计算机操作系统原理

CH1 操作系统概论............................................................................................................................1 1.1 操作系统概观............................................................................................................................1 1.1.1 操作系统的定义和目标.....................................................................................................1 1.1.2 操作系统的作用与功能.....................................................................................................2 1.1.3 操作系统的主要特性.........................................................................................................4 1.2 操作系统的形成和发展............................................................................................................6 1.2.1 人工操作阶段.....................................................................................................................6 1.2.2 管理程序阶段.....................................................................................................................6 1.2.3 多道程序设计与操作系统的形成.....................................................................................8 1.2.4 操作系统的发展与分类...................................................................................................11 1.3 操作系统提供的服务和用户接口..........................................................................................18 1.3.1 操作系统提供的基本服务...............................................................................................18 1.3.2 操作系统提供的用户接口...............................................................................................19 1.3.3 程序接口与系统调用.......................................................................................................20 1.3.4 操作接口与系统程序.......................................................................................................22 1.4 操作系统的结构设计..............................................................................................................26 1.4.1 操作系统的构件...............................................................................................................26 1.4.2 整体式结构的操作系统...................................................................................................29 1.4.3 层次式结构的操作系统...................................................................................................29 1.4.4 虚拟机结构的操作系统...................................................................................................31 1.4.5 客户/服务器与微内核结构的操作系统..........................................................................32 1.4.6 操作系统功能的实现模型...............................................................................................35 1.4.7 实例研究：Windows 2000/XP 客户/服务器结构...........................................................37 1.5 流行操作系统简介..................................................................................................................41 1.5.1 DOS 操作系统...................................................................................................................41 1.5.2 Windows 操作系统............................................................................................................42 1.5.3 UNIX 操作系统家族.........................................................................................................44 1.5.4 *软件和Linux 操作系统............................................................................................45 1.5.5 IBM系列操作系统...........................................................................................................47 1.5.6 其他流行操作系统...........................................................................................................49 1.6 本章小结.................................................................................................................................50 CH2 处理器管理..............................................................................................................................56 2.1 *处理器..............................................................................................................................56 2.1.1 单处理器系统和多处理器系统.......................................................................................56 2.1.2 寄存器..............................................................................................................................57 2.1.3 机器指令与特权指令.......................................................................................................58 2.1.4 处理器状态.......................................................................................................................58 2.1.5 程序状态字寄存器...........................................................................................................59 V 2.2 中断技术.................................................................................................................................60 2.2.1 中断的概念.......................................................................................................................60 2.2.2 中断源分类.......................................................................................................................60 2.2.3 中断装置..........................................................................................................................61 2.2.4 中断处理程序...................................................................................................................63 2.2.5 中断事件的具体处理方法...............................................................................................63 2.2.6 中断的优先级和多重中断...............................................................................................68 2.2.7 实例研究：Windows 2000/XP 中断处理........................................................................69 2.2.8 实例研究：Solaris 中断处理..........................................................................................75 2.2.9 实例研究：Linux 中断处理.............................................................................................76 2.3 进程及其实现..........................................................................................................................79 2.3.1 进程的定义和属性...........................................................................................................79 2.3.2 进程的状态和转换...........................................................................................................80 2.3.3 进程的描述.......................................................................................................................83 2.3.4 进程切换与模式切换.......................................................................................................87 2.3.5 进程的控制.......................................................................................................................88 2.3.6 实例研究：UNIX SVR4 进程管理...................................................................................91 2.3.7 实例研究：Linux 进程管理.............................................................................................94 2.4 线程及其实现..........................................................................................................................97 2.4.1 引入多线程技术的动机...................................................................................................97 2.4.2 多线程环境中的进程与线程...........................................................................................98 2.4.3 线程的实现.....................................................................................................................103 2.4.4 实例研究：Solaris 的进程与线程................................................................................106 2.4.5 实例研究：Windows 2000/XP 的进程与线程..............................................................110 2.5 处理器调度............................................................................................................................116 2.5.1 处理器调度的层次.........................................................................................................117 2.5.2 高级调度.........................................................................................................................117 2.5.3 中级调度........................................................................................................................118 2.5.4 低级调度........................................................................................................................118 2.5.5 选择调度算法的原则.....................................................................................................119 2.6 批处理作业的管理与调度....................................................................................................119 2.6.1 作业和进程的关系.........................................................................................................119 2.6.2 批处理作业的管理.........................................................................................................120 2.6.3 批处理作业的调度.........................................................................................................121 2.6.4 作业调度算法.................................................................................................................121 2.7 低级调度................................................................................................................................124 2.7.1 低级调度的功能.............................................................................................................124 2.7.2 低级调度算法.................................................................................................................124 2.7.3 实时调度........................................................................................................................127 2.7.4 多处理器调度.................................................................................................................128 2.7.5 实例研究：UNIX SVR4 调度算法.................................................................................132 2.7.6 实例研究：Windows 2000/XP 调度算法......................................................................133 VI 2.7.7 实例研究：Linux 调度算法...........................................................................................140 2.8 本章小结................................................................................................................................143 CH3 并发进程................................................................................................................................151 3.1 并发进程................................................................................................................................151 3.1.1 顺序程序设计.................................................................................................................151 3.1.2 进程的并发性.................................................................................................................151 3.1.3 与时间有关的错误.........................................................................................................153 3.1.4 进程的交互（Interaction Among Processes）：协作和竞争........................................155 3.2 临界区管理............................................................................................................................156 3.2.1 互斥和临界区.................................................................................................................156 3.2.2 临界区管理的尝试.........................................................................................................157 3.2.3 实现临界区管理的软件方法.........................................................................................158 3.2.4 实现临界区管理的硬件设施.........................................................................................160 3.3 信号量与PV 操作.................................................................................................................162 3.3.1 同步和同步机制.............................................................................................................162 3.3.2 记录型信号量与PV 操作..............................................................................................163 3.3.3 用记录型信号量实现互斥.............................................................................................166 3.3.4 记录型信号量解决生产者-消费者问题.......................................................................168 3.3.5 记录型信号量解决读者-写者问题...............................................................................170 3.3.6 记录型信号量解决理发师问题.....................................................................................172 3.4 管程.......................................................................................................................................172 3.4.1 管程和条件变量.............................................................................................................172 3.4.2 Hoare 方法实现管程.......................................................................................................175 3.4.3 Hanson 方法实现管程....................................................................................................178 3.5 进程通信................................................................................................................................184 3.5.1 信号通信机制.................................................................................................................184 3.5.2 共享文件通信机制` .......................................................................................................185 3.5.3 共享存储区通信机制.....................................................................................................188 3.5.4 消息传递通信机制.........................................................................................................189 3.5.5 有关消息传递实现的若干问题.....................................................................................192 3.6 死锁.......................................................................................................................................195 3.6.1 死锁的产生.....................................................................................................................195 3.6.2 死锁的定义.....................................................................................................................196 3.6.3 死锁的防止.....................................................................................................................197 3.6.4 死锁的避免.....................................................................................................................198 3.6.5 死锁的检测和解除.........................................................................................................206 3.7 实例研究：WINDOWS 2000/XP 的同步和通信机制...........................................................209 3.7.1 Windows 2000/XP 的同步和互斥机制...........................................................................209 3.7.2 Windows2000/XP 进程通信机制....................................................................................210 3.8 实例研究：LINUX 信号量机制.............................................................................................211 3.9 本章小结................................................................................................................................212 VII CH4 存储管理................................................................................................................................225 4.1 主存储器................................................................................................................................225 4.1.1 存储器的层次.................................................................................................................225 4.1.2 快速缓存（caching） ....................................................................................................226 4.1.3 地址转换与存储保护.....................................................................................................227 4.2 连续存储空间管理................................................................................................................227 4.2.1 单用户连续存储管理.....................................................................................................227 4.2.2 固定分区存储管理.........................................................................................................229 4.2.3 可变分区存储管理.........................................................................................................230 4.3 分页式存储管理....................................................................................................................235 4.3.1 分页式存储管理的基本原理.........................................................................................235 4.3.2 相联存储器和快表.........................................................................................................236 4.3.3 分页式存储空间的分配和去配.....................................................................................237 4.3.4 分页存储空间的页面共享和保护.................................................................................238 4.3.5 多级页表........................................................................................................................238 4.3.6 反置页表........................................................................................................................240 4.4 分段式存储管理....................................................................................................................241 4.4.1 程序的分段结构.............................................................................................................241 4.4.2 分段式存储管理的基本原理.........................................................................................241 4.4.3 段的共享........................................................................................................................243 4.4.4 分段和分页的比较.........................................................................................................243 4.5 虚拟存储管理........................................................................................................................243 4.5.1 虚拟存储器的概念.........................................................................................................243 4.5.2 请求分页虚拟存储管理.................................................................................................245 4.5.3 请求分段虚拟存储管理.................................................................................................261 4.5.4 请求段页式虚拟存储管理.............................................................................................262 4.6 实例研究：INTEL X86/PENTIUM 存储管理硬件设施...........................................................263 4.6.1 Intel x86/Pentium 段机制——段选择符和段描述符....................................................264 4.6.2 Intel x86/Pentium 运行模式选择....................................................................................265 4.6.3 Intel x86/Pentium 地址转换............................................................................................265 4.6.4 Intel x86/Pentium 页式或段页式地址转换....................................................................266 4.7 实例研究：WINDOWS 2000/XP 虚拟存储管理...................................................................268 4.7.1 进程地址空间布局.........................................................................................................268 4.7.2 用户空间内存分配.........................................................................................................269 4.7.3 内存管理的实现.............................................................................................................273 4.8 实例研究：LINUX 的存储管理.............................................................................................279 4.8.1 Linux 存储管理概述.......................................................................................................279 4.8.2 虚拟地址空间的组织和管理.........................................................................................279 4.8.3 物理内存空间的管理.....................................................................................................280 4.8.4 用户态内存的申请与释放.............................................................................................281 4.8.5 内存的共享和保护.........................................................................................................282 VIII 4.8.6 交换空间、页面的换出和调入.....................................................................................283 4.8.7 缓冲机制........................................................................................................................284 4.9 本章小结................................................................................................................................285 CH5 设备管理................................................................................................................................292 5.1 I/O 硬件原理..........................................................................................................................292 5.1.1 I/O 系统...........................................................................................................................292 5.1.2 I/O 控制方式...................................................................................................................293 5.1.3 设备控制器.....................................................................................................................297 5.2 I/O 软件原理..........................................................................................................................298 5.2.1 I/O 软件的设计目标和原则...........................................................................................298 5.2.2 I/O 中断处理程序...........................................................................................................299 5.2.3 设备驱动程序.................................................................................................................300 5.2.4 与硬件无关的操作系统I/O 软件.................................................................................300 5.2.5 用户空间的I/O 软件.....................................................................................................302 5.3 具有通道的I/O 系统管理.....................................................................................................302 5.3.1 通道命令和通道程序.....................................................................................................302 5.3.2 I/O 指令和主机I/O 程序................................................................................................304 5.3.3 通道启动和I/O 操作过程.............................................................................................305 5.4 缓冲技术................................................................................................................................306 5.4.1 单缓冲............................................................................................................................306 5.4.2 双缓冲............................................................................................................................307 5.4.3 多缓冲............................................................................................................................307 5.5 驱动调度技术........................................................................................................................308 5.5.1 存储设备的物理结构.....................................................................................................308 5.5.2 循环排序........................................................................................................................309 5.5.3 优化分布........................................................................................................................310 5.5.4 交替地址........................................................................................................................311 5.5.5 搜查定位........................................................................................................................311 5.5.6 独立磁盘冗余阵列.........................................................................................................313 5.5.7 提高磁盘I/O 速度的一些方法.....................................................................................316 5.6 设备分配................................................................................................................................316 5.6.1 设备独立性.....................................................................................................................316 5.6.2 设备分配........................................................................................................................317 5.7 虚拟设备................................................................................................................................318 5.7.1 问题的提出.....................................................................................................................318 5.7.2 SPOOLING 的设计和实现.............................................................................................319 5.7.3 SPOOLING 应用例子.....................................................................................................321 5.8 实例研究：WINDOWS 2000/XP 的I/O 系统........................................................................321 5.8.1 Windows 2000/XP I/O 系统结构和组件.........................................................................321 5.8.2 Windows 2000/XP I/O 系统的数据结构.........................................................................325 5.8.3 Windows2000/XP 设备驱动程序....................................................................................328 IX 5.8.4 Windows 2000/XP I/O 处理.............................................................................................331 5.8.5 Windows 2000／XP 高速缓存管理................................................................................333 5.9 实例研究：LINUX 设备管理.................................................................................................344 5.9.1 Linux 设备管理概述.......................................................................................................344 5.9.2 Linux 硬盘管理...............................................................................................................345 5.9.3 Linux 网络设备...............................................................................................................346 5.9.4 Linux 设备驱动程序.......................................................................................................347 5.10 本章小结..............................................................................................................................347 CH6 文件管理................................................................................................................................352 6.1 文件.......................................................................................................................................352 6.1.1 文件的概念.....................................................................................................................352 6.1.2 文件的命名.....................................................................................................................353 6.1.3 文件的类型.....................................................................................................................353 6.1.4 文件的属性.....................................................................................................................354 6.1.5 文件的存取方法.............................................................................................................355 6.1.6 文件的使用.....................................................................................................................356 6.2 文件目录................................................................................................................................357 6.2.1 文件目录与文件目录项.................................................................................................357 6.2.2 一级目录结构.................................................................................................................358 6.2.3 二级目录结构.................................................................................................................358 6.2.4 树形目录结构.................................................................................................................359 6.3 文件组织与数据存储............................................................................................................361 6.3.1 文件的存储.....................................................................................................................361 6.3.2 文件的逻辑结构.............................................................................................................361 6.3.3 文件的物理结构.............................................................................................................365 6.4 文件系统其他功能的实现....................................................................................................371 6.4.1 文件操作的实现.............................................................................................................371 6.4.2 UNIX/Linux 文件操作系统调用.....................................................................................372 6.4.3 文件卷的安装和使用.....................................................................................................375 6.4.4 文件共享........................................................................................................................377 6.4.5 层次式文件系统模型.....................................................................................................382 6.4.6 辅存空间管理.................................................................................................................383 6.4.7 内存映射文件.................................................................................................................385 6.4.8 虚拟文件系统.................................................................................................................386 6.5 实例研究：LINUX 文件管理.................................................................................................387 6.5.1 Linux 文件管理概述.......................................................................................................387 6.5.2 Linux 文件系统的安装和管理........................................................................................388 6.5.3 虚拟文件系统VFS.........................................................................................................389 6.5.4 文件系统管理的缓冲机制.............................................................................................392 6.5.5 系统打开文件表.............................................................................................................394 6.5.6 EXT2 文件系统...............................................................................................................395 X 6.6 实例研究：WINDOWS 2000/XP 文件系统...........................................................................397 6.6.1 Windows 2000/XP 文件系统概述...................................................................................397 6.6.2 Windows2000/XP 文件系统模型和FSD 体系结构.......................................................398 6.6.3 NTFS 文件系统驱动程序...............................................................................................401 6.6.4 NTFS 在磁盘上的结构...................................................................................................402 6.6.5 NTFS 可恢复性支持.......................................................................................................405 6.6.6 NTFS 安全性支持...........................................................................................................405 6.7 本章小结................................................................................................................................406 CH7 操作系统的安全与保护........................................................................................................411 7.1 安全性概述............................................................................................................................411 7.2 安全威胁及其类型................................................................................................................411 7.3 保护.......................................................................................................................................415 7.3.1 操作系统保护层次.........................................................................................................415 7.3.2 内存储器的保护.............................................................................................................415 7.3.3 面向用户的访问控制.....................................................................................................415 7.3.4 面向数据的访问控制.....................................................................................................416 7.4 入侵者...................................................................................................................................416 7.4.1 入侵技术.........................................................................................................................416 7.4.2 口令保护.........................................................................................................................417 7.4.3 入侵检测.........................................................................................................................420 7.5 病毒（恶意软件）................................................................................................................421 7.5.1 病毒及其威胁.................................................................................................................421 7.5.2 病毒的特性.....................................................................................................................423 7.5.3 病毒的类型.....................................................................................................................423 7.5.4 反病毒的方法.................................................................................................................423 7.5.5 电子邮件病毒.................................................................................................................425 7.6 保护的基本机制、策略与模型............................................................................................426 7.6.1 机制、策略与模型.........................................................................................................426 7.6.2 身份认证机制.................................................................................................................438 7.6.3 授权机制.........................................................................................................................442 7.6.4 加密机制.........................................................................................................................452 7.6.5 审计................................................................................................................................456 7.7 实例研究：WINDOWS 2000/XP 的安全机制.......................................................................457 7.7.1. Windows 2000/XP 安全性概述.......................................................................................457 7.7.2. Windows2000/XP 安全性系统组件................................................................................457 7.7.3. Windows2000/XP 保护对象............................................................................................458 7.7.4. 访问控制策略.................................................................................................................458 7.7.5. 访问令牌.........................................................................................................................459 7.7.6. 安全描述符.....................................................................................................................459 7.8 本章小结................................................................................................................................461 CH8 网络和分布式操作系统........................................................................................................465 XI 8.1 计算机网络概述....................................................................................................................465 8.1.1 计算机网络的概念.........................................................................................................465 8.1.2 数据通信基本概念.........................................................................................................467 8.1.3 网络体系结构.................................................................................................................468 8.2 网络操作系统........................................................................................................................474 8.2.1 网络操作系统概述.........................................................................................................474 8.2.2 几个流行的网络操作系统.............................................................................................475 8.2.3 网络操作系统实例.........................................................................................................475 8.3 分布式操作系统....................................................................................................................477 8.3.1 分布式系统概述.............................................................................................................477 8.3.2 分布式进程通信.............................................................................................................478 8.3.3 分布式资源管理.............................................................................................................484 8.3.4 分布式进程同步.............................................................................................................485 8.3.5 分布式系统中的死锁.....................................................................................................495 8.3.6 分布式文件系统.............................................................................................................497 8.3.7 分布式进程迁移.............................................................................................................502 8.4 实例研究：WINDOWS2000 网络体系结构和网络服务.......................................................504 8.4.1 Windows 2000 网络体系结构.........................................................................................504 8.4.2 WindowS 2000 的层次化网络服务.................................................................................518 8.5 本章小结................................................................................................................................522