统的关键技术与实现方法。

本书特点
突出基础、强调实用，讲清基本概念，讲透核心技术，讲明典型实现。
既讲解经典理论，又介绍最新开发应用技术。
在讲授方法上由浅入深，由表及里，先引出问题，再给出概念、实现技术和典型算法。
强化实践环节，每章后面给出大量习题，并在附录中给出7个上机实验指导。

本书为教师配有教学课件，有需要的教师可登录华章网站（www.hzbook.com）下载。

操作系统是计算机系统的基本组成部分，是整个计算机系统的基础和核心。它对下操纵硬件的动作，控制各种资源的分配与使用，扩充硬件的功能；对上为用户程序和其他软件、工具等提供运行环境和服务，方便用户的使用。由于操作系统处于这样一种特别重要的地位，因而，操作系统课程就是各大专院校计算机科学与技术专业及相关专业的一门必修课程。
　　本教材根据教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会“计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养”研究课题的研究成果和指导精神，按照“操作系统”教学大纲的要求，本着重基础、重能力、求创新、凸显职业性的总体思想，结合工程应用型高等院校的教学要求和IT行业对人才的需求，并参考硕士研究生入学考试大纲，覆盖考研知识点，经专家组多次审定，又几经修改而成。
　　作者在编写本书过程中，认真坚持“以学生和学习为中心”的教学指导思想，尽量贯彻“方便学生自主学习”的基本原则。本书在课程体系、教学内容、讲授方法等方面具有以下特点：
　　①操作系统课程具有理论性强、概念多、知识面广的特点。为此，本书采取突出基础、强调实用的方针，始终围绕“操作系统是什么，操作系统干什么，操作系统如何干”等基本问题，讲述操作系统的概念、技术和实现—基本概念讲清，核心技术讲透，典型实现讲明。
　　②当今以Linux为代表的开源软件是举世瞩目、发展最快、应用最广的主流软件之一。各国政府对Linux的开发和应用都给予很大关注，全球软件业的研究机构和厂商也积极投入Linux的开发，现在学习和应用Linux已成为众多计算机用户和学生的首选。本书以Linux系统为实例讲述操作系统关键技术的设计与实现，既讲解经典理论，又介绍最新开发应用技术，以求达到学以致用的目的。
　　③在讲授方法上注意由浅入深，由表及里。每章开头先引出问题，然后在正文中给出概念、实现技术和典型算法，并举例说明，努力做到概念严谨、举例贴切。在每章后面对本章内容进行小结。每章最后还附有很多有代表性的习题，这对读者巩固所学知识很有帮助。
　　本书内容分为7章，每一章的主要内容与课堂教学的建议学时安排为：
　　第1章在描述系统初启一般过程的基础上，概述操作系统的定义、基本功能、主要特征、在计算机系统中的地位、主要类型及系统结构。（建议学时：8）
　　第2章从程序并发执行带来的特征入手，引入进程的概念和定义，然后介绍进程的状态转换、进程的组成、进程管理和有关命令，以及线程概念，接着重点讲述进程间的同步与互斥、经典进程同步问题，最后概述死锁的定义及其各种对策。（建议学时：12）
　　第3章在概述调度的作用和级别的基础上，逐一介绍作业状态、作业管理和调度、进程调度的功能和模型，然后给出性能评价标准，并据此对各种常用调度算法进行分析，最后讲述中断处理和系统调用，以及shell基本工作原理。（建议学时：7）
　　第4章在介绍与地址空间有关的概念后，由简到繁地逐一讲解分区管理技术、分页技术、分段技术，在引入虚拟存储器概念后，重点讲述请求分页技术的基本思想、缺页处理、页面置换算法等问题，简要介绍Linux系统的存储管理技术。（建议学时：9）
　　第5章介绍文件系统，包括文件分类、文件系统的功能、文件的逻辑组织和物理组织、目录结构、文件存储空间的管理、文件系统的可靠性、文件共享和保护，作为实例介绍Linux文件系统的构成。（建议学时：8）
　　第6章首先概述设备管理的有关概念和功能，然后讲解设备分配技术、I/O软件构造原则（包括设备驱动程序、与设备无关的I/O软件等）、磁盘调度算法以及Linux系统设备管理。（建议学时：7）
　　第7章首先简要介绍现代操作系统的发展，如网络操作系统、嵌入式操作系统和分布式操作系统等，然后讲解系统安全性，包括信息安全问题、一般性安全机制和主要保护机制等，最后概述系统性能评价技术。（建议学时：5）
　　建议的总学时为56，任课教师在使用本书授课时可根据本校实际情况在学时及内容安排上进行适当取舍。
　　为强化本课程的实践环节，在附录A中给出7个上机实验指导。为了便于自学自测，提高教学效果，针对重点题、难点题和考研题，在附录B中给出部分习题的参考答案；请读者正确使用这部分内容，自觉主动地学习，避免对它的依赖性。附录C和D分别给出Linux常用系统调用和常用命令，供教师和学生参考。
　　本书主要由孟庆昌编写，参加编写、整理、录入工作的还有刘振英、孟欣、牛欣源、马鸣远等。
　　由于编者水平有限，时间仓促，书中难免出现疏漏，恳切期望广大读者给予批评指正，不胜感激。
作　者
2010年5月
于北京信息科技大学

出版者的话
丛书序言
丛书编委会
前言

第1章　操作系统概述 1
1.1　操作系统的概念 1
1.1.1　计算机硬件结构 2
1.1.2　系统初启一般过程 3
1.1.3　什么是操作系统 3
1.1.4　操作系统的目标和地位 5
1.1.5　操作系统的特征和服务 7
1.2　操作系统的主要功能 9
1.3　操作系统的形成和基本类型 12
1.3.1　操作系统的形成和发展 12
1.3.2　操作系统的基本类型 15
1.4　操作系统的主要结构 17
1.5　UNIX和Linux系统的核心结构 20
小结 22
习题 23
第2章　进程管理 24
2.1　进程的概念 24
2.1.1　程序顺序执行的特征 24
2.1.2　程序并发执行及其特征 25
2.1.3　进程概念的引入和定义 26
2.2　进程状态描述及组织方式 29
2.2.1　进程的状态及其转换 29
2.2.2　进程的组成 30
2.2.3　进程组织方式 31
2.3　进程管理和有关命令 33
2.3.1　进程图和进程管理 33
2.3.2　Linux进程管理 35
2.3.3　有关进程操作的命令 37
2.3.4　有关进程管理的系统调用 40
2.4　线程概念 42
2.4.1　什么是线程 43
2.4.2　线程的实现方式 45
2.5　进程间的同步与互斥 46
2.5.1　进程间的关系 46
2.5.2　竞争条件和临界区 48
2.5.3　进程同步机制 49
2.5.4　信号量的一般应用 51
2.6　进程通信 54
2.7　管程 58
2.8　经典进程同步问题 59
2.9　死锁 63
2.9.1　死锁概述 63
2.9.2　死锁的预防 66
2.9.3　死锁的避免 67
2.9.4　死锁的检测和恢复 71
2.9.5　活锁和饥饿 73
小结 74
习题 75
第3章　处理机调度 78
3.1　调度的作用和级别 78
3.2　作业调度 79
3.2.1　作业状态 79
3.2.2　作业管理和调度 80
3.3　进程调度 81
3.3.1　进程调度的功能和时机 81
3.3.2　两级调度模型 82
3.3.3　三级调度模型 83
3.4　调度性能的评价 83
3.4.1　调度策略的选择 83
3.4.2　性能评价标准 84
3.5　常用调度算法 85
3.6　实时调度 89
3.7　Linux系统中的进程调度　 90
3.7.1　Linux进程调度方式 90
3.7.2　Linux常用调度命令 92
3.8　中断处理和系统调用 94
3.8.1　中断处理的一般过程 94
3.8.2　系统调用处理 99
3.9　shell基本工作原理 102
小结 103
习题 104
第4章　存储管理 106
4.1　地址空间与重定位 106
4.1.1　用户程序的地址空间 107
4.1.2　重定位概念 108
4.1.3　对换技术 109
4.2　分区管理技术 110
4.2.1　分区法 110
4.2.2　可重定位分区分配 114
4.3　分页技术 115
4.3.1　分页的基本概念 115
4.3.2　分页系统中的地址映射 117
4.3.3　页的共享和保护 118
4.3.4　页表的构造 119
4.4　分段技术 121
4.4.1　分段的基本概念 122
4.4.2　分段系统中的地址映射 123
4.4.3　段的共享和保护 124
4.5　虚拟存储管理 125
4.5.1　虚拟存储器的概念 125
4.5.2　虚拟存储器的特征 126
4.6　请求分页技术 127
4.6.1　请求分页的基本思想 127
4.6.2　硬件支持及缺页处理 127
4.6.3　页面置换算法 130
4.7　内存块分配和抖动问题 134
4.7.1　内存块分配 134
4.7.2　抖动问题 136
4.7.3　工作集 136
4.8　段式虚拟存储器 137
4.8.1　基本工作过程 138
4.8.2　动态链接和链接中断处理 138
4.9　段页式结合系统 139
4.10　Linux系统的存储管理技术 140
4.10.1　对换 140
4.10.2　请求分页技术 141
小结 143
习题 144
第5章　文件系统 146
5.1　文件系统概述 146
5.1.1　文件及其分类 147
5.1.2　文件系统的功能 149
5.2　文件的逻辑组织和物理组织 150
5.2.1　文件的逻辑组织 150
5.2.2　用户对文件的存取方法 151
5.2.3　文件的物理组织 153
5.3　目录文件 157
5.3.1　文件控制块和文件目录 157
5.3.2　目录结构 158
5.4　文件存储空间的管理 162
5.5　文件系统的可靠性 165
5.5.1　坏块管理 165
5.5.2　文件的后备和恢复 165
5.5.3　文件系统的一致性 167
5.6　文件共享和保护 168
5.6.1　文件共享 168
5.6.2　文件保护 170
5.7　Linux文件系统 172
5.7.1　文件系统的格式 172
5.7.2　虚拟文件系统 175
5.7.3　管道文件 177
5.7.4　对文件的主要操作 178
小结 180
习题 181
第6章　设备管理 183
6.1　设备管理概述 183
6.1.1　设备分类和标识 183
6.1.2　I/O系统结构 185
6.1.3　直接存储器访问方式 187
6.1.4　缓冲技术 188
6.1.5　设备管理的功能 190
6.2　设备分配技术 191
6.2.1　设备分配技术和算法 191
6.2.2　SPOOLing系统 193
6.3　I/O软件构造原则 194
6.3.1　I/O软件目标 194
6.3.2　设备驱动程序 195
6.3.3　与设备无关的I/O软件 197
6.3.4　用户空间I/O软件 198
6.3.5　处理输入输出请求的步骤 199
6.4　磁盘调度和管理 200
6.4.1　磁盘硬件 200
6.4.2　磁盘调度算法 201
6.5　Linux系统设备管理 203
6.5.1　设备管理概述 203
6.5.2　设备驱动程序与内核间
的接口 204
小结 207
习题 207
第7章　操作系统的发展和安全性 209
7.1　现代操作系统发展概述 209
7.1.1　推动操作系统发展的动力 209
7.1.2　现代操作系统的发展 210
7.2　系统安全性 219
7.2.1　信息安全问题 219
7.2.2　一般性安全机制 220
7.2.3　保护机制 222
7.3　系统性能评价 226
小结 229
习题 230
附录A　实验指导 231
附录B　部分习题参考答案 243
附录C　Linux常用系统调用 257
附录D　Linux常用命令 263
参考文献 269

我国高等学校计算机专业建立于20世纪50年代。经过近60年的迅速发展，经历了从精英化教育到大众化教育的发展阶段，目前在校生多达40余万人，已成为我国规模最大的理工科专业，为国家建设培养了大批信息技术人才。2006年，教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会发布了《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》（以下简称《规范》），提出了以“按培养规格分类”为核心思想的专业发展建议，把计算机专业人才划分为研究型、工程型、应用型三种不同类型。在《规范》的方针指导下，培养合格的计算机本科人才。
　　教育包括知识、能力、素质三个方面。知识是基础、载体和表现形式，能力是技能化的知识及其综合体现，素质是知识和能力的升华。专业教育不仅要重视知识的传授，更应突出专业能力的培养，实施能力导向的教育。如何以知识为载体实现能力的培养和素质的提高，特别是实现专业能力和素质的提高是非常重要的。对计算机专业本科教育而言，要想实现能力导向的教育，首先要分析专业能力的构成并考虑如何将其培养落实到教学实践中。为此，教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委会开展了计算机科学与技术专业人才专业能力（简称为计算机专业能力）的培养研究。该项研究明确计算机专业本科人才应具有的四大基本能力--计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力、系统能力，并将这四大基本能力分解为82个能力点，探讨如何面对不同类型学生的教育需求，在教学活动中进行落实。
　　针对计算机应用型人才的培养，由于其培养数量巨大、社会需求广泛和多样化，所以培养应用型人才的专业能力在具体教学实践上有其自身的特点。计算机应用型人才的培养目标是为国家、企事业信息系统的建设与运行培养信息化技术型人才。本类型人才应能承担信息化建设的核心任务，掌握各种计算机软、硬件系统的性能，善于进行系统的集成和配置，有能力管理和维护复杂信息系统的运行，研究如何实现服务及方便有效地利用系统进行计算等。计算机应用型人才的培养凸显了职业特征，使企业与学校的合作更加紧密，部分课程设置凸显能力培养特征，教学模式也呈现了职业化趋势。
　　为体现研究成果在教学活动中的实现，我们根据《高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养》和计算机应用型人才培养的特点和社会需求出版了这套教材。本套教材面向高等院校计算机应用型人才培养从知识传授向能力培养转型的需求，在内容的选择、体系安排和教学方法按照专业能力培养和职业特征的需要进行了探索和诠释。
　　本套教材在体系结构上，遵从公共基础课程平台、专业核心课程平台、专业选修课程平台、方向课程平台和基本素质课程平台的体系。专业核心课程主要有程序设计基础、离散数学、数据结构、计算机组成原理、操作系统原理、计算机网络原理、数据库系统原理、编译原理等课程。方向课程分为计算机网络、软件工程、信息系统、程序设计、电子商务、嵌入式系统、多媒体技术和计算机硬件等方向。在教材编写上，汇集作者才智，重点突出对计算机应用能力和应用技术的培养。
　　本套丛书的出版是在配合计算机应用型人才专业能力的培养和落实方面的初步尝试，在教材组织和编写上还会有许多不足和缺陷，需要进一步完善，我们衷心希望本套教材的出版能起到抛砖引玉的作用，也希望广大教育工作者加入到计算机应用型人才能力培养的研究和实践中来，并对相关的教材建设提出自己的宝贵意见。

计算机\操作系统