操作系统

作者简介

本书不仅全面地讲述了操作系统的基本概念、原理和方法，还清楚地展现了当代操作系统的本质和特点。作者针对近几年操作系统领域的最新变化，对操作系统的设计原理进行深入的阐述，同时将其对操作系统整个领域全面而深入的理解呈现给读者。

本书特色

·选择Windows Vista、UNIX和Linux三个操作系统作为示例，以帮助读者熟悉当代操作系统的设计原理和实现问题。

·新增嵌入式操作系统一章，讨论了嵌入式操作系统的基本特点，并给出了两个实例系统：TinyOS和eCos。

·在第5版的基础上扩展了计算机安全的相关内容，包括计算机安全威胁和计算机安全技术。

·扩展和更新了并发的相关内容，并增加了有关游戏软件中多处理器调度设计问题的实例。

·补充动画演示、模拟项目和编程项目，便于培养学生的动手实践能力。

·改进了插图，增加新的大量 “现场测试”（field-tested）型家庭作业。

·调整和扩充了章末的练习题，有助于读者深入理解操作系统的精髓。

书籍目录

出版者的话

译者序

前言

第0章  读者指南
1

0.1  本书概述
1

0.2  读者和教师的学习路线图
1

0.3  Internet和Web资源
2

第一部分  背景

第1章  计算机系统概述
6

1.1  基本构成
6

1.2  处理器寄存器
6

1.2.1  用户可见寄存器
7

1.2.2  控制和状态寄存器
8

1.3  指令的执行
9

1.3.1  取指令和执行指令
9

1.3.2  I/O函数
11

1.4  中断
11

1.4.1  中断和指令周期
12

1.4.2  中断处理
14

1.4.3  多个中断
15

1.4.4  多道程序设计
17

1.5  存储器的层次结构
17

1.6  高速缓存
20

1.6.1  动机
20

1.6.2  高速缓存原理
20

1.6.3  高速缓存设计
21

1.7  I/O通信技术
22

1.7.1  可编程I/O
22

1.7.2  中断驱动I/O
22

1.7.3  直接内存存取
24

1.8  推荐读物和网站
24

1.9  关键术语、复习题和习题
25

附录1A  两级存储器的性能特征
27

附录1B  过程控制
30

第2章  操作系统概述
33

2.1  操作系统的目标和功能
33

2.1.1  作为用户/计算机接口的

2.1.1  操作系统
33

2.1.2  作为资源管理器的操作

2.1.1  系统
34

2.1.3  操作系统的易扩展性
35

2.2  操作系统的发展
35

2.2.1  串行处理
35

2.2.2  简单批处理系统
36

2.2.3  多道程序设计批处理系统
38

2.2.4  分时系统
40

2.3  主要的成就
42

2.3.1  进程
42

2.3.2  内存管理
44

2.3.3  信息保护和安全
46

2.3.4  调度和资源管理
46

2.3.5  系统结构
47

2.4  现代操作系统的特征
49

2.5  微软的Windows 概述
51

2.5.1  历史
51

2.5.2  单用户多任务
53

2.5.3  体系结构
53

2.5.4  客户/服务器模型
56

2.5.5  线程和SMP
57

2.5.6  Windows对象
57

2.6  传统的UNIX系统
58

2.6.1  历史
58

2.6.2  描述
59

2.7  现代UNIX系统
60

2.7.1  系统V版本4（SVR4）
60

2.7.2  BSD
61

2.7.3  Solaris 10
61

2.8  Linux操作系统
61

2.8.1  历史
62

2.8.2  模块结构
63

2.8.3  内核组件
64

2.9  推荐读物和网站
67

2.10  关键术语、复习题和习题
68

第二部分  进程

第3章  进程描述和控制
73

3.1  什么是进程
73

3.1.1  背景
73

3.1.2  进程和进程控制块
74

3.2  进程状态
75

3.2.1  两状态进程模型
76

3.2.2  进程的创建和终止
77

3.2.3  五状态模型
78

3.2.4  被挂起的进程
81

3.3  进程描述
84

3.3.1  操作系统的控制结构
85

3.3.2  进程控制结构
86

3.4  进程控制
90

3.4.1  执行模式
90

3.4.2  进程创建
91

3.4.3  进程切换
92

3.5  操作系统的执行
93

3.5.1  无进程的内核
94

3.5.2  在用户进程中执行
94

3.5.3  基于进程的操作系统
95

3.6  安全问题
95

3.6.1  系统访问威胁
96

3.6.2  对抗措施
96

3.7  UNIX SVR4进程管理
98

3.7.1  进程状态
98

3.7.2  进程描述
99

3.7.3  进程控制
101

3.8  小结
102

3.9  推荐读物
102

3.10  关键术语、复习题和习题
102

编程项目1：开发一个shell程序
105

第4章  线程、对称多处理（SMP）

第4章  和微内核
107

4.1  进程和线程
107

4.1.1  多线程
107

4.1.2  线程功能特性
109

4.1.3  例子：Adobe PageMaker
111

4.1.4  用户级和内核级线程
112

4.1.5  其他方案
115

4.2  对称多处理
116

4.2.1  SMP体系结构
116

4.2.2  SMP系统的组织结构
117

4.2.3  多处理器操作系统的

4.2.3  设计思考
118

4.3  微内核
119

4.3.1  微内核体系结构
119

4.3.2  微内核组织结构的优点
120

4.3.3  微内核性能
121

4.3.4  微内核设计
121

4.4  Windows线程和SMP管理
122

4.4.1  进程对象和线程对象
123

4.4.2  多线程
125

4.4.3  线程状态
125

4.4.4  对操作系统子系统的支持
126

4.4.5  对称多处理的支持
126

4.5  Solaris的线程和SMP管理
127

4.5.1  多线程体系结构
127

4.5.2  动机
127

4.5.3  进程结构
128

4.5.4  线程的执行
129

4.5.5  把中断当做线程
129

4.6  Linux的进程和线程管理
130

4.6.1  Linux任务
130

4.6.2  Linux线程
131

4.7  小结
132

4.8  推荐读物
133

4.9  关键术语、复习题和习题
133

第5章  并发性：互斥和同步
138

5.1  并发的原理
139

5.1.1  一个简单的例子
139

5.1.2  竞争条件
141

5.1.3  操作系统关注的问题
141

5.1.4  进程的交互
141

5.1.5  互斥的要求
144

5.2  互斥：硬件的支持
144

5.2.1  中断禁用
144

5.2.2  专用机器指令
145

5.3  信号量
147

5.3.1  互斥
150

5.3.2  生产者/消费者问题
151

5.3.3  信号量的实现
154

5.4  管程
155

5.4.1  使用信号的管程
155

5.4.2  使用通知和广播的管程
158

5.5  消息传递
159

5.5.1  同步
160

5.5.2  寻址
161

5.5.3  消息格式
162

5.5.4  排队原则
162

5.5.5  互斥
162

5.6  读者-写者问题
163

5.6.1  读者优先
164

5.6.2  写者优先
164

5.7  小结
166

5.8  推荐读物
167

5.9  关键术语、复习题和习题
167

第6章  并发：死锁和饥饿
178

6.1  死锁的原理
178

6.1.1  可重用资源
180

6.1.2  可消耗资源
181

6.1.3  资源分配图
182

6.1.4  死锁的条件
183

6.2  死锁预防
184

6.2.1  互斥
184

6.2.2  占有且等待
184

6.2.3  不可抢占
184

6.2.4  循环等待
184

6.3  死锁避免
185

6.3.1  进程启动拒绝
185

6.3.2  资源分配拒绝
186

6.4  死锁检测
189

6.4.1  死锁检测算法
189

6.4.2  恢复
190

6.5  一种综合的死锁策略
190

6.6  哲学家就餐问题
191

6.6.1  使用信号量解决方案
191

6.6.2  使用管程解决方案
192

6.7  UNIX的并发机制
192

6.7.1  管道
192

6.7.2  消息
193

6.7.3  共享内存
193

6.7.4  信号量
194

6.7.5  信号
194

6.8  Linux内核并发机制
195

6.8.1  原子操作
195

6.8.2  自旋锁
196

6.8.3  信号量
197

6.8.4  屏障
199

6.9  Solaris线程同步原语
199

6.9.1  互斥锁
200

6.9.2  信号量
200

6.9.3  多读者/单写者锁
201

6.9.4  条件变量
201

6.10  Windows并发机制
201

6.10.1  等待函数
201

6.10.2  分派器对象
202

6.10.3  临界区
203

6.10.4  轻量级读写锁和条件变量
203

6.11  小结
204

6.12  推荐读物
204

6.13  关键术语、复习题和习题
205

第三部分  内存

第7章  内存管理
210

7.1  内存管理的需求
210

7.1.1  重定位
210

7.1.2  保护
211

7.1.3  共享
211

7.1.4  逻辑组织
211

7.1.5  物理组织
211

7.2  内存分区
212

7.2.1  固定分区
212

7.2.2  动态分区
214

7.2.3  伙伴系统
216

7.2.4  重定位
218

7.3  分页
219

7.4  分段
222

7.5  安全问题
222

7.5.1  缓冲区溢出攻击
222

7.5.2  预防缓冲区溢出
225

7.6  小结
225

7.7  推荐读物
225

7.8  关键术语、复习题和习题
225

附录7A  加载和链接
228

第8章  虚拟内存
232

8.1  硬件和控制结构
232

8.1.1  局部性和虚拟内存
233

8.1.2  分页
235

8.1.3  分段
242

8.1.4  段页式
243

8.1.5  保护和共享
244

8.2  操作系统软件
244

8.2.1  读取策略
245

8.2.2  放置策略
246

8.2.3  置换策略
246

8.2.4  驻留集管理
251

8.2.5  清除策略
255

8.2.6  加载控制
255

8.3  UNIX和Solaris内存管理
257

8.3.1  分页系统
257

8.3.2  内核内存分配器
259

8.4  Linux内存管理
260

8.4.1  Linux虚拟内存
260

8.4.2  内核内存分配
261

8.5  Windows内存管理
262

8.5.1  Windows虚拟地址映射
263

8.5.2  Windows分页
263

8.6  小结
264

8.7  推荐读物和网站
264

8.8  关键术语、复习题和习题
265

附录8A  散列表
268

第四部分  调度

第9章  单处理器调度
272

9.1  处理器调度的类型
272

9.1.1  长程调度
273

9.1.2  中程调度
274

9.1.3  短程调度
274

9.2  调度算法
274

9.2.1  短程调度准则
274

9.2.2  优先级的使用
275

9.2.3  选择调度策略
276

9.2.4  性能比较
284

9.2.5  公平共享调度
287

9.3  传统的UNIX调度
289

9.4  小结
290

9.5  推荐读物
291

9.6  关键术语、复习题和习题
291

附录9A  响应时间
294

附录9B  排队系统
296

编程项目2：主机调度shell程序
299

第10章  多处理器和实时调度
304

10.1  多处理器调度
304

10.1.1  粒度
304

10.1.2  设计问题
307

10.1.3  进程调度
308

10.1.4  线程调度
309

10.2  实时调度
312

10.2.1  背景
312

10.2.2  实时操作系统的特点
313

10.2.3  实时调度
315

10.2.4  限期调度
316

10.2.5  速率单调调度
319

10.2.6  优先级反转
321

10.3  Linux调度
322

10.3.1  实时调度
322

10.3.2  非实时调度
323

10.4  UNIX SVR4调度
325

10.5  Windows调度
326

10.5.1  进程和线程优先级
326

10.5.2  多处理器调度
328

10.6  小结
328

10.7  推荐读物
328

10.8  关键术语、复习题和习题
329

第五部分  I/O和文件

第11章  I/O管理和磁盘调度
334

11.1  I/O设备
334

11.2  I/O功能的组织
335

11.2.1  I/O功能的发展
335

11.2.2  直接存储器访问
336

11.3  操作系统设计问题
337

11.3.1  设计目标
337

11.3.2  I/O功能的逻辑结构
338

11.4  I/O缓冲
339

11.4.1  单缓冲
340

11.4.2  双缓冲
341

11.4.3  循环缓冲
341

11.4.4  缓冲的作用
341

11.5  磁盘调度
342

11.5.1  磁盘性能参数
342

11.5.2  磁盘调度策略
344

11.6  RAID
347

11.6.1  RAID级别0
349

11.6.2  RAID级别1
350

11.6.3  RAID级别2
351

11.6.4  RAID级别3
351

11.6.5  RAID级别4
352

11.6.6  RAID级别5
353

11.6.7  RAID级别6
353

11.7  磁盘高速缓存
353

11.7.1  设计考虑
353

11.7.2  性能考虑
355

11.8  UNIX SVR4 I/O
355

11.8.1  缓冲区高速缓存
356

11.8.2  字符队列
356

11.8.3  无缓冲I/O
357

11.8.4  UNIX设备
357

11.9  Linux I/O
357

11.9.1  磁盘调度
358

11.9.2  Linux页面缓存
360

11.10  Windows I/O
360

11.10.1  基本I/O机制
360

11.10.2  异步I/O和同步I/O
361

11.10.3  软件RAID
361

11.10.4  卷影复制
361

11.10.5  卷加密
362

11.11  小结
362

11.12  推荐读物
362

11.13  关键术语、复习题和习题
363

附录11A  磁盘存储设备
365

第12章  文件管理
371

12.1  概述
371

12.1.1  文件和文件系统
371

12.1.2  文件结构
371

12.1.3  文件管理系统
373

12.2  文件组织和访问
375

12.2.1  堆
376

12.2.2  顺序文件
376

12.2.3  索引顺序文件
377

12.2.4  索引文件
377

12.2.5  直接文件或散列文件
378

12.3  文件目录
378

12.3.1  内容
378

12.3.2  结构
379

12.3.3  命名
380

12.4  文件共享
381

12.4.1  访问权限
381

12.4.2  同时访问
381

12.5  记录组块
382

12.6  二级存储管理
383

12.6.1 文件分配
383

12.6.2  空闲空间的管理
387

12.6.3  卷
388

12.6.4  可靠性
388

12.7  文件系统安全
389

12.8  UNIX文件管理
390

12.8.1  索引节点
391

12.8.2  文件分配
392

12.8.3  目录
393

12.8.4  卷结构
393

12.8.5  传统的UNIX文件访问

6.10.4  控制
393

12.8.6  UNIX中的访问控制列表
394

12.9  Linux虚拟文件系统
395

12.9.1  超级块对象
397

12.9.2  索引节点对象
397

12.9.3  目录项对象
398

12.9.4  文件对象
398

12.10  Windows文件系统
398

12.10.1  NTFS的重要特征
398

12.10.2  NTFS卷和文件结构
399

12.10.3  可恢复性
401

12.11  小结
402

12.12  推荐读物
402

12.13  关键术语、复习题和习题
403

第六部分  嵌入式系统

第13章  嵌入式操作系统
406

13.1  嵌入式系统
406

13.2  嵌入式操作系统的特点
407

13.2.1  移植现有的商业操作系统
408

13.2.2  为特定目的构建的嵌入式

6.10.4  操作系统
408

13.3  eCos
409

13.3.1  可配置性
409

13.3.2  eCos组件
411

13.3.3  eCos调度程序
414

13.3.4  eCos线程同步
415

13.4  TinyOS
419

13.4.1  无线传感器网络
420

13.4.2  TinyOS的目标
420

13.4.3  TinyOS的组件
421

13.4.4  TinyOS的调度程序
423

13.4.5  配置例子
423

13.4.6  TinyOS的资源接口
425

13.5  推荐读物和网站
426

13.6  关键术语、复习题和习题
426

第七部分  安全

第14章  计算机安全威胁
430

14.1  计算机安全的概念
430

14.2  威胁、攻击和资产
431

14.2.1  威胁和攻击
431

14.2.2  威胁和资产
432

14.3  入侵者
434

14.3.1  入侵者行为模式
435

14.3.2  入侵技术
437

14.4  恶意软件概述
437

14.4.1  后门
437

14.4.2  逻辑炸弹
438

14.4.3  特洛伊木马
438

14.4.4  移动代码
438

14.4.5  多威胁恶意软件
439

14.5  病毒、蠕虫与僵尸
440

14.5.1  病毒
440

14.5.2  蠕虫
443

14.5.3  僵尸
445

14.6  rootkits
447

14.6.1  rootkit安装
447

14.6.2  系统级调用攻击
447

14.7  推荐读物和网站
448

14.8  关键术语、复习题和习题
448

第15章  计算机安全技术
451

15.1  身份验证
451

15.1.1  身份验证方法
451

15.1.2  基于密码的身份验证
451

15.1.3  基于令牌的身份验证
453

15.1.4  生物特征识别认证
454

15.2  访问控制
455

15.2.1  自主访问控制
456

15.2.2  基于角色的访问控制
458

15.3  入侵检测
460

15.3.1  基本原则
460

15.3.2  基于主机的入侵检测技术
461

15.3.3  审计记录
462

15.4  恶意软件防御
463

15.4.1  反病毒方法
463

15.4.2  蠕虫对策
465

15.4.3  自动代理程序的对策
466

15.4.4  rootkit对策
466

15.5  处理缓冲区溢出攻击
467

15.5.1  编译时防御
467

15.5.2  运行时防御
469

15.6  Windows Vista安全性
470

15.6.1  访问控制方案
470

15.6.2  访问令牌
471

15.6.3  安全描述符
471

15.7  推荐读物和网站
474

15.8  关键术语、复习题和习题
475

第八部分  分布式系统

第16章  分布式处理、客户/服务器和

第16章  集群
481

16.1  客户/服务器计算模型
481

16.1.1  什么是客户/服务器

16.1.1  计算模型
481

16.1.2  客户/服务器模型的应用
482

16.1.3  中间件
486

16.2  分布式消息传递
487

16.2.1  可靠性与不可靠性
488

16.2.2  阻塞与无阻塞
488

16.3  远程过程调用
489

16.3.1  参数传递
490

16.3.2  参数表示
490

16.3.3  客户/服务器绑定
490

16.3.4  同步和异步
490

16.3.5  面向对象机制
491

16.4  集群
491

16.4.1  集群的配置
491

16.4.2  操作系统的设计问题
493

16.4.3  集群计算机的体系结构
494

16.4.4  集群与SMP的比较
495

16.5  Windows集群服务器
495

16.6  Sun集群
496

16.6.1  对象和通信支持
497

16.6.2  进程管理
497

16.6.3  网络连接
497

16.6.4  全局文件系统
498

16.7  Beowulf和Linux集群
498

16.7.1  Beowulf特征
498

16.7.2  Beowulf软件
499

16.8  小结
500

16.9  推荐读物和网站
500

16.10  关键术语、复习题和习题
501

附录A  并发主题
503

附录B  面向对象设计
516

附录C  编程和操作系统项目
523

术语表
528

参考文献
536

前言

目标本书是一本关于操作系统的概念、结构和机制的教材，其目的是尽可能清楚和全面地展现当代操作系统的本质和特点。这是一项具有挑战性的任务。首先，需要为各种各样的计算机系统设计操作系统，包括单用户工作站和个人计算机、中等规模的共享系统、大型计算机和超级计算机以及诸如实时系统之类的专门机器。多样性不仅表现在机器的容量和速度上，而且表现在具体应用和系统支持的需求上。其次，计算机系统正以日新月异的速度发展变化，操作系统设计中的许多重要领域都是新近开始研究的，而关于这些领域以及其他新领域的研究工作仍然在继续着。尽管存在着多样性和变化快等问题，一些基本概念仍然贯穿始终。当然，这些概念的应用依赖于当前的技术状况和特定的应用需求。本书的目的是对操作系统设计的基本原理提供全面的讨论，并且与当代流行的设计问题以及当前操作系统的发展方向联系起来。示例系统本书试图使读者熟悉当代操作系统的设计原理和实现问题，因此单纯讲述概念和理论是远远不够的。为了说明这些概念，同时将它们与真实世界中不得不做出的设计选择相联系，本书选择了三个操作系统作为示例：WindowsVista：用于个人计算机、工作站和服务器的多任务操作系统。它融合了很多操作系统发展的最新技术，此外，Windows是最早采用面向对象原理设计的重要的商业操作系统之一。本书涵盖了在Windows最新版本Vista中所采用的技术。UNIX：最初是为小型计算机而设计的多用户操作系统，但后来广泛用于从微机到超级计算机的各种机器中。本书包含若干版本的UNIX。FreeBSD结合了很多反映当代水平的功能，是一款得到广泛应用的操作系统。Solaris是一款应用广泛的商业版UNIX系统。Linux：一款目前非常普及且源码开放的UNIX版本。选择这些系统是由于它们的相关性和代表性。关于这些示例系统的讨论贯穿全书，而不是集中在某一章或附录部分。因此，在讨论并发性的过程中，将描述每个示例系统的并发机制，并探究各个设计选择的动机。通过这种方法，可以利用真实的例子立即加深对某一特定章节中设计概念的理解。

内容概要

William Stallings 拥有美国麻省理工学院计算机科学博士学位，现任教于澳大利亚新南威尔士大学国防学院（堪培拉）信息技术与电子工程系。他是世界知名计算机学者和畅销教材作者，已经撰写了17部著作，出版了40多本书籍，内容涉及计算机安全、计算机网络和计算机体系结构等方面，堪称计算机界的全才。他曾九次荣获美国“教材和学术专著作者协会”颁发的“年度最佳计算机科学教材”奖。

章节摘录

插图：第O章读者指南USENET新闻组本书及相关Web站点包含了大量的资料，下面将给读者提供一个总体介绍。0.1 本书概述本书共分为八个部分：第一部分背景：提供关于计算机组织与系统结构的综述，重点讲述与操作系统设计相关的主题，并且概述了本书的其余部分操作系统（OS）的各个主题。第二部分进程：详细分析进程、多线程、对称多处理（SMP）和微内核，还讨论了单一系统中的并发机制，重点讲述了互斥和死锁。第三部分存储器：全面讲述存储器管理技术，包括虚拟存储器。第四部分调度：对多种进程调度方法进行分析比较，同时还讨论线程调度、SMP调度和实时调度。第五部分输入／输出与文件：分析操作系统中有关输人／输出函数的控制，特别是磁盘输入／输出，它是决定系统性能的关键所在。本部分还给出了关于文件管理的综述。第六部分嵌入式系统：嵌入式系统的数量远远多于通用计算系统，因此存在许多独特的嵌入式操作系统。本章讨论了嵌入式操作系统的一般性原理，并且介绍了两个实例系统：TinyOS和eCoso第七部分安全：对涉及计算机和网络安全的威胁和防护机制进行了概述。第八部分分布式系统：分析计算机系统网络化技术的主要趋势，包括TCP／IP、客户／服务器计算和集群，同时还介绍分布式系统开发中的一些主要设计领域。

图书封面

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