《操作系统原理与实践教程(第四版)》全面讲述计算机操作系统的基本原理和相关技术。全书共分为10章，深入介绍操作系统的发展历程、通用操作系统的启动过程、处理器管理、进程管理、存储器管理、文件管理、设备管理、系统安全、嵌入式操作系统等内容。 《操作系统原理与实践教程(第四版)》内容丰富、结构合理、知识体系完备，主要面向计算机及相关专业学生。《操作系统原理与实践教程(第四版)》适合作为普通高等院校操作系统原理课程的教材，也可作为各类培训班教材或自学者的参考用书，对操作系统及其上层应用程序的开发人员也具有较好的参考价值。 《操作系统原理与实践教程(第四版)》的电子课件和习题答案可以到http://www.tupwk.com.cn/downpage网站下载，也可以扫描前言中的二维码获取。
基础构建:内容全面，重点突出，助您深入理解计算机系统架构，构建操作系统设
计与开发的基本能力体系。
知识扩展:在讲解操作系统通用概念的同时,通过介绍操作系统的发展趋势，为
您下一步进行相关外延探索打好基础。
操作系统是计算机系统中重要的系统软件，它管理整个计算机系统的软件和硬件资源；是其他软件和程序的运行基础；是沟通用户与计算机硬件的桥梁。操作系统因其在计算机系统中所处的地位决定了其重要性，它是计算机科学与技术专业的一门专业基础课，是计算机相关专业学生的必修课程。操作系统是计算机领域较活跃的学科之一，其发展极为迅速。
操作系统具有如下特点。
(1) 内容庞杂，涉及面广。操作系统是一个庞大的系统软件，它管理系统中所有的软件、硬件资源，控制计算机的工作流程，提供用户与计算机之间的接口。因此，操作系统课程的内容非常庞大且复杂。
(2) 内容抽象。操作系统在计算机系统中处于裸机与应用层之间，对下与硬件接口，对上提供简单便捷的用户界面。但是，关于操作系统的内容，如操作系统的概念、操作系统的功能以及这些功能如何实现等对于用户或学习者而言仍是比较抽象和费解的。
(3) 发展变化快。操作系统是计算机领域较活跃的学科之一，其发展极为迅速，随着计算机的发展而不断更新，是计算机软件中更新较快的软件，因而更加重了学习难度。
正是由于操作系统的上述特点，使得操作系统课程的学习具有相当的难度。为了解决这些问题，提高操作系统课程的教学质量，在广泛汲取国内外优秀教材和研究成果的基础上，笔者编写了本教材。在编写过程中，力求覆盖面广、内容新颖、重点突出。《操作系统原理与实践教程(第四版)》共分为10章，参考学时为60～80学时。各章内容简述如下。
第1章介绍操作系统的概念、功能、特征、发展历史和结构，并从操作系统的发展入手分析操作系统的发展方向，引入不同结构的操作系统的性能比较和分析，对流行的操作系统Windows系列和UNIX/Linux系统进行简要的介绍。
第2章介绍操作系统用户的环境、系统的生成与引导，以及操作系统提供的服务和接口。
第3章首先介绍进程与线程的基本概念，重点介绍进程的定义、状态等知识，并说明进程控制过程和方法；然后对处理器调度的实现和调度算法进行阐述，介绍在现代网络环境和实时系统中使用的多处理器调度和实时调度的一些基本原理；后介绍Linux的进程管理。
第4章首先介绍进程同步和互斥的基本概念；然后阐述如何通过信号量机制和管程来实现进程的同步和互斥；后介绍进程死锁的基本概念，并阐述如何预防和避免进程死锁的发生，以及死锁检测和接触的方法。
第5章首先介绍存储管理的基本概念和常见的存储管理方法，然后分别介绍各种内存管理技术的基本原理和地址映射、共享与保护等内容，后介绍Linux的存储管理。
第6章介绍虚拟存储器的引入、概念和特征，对请求分页存储管理、请求分段存储管理的方法以及置换算法等内容进行了阐述，后介绍抖动的概念和工作集理论。
第7章介绍文件系统中有关文件管理的基本概念、文件的逻辑结构和物理结构、文件存储空间的管理、文件的共享和保护、Linux的文件系统等内容。
第8章介绍设备管理的基本概念、I/O控制方式、中断技术、缓冲技术、设备分配和I/O软件管理、磁盘调度和管理、Linux的设备管理等内容。
第9章首先介绍信息系统安全的概念；然后介绍计算机病毒的基本概念、常见的计算机病毒类型，以及如何预防和检测计算机病毒；接着阐述操作系统的安全机制，包括加密机制、认证机制、授权机制和审计机制，以及访问控制机制；后介绍Linux的安全机制。
第10章介绍嵌入式系统的概念和硬件体系，说明了嵌入式操作系统的特征及其与个人计算机的区别，后介绍常用的嵌入式操作系统。
《操作系统原理与实践教程(第四版)》可作为普通高校计算机类及其相关专业本科操作系统原理课程的教材，也可作为自学参考书和考研参考书。《操作系统原理与实践教程(第四版)》免费提供电子课件和习题答案，需要者请到http://www.tupwk.com.cn/ downpage网站下载，也可以通过扫描下方的二维码获取。
《操作系统原理与实践教程(第四版)》由郑州大学的史苇杭、卫琳编写而成，其中第1~4、10章由史苇杭编写，第5~9章由卫琳编写。
感谢石磊教授在《操作系统原理与实践教程(第四版)》的编写和出版过程中提出的宝贵意见，让我们从中获益匪浅。参加《操作系统原理与实践教程(第四版)》编写的人员还有李翠霞、林楠、韩颖、王瑞娟、陈永霞、曹仰杰等，在此一并向他们表示诚挚的感谢。同时，对清华大学出版社有关同志深表谢意，谢谢他们在《操作系统原理与实践教程(第四版)》出版过程中付出的辛勤劳动。
《操作系统原理与实践教程(第四版)》的编写参阅了多种书籍和资料，主要的参考文献列于书后，在这里对这些文献的编著者表示诚挚的谢意。由于编者水平有限，书中难免有不当之处，恳请读者批评指正。我们的信箱是992116@qq.com，电话是010-62796045。
编者
2022年1月
第1章 操作系统概论 1
1.1 操作系统的概念 1
1.1.1 操作系统的定义 1
1.1.2 操作系统的特征 3
1.1.3 操作系统的功能 4
1.1.4 操作系统的设计目标 8
1.1.5 操作系统的性能指标 8
1.2 操作系统的形成和发展 9
1.2.1 人工操作阶段 9
1.2.2 单道批处理 9
1.2.3 多道批处理 10
1.2.4 分时操作系统 11
1.2.5 个人计算机操作系统 12
1.2.6 实时操作系统 13
1.2.7 网络操作系统 14
1.2.8 分布式操作系统 15
1.2.9 操作系统的进一步发展 16
1.3 操作系统的结构 17
1.3.1 整体结构 18
1.3.2 分层结构 19
1.3.3 虚拟机结构 20
1.3.4 外核结构 21
1.3.5 客户机/服务器结构 21
1.4 常用操作系统简介 22
1.4.1 Windows系列操作系统 22
1.4.2 UNIX和Linux系统 24
1.5 小结 26
1.6 思考练习 26
第2章 操作系统的界面 28
2.1 用户工作环境 28
2.1.1 用户环境 28
2.1.2 系统的生成与引导 29
2.1.3 实例分析：Linux系统启动 31
2.2 操作系统的用户接口 32
2.2.1 命令接口 33
2.2.2 图形用户接口 34
2.2.3 程序接口 34
2.3 操作系统提供的服务 35
2.3.1 操作系统提供的基本服务 35
2.3.2 操作系统提供的公共函数 36
2.4 小结 37
2.5 思考练习 37
第3章 处理器管理 38
3.1 程序的执行 38
3.1.1 程序的顺序执行 38
3.1.2 程序的并发执行 39
3.2 进程概述 39
3.2.1 进程的概念 39
3.2.2 进程的状态 41
3.2.3 进程控制块 43
3.3 进程控制 44
3.3.1 进程控制的概念 44
3.3.2 进程控制机构及其功能 44
3.3.3 进程控制的过程 44
3.4 线程概述 46
3.4.1 线程的概念 46
3.4.2 多线程的概念和优点 46
3.4.3 线程的实现 47
3.4.4 多线程模型 47
3.4.5 线程池 49
3.5 处理器调度 49
3.5.1 处理器调度的层次 49
3.5.2 选择调度算法的准则 50
3.5.3 作业调度 51
3.5.4 进程调度 52
3.6 调度算法 53
3.6.1 先来先服务算法 53
3.6.2 短作业(进程)优先算法 54
3.6.3 优先级调度算法 54
3.6.4 时间片轮转算法 55
3.6.5 多级队列调度算法 56
3.6.6 多级反馈队列调度算法 56
3.6.7 高响应比优先调度算法 58
3.7 多处理器调度和实时调度 58
3.7.1 多处理器调度 58
3.7.2 实时调度 59
3.8 Linux的进程管理 60
3.8.1 Linux的进程描述符 60
3.8.2 Linux的进程状态及转换 61
3.8.3 Linux进程的调度 62
3.8.4 Linux进程的创建和终止 63
3.8.5 Linux的线程管理 64
3.9 小结 65
3.10 思考练习 66
第4章 进程同步与死锁 68
4.1 进程的同步和互斥 68
4.1.1 进程的同步 68
4.1.2 进程的互斥 69
4.1.3 信号量机制 71
4.1.4 信号量的使用方法 76
4.1.5 信号量的应用实例 77
4.2 经典同步问题 78
4.2.1 生产者消费者问题 78
4.2.2 读者写者问题 80
4.2.3 哲学家进餐问题 83
4.2.4 理发师问题 85
4.3 管程 86
4.3.1 管程的基本概念 87
4.3.2 条件变量 88
4.3.3 使用管程解决生产者消费者
问题 89
4.4 进程通信 90
4.4.1 进程通信的概念 90
4.4.2 进程通信的方式 90
4.4.3 消息传递系统 91
4.4.4 消息缓冲队列通信机制 93
4.4.5 管道通信方式 95
4.4.6 Linux的进程通信 95
4.5 死锁 100
4.5.1 死锁的概念 100
4.5.2 死锁产生的原因和必要条件 101
4.5.3 死锁的描述资源分配图 103
4.5.4 处理死锁的方法 105
4.6 死锁的预防和避免 105
4.6.1 死锁的预防 105
4.6.2 死锁的避免 107
4.7 死锁的检测和解除 112
4.7.1 死锁的检测 112
4.7.2 死锁的解除 115
4.8 小结 116
4.9 思考练习 116
第5章 存储管理 119
5.1 存储管理概述 119
5.1.1 多级存储结构 120
5.1.2 程序装入内存的过程 121
5.1.3 存储管理的任务 124
5.1.4 存储管理的功能 124
5.1.5 存储管理方式 127
5.2 连续内存分配 129
5.2.1 单一连续分配 129
5.2.2 固定分区分配 130
5.2.3 动态分区分配 131
5.2.4 可重定位分区分配 135
5.3 处理内存不足的手段 137
5.3.1 覆盖 137
5.3.2 交换 138
5.4 分页存储管理 139
5.4.1 分页存储管理的基本原理 139
5.4.2 地址映射 141
5.4.3 页表的结构 143
5.4.4 页面的共享 145
5.5 分段存储管理 146
5.5.1 分段存储管理方式的引入 146
5.5.2 分段存储管理的基本原理 147
5.5.3 段的共享和保护 149
5.6 段页式存储管理 150
5.7 Linux的存储管理 152
5.7.1 物理内存管理 153
5.7.2 进程虚拟地址空间管理 155
5.8 小结 157
5.9 思考练习 157
第6章 虚拟存储器 160
6.1 虚拟存储器的引入 160
6.1.1 传统存储管理方式的特征 160
6.1.2 局部性原理 161
6.1.3 虚拟存储器的概念 161
6.2 虚拟存储器的实现方法 162
6.2.1 请求分页系统 162
6.2.2 请求分段系统 163
6.3 虚拟存储器的特征 163
6.4 请求分页存储管理 164
6.4.1 请求分页存储管理的硬件支持 164
6.4.2 请求分页存储管理的内存分配 166
6.4.3 页面调入策略 168
6.5 页面置换算法 170
6.5.1 置换算法 170
6.5.2 先进先出置换算法 171
6.5.3 近久未使用置换算法 172
6.5.4 少使用置换算法 173
6.5.5 Clock置换算法 173
6.6 页面缓冲算法 174
6.6.1 影响页面换进换出效率的因素 174
6.6.2 页面缓冲算法概述 175
6.7 访问内存的有效时间 176
6.8 工作集理论和抖动问题 176
6.8.1 多道程序度与抖动 177
6.8.2 工作集 178
6.8.3 抖动的预防方法 179
6.9 请求分段存储管理 180
6.9.1 请求分段存储管理的硬件支持 180
6.9.2 分段的共享与保护 182
6.10 小结 184
6.11 思考练习 185
第7章 文件管理 186
7.1 文件的概念 186
7.1.1 文件及其分类 186
7.1.2 文件的属性 189
7.2 文件目录的概念 189
7.2.1 文件控制块和文件目录 189
7.2.2 文件目录结构 191
7.2.3 目录的实现方式 194
7.3 文件操作和目录操作 195
7.3.1 文件操作 195
7.3.2 目录操作 196
7.4 文件的逻辑结构 197
7.4.1 文件逻辑结构的类型 198
7.4.2 顺序文件 199
7.4.3 索引文件 199
7.4.4 索引顺序文件 200
7.5 文件的物理结构 200
7.5.1 连续文件 201
7.5.2 链接文件 201
7.5.3 随机文件 202
7.5.4 连续文件、链接文件与随机
文件的比较 203
7.6 文件存储空间的分配 204
7.6.1 连续分配 204
7.6.2 链接分配 205
7.6.3 索引分配 209
7.7 文件存储空间的管理 211
7.7.1 空闲文件目录 212
7.7.2 空闲链表法 212
7.7.3 位示图 214
7.8 文件系统 214
7.8.1 文件系统概述 215
7.8.2 文件系统的实现 215
7.9 文件的共享和保护 216
7.9.1 文件的共享 216
7.9.2 文件的保护 218
7.9.3 文件系统的可靠性 219
7.10 Linux的文件系统 220
7.10.1 虚拟文件系统 220
7.10.2 EXT2文件系统 222
7.11 小结 224
7.12 思考练习 224
第8章 设备管理 226
8.1 设备管理的概念 226
8.1.1 设备的分类 226
8.1.2 设备管理的任务和功能 228
8.1.3 I/O系统的结构 229
8.2 设备控制器 229
8.2.1 设备控制器的基本功能 230
8.2.2 设备控制器的组成 230
8.2.3 CPU与控制器的通信方式 231
8.3 I/O控制方式 231
8.3.1 程序直接控制方式 232
8.3.2 中断控制方式 233
8.3.3 DMA方式 234
8.3.4 通道控制方式 236
8.4 中断技术 237
8.4.1 中断的基本概念 238
8.4.2 中断的作用 238
8.4.3 中断的分类与优先级 239
8.4.4 软中断 239
8.4.5 中断处理过程 240
8.5 缓冲技术 241
8.5.1 缓冲技术的引入 241
8.5.2 缓冲的种类 241
8.5.3 缓冲池的管理 242
8.6 设备分配 244
8.6.1 设备分配的数据结构 245
8.6.2 设备分配的原则 246
8.6.3 SPOOLing系统 247
8.6.4 虚拟设备共享打印机 249
8.7 I/O软件管理 249
8.7.1 I/O软件设计的注意事项 249
8.7.2 I/O中断处理程序 250
8.7.3 设备驱动程序 251
8.7.4 设备无关软件 253
8.7.5 用户层I/O软件 255
8.8 磁盘调度和管理 255
8.8.1 磁盘结构 255
8.8.2 磁盘访问时间 256
8.8.3 磁盘调度 257
8.8.4 磁盘高速缓存 260
8.8.5 磁盘管理 261
8.8.6 廉价磁盘冗余阵列 262
8.9 Linux的设备管理 264
8.9.1 设备文件 265
8.9.2 字符设备管理 265
8.9.3 块设备管理 266
8.9.4 网络设备管理 267
8.10 小结 268
8.11 思考练习 269
第9章 操作系统的安全和保护 270
9.1 计算机系统安全和
操作系统安全 270
9.1.1 计算机系统安全概述 270
9.1.2 操作系统安全及信息安全
评价准则 271
9.1.3 计算机安全威胁分类 272
9.2 对计算机系统的攻击 273
9.2.1 常用的攻击方式 273
9.2.2 逻辑炸弹和陷阱门 274
9.2.3 特洛伊木马和登录欺骗 275
9.2.4 缓冲区溢出 276
9.3 计算机病毒 277
9.3.1 计算机病毒的基本概念 277
9.3.2 计算机病毒的类型 279
9.3.3 计算机病毒的预防和检测 280
9.4 操作系统安全机制 281
9.4.1 加密机制 281
9.4.2 认证机制 283
9.4.3 授权机制 285
9.4.4 审计机制 285
9.5 访问控制机制 286
9.5.1 保护域 286
9.5.2 访问矩阵的概念 287
9.5.3 访问矩阵的修改 288
9.5.4 访问矩阵的实现 289
9.6 Linux的安全机制 290
9.7 小结 292
9.8 思考练习 293
第10章 嵌入式操作系统 294
10.1 嵌入式系统概述 294
10.1.1 嵌入式系统的定义 294
10.1.2 嵌入式系统与个人计算机的
异同 295
10.1.3 嵌入式系统的硬件体系 295
10.2 嵌入式软件 297
10.2.1 嵌入式控制软件 297
10.2.2 嵌入式操作系统 299
10.3 常见的嵌入式操作系统 301
10.3.1 C/OS-III 301
10.3.2 嵌入式Linux 302
10.4 小结 303
10.5 思考练习 304
参考文献 305
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