第一章引论

操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次补充。操作系统在计算机系统中占据着重要的地位，其他所有的软件，如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件以及大量的应用软件，都依赖于操作系统的支持。

●1.1操作系统的概念

信息社会需要众多千变万化的软件系统，因此，软件的研究和开发就变得极其重要。在众多的软件系统中有一类非常重要的软件，为建立更加丰富的应用环境奠定了重要基础，它就是操作系统。

●1.2研究操作系统的几种观点

操作系统是一个大型系统软件，对它的分析、设计是一个极其复杂的问题。长期以来，人们试图给出一种系统的，以利于研究、剖析和设计操作系统的功能、组成部件、工作过程以及体系结构。可以从研究操作系统的几种不同观点，加深对操作系统的分析和理解。

●1.3操作系统的功能与特征

批处理系统、分时系统和实时系统是大、中、小型计算机上操作系统所具有的3种形式。计算机的操作系统往往是通用的，即一个系统兼有批处理、分时处理和实时处理三者或其中两者的功能，从而形成通用操作系统。

第二章操作系统的硬件环境

一个程序在计算机上运行需要有一定的条件，或者说要有一定的环境。例如，要有处理机、内存、IO设备和有关系统软件等。操作系统的运行环境主要包括系统的硬件环境和由其他的系统软件形成的软件环境。
任何系统软件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬件基础上的，离不开硬件设施的支持。而操作系统更是直接依赖于硬件条件。

●2.1中央处理机

每个中央处理机都有自己的指令系统。早期的微处理机的指令系统的功能相对来说比较弱。由于大规模集成电路技术的飞速发展，当代微处理机结构已经非常复杂，特别是在各种RISC处理机出现之后，微处理的技术进入了新阶段。

●2.2存储系统

程序和数据存放在内存储器中才能运行。在多道程序系统中，有若干个程序和相关的数据要放入内存储器。操作系统不但要管理、保护这些程序和数据，使它们不至于收到破坏，而且操作系统本身也要存放在内存储器中并运行。

●2.3 缓冲技术与中断技术

缓冲区是硬件设备之间进行数据传输时，专门用来暂存这些数据的一个存储区域。中断对于操作系统的重要性就像机器中的齿轮一样，所以也有人称操作系统由中断驱动或者中断事件驱动。

第三章进程与进程管理

操作系统中最核心的概念是进程。在多道程序批处理系统和分时系统中，程序不能独立运行。资源分配和独立运行的基本单位是进程。操作系统所具有的四大特征都是基于进程而形成的，并可从进程的观点来研究操作系统形成所谓的进程观点。在本章中，我们将了解进程的概念、进程调度的概念、进程调度算法以及进程的基本概念。

●3.1进程的引入

为了提高资源利用率，引入了程序的并发执行方式，虽然并发能够有效提高资源利用率和系统吞吐量，但必须采用某种措施以使并发程序能保持其可再现性。

●3.2进程

进程是对正在运行的程序的一个抽象，没有进程的抽象，现代计算机将不复存在。本节讲学习进程的定义、进程与程序的区别和联系、进程的基本状态及其转换，以及进程控制块相关内容。

●3.3进程调度

进程调度即处理机调度。在多道程序环境下，进程数目往往多于处理机数目，致使它们竞争处理机。这就要求系统能按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由进程调度程序完成的。进程调度是操作系统设计的中心问题之一。

●3.4线程的基本概念

在引入线程的操作系统中，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，可以理解成是在进程中独立运行的子任务。在这一节中，将学习线程的定义、线程的属性，以及线程与进程的区别。

第四章进程同步与通信

在OS中引入进程后，一方面使系统的吞吐量和资源的利用率得到提升，另一方面也使得系统变得复杂，如果没有合理的方式对进程进行妥善的管理，必然会引起进程对系统资源的无序竞争，使系统变得混乱。为了有效管理并发进程，在多道程序系统中引入了同步机制，利用它们确保程序执行的可再现性。本章主要介绍了：进程间的联系，利用软件方法解决进程互斥问题，利用硬件方法解决进程互斥问题，信号量机制，经典进程同步问题，管程机制。

●4.1进程间的相互作用

操作系统内部的许多活动都是并发执行的，比如相对独立的多个用户程序可以并发运行，操作系统本身的许多不同功能的程序可以并发执行，对于同一个程序来说，其内部的不同程序段也可以并发执行。在这些活动的并发执行过程中，操作系统通过进程来支持这些活动。

●4.2进程通信

所谓进程的通信，是指进程之间的信息交换。交换的信息可以是一个状态或者数值，也可以是成千上万个字节。进程的互斥和同步可归结为低级通信，高级进程通信则是指用户可直接利用操作系统所提供的一组通信命令高效地传送大量数据的一种通信方式。在高级进程通信方式中，操作系统隐藏了进程通信的实现细节，通信过程对用户而言变得透明。

●4.3死锁

在多道程序系统中，多个进程并发执行，共享系统资源，可以提高系统的资源利用率和处理能力，但是，由于资源总是有限的，当异步推进的进程因申请与释放资源顺序安排不合理，就会造成所有进程都无法继续运行的僵局，形成死锁。

第五章存储器管理

存储器是计算机系统的重要组成部分，如何对它们进行有效的管理，不仅直接影响到存储器的利用率，而且还对系统性能有重大影响。在本章中，将学习存储管理的基础知识、连续存储管理方式、覆盖技术与交换技术、分页存储管理方式、分段存储管理方式和段页式存储管理方式六个部分的内容。

●5.1存储器管理概述

存储管理是计算机操作系统的一部分，它负责完成逻辑地址到物理地址的转换，本节课主要讲解存储管理的任务，即对内存进行分配与回收，实现内存的共享和保护，通过软件手段实现对内存容量的扩充。
要了解操作系统是如何管理内存的，首先需要知道程序是如何运行的。在多道程序环境下，程序要运行必须为之创建进程，而创建进程首先要将程序和数据装入内存。本节课主要讲解程序的连接和装入方式。

●5.2可变分区分配算法

可变分区管理在程序装入时根据程序的实际需要，按照一定的分配算法，从空闲分区表或空闲分区链中选出一个分区进行分配。当进程运行完毕释放内存时，系统再进行回收。本节主要讲解分区的分配与回收方法。

●5.3覆盖技术与交换技术

单一连续分配和分区管理对程序大小都有严格的限制。当程序要求运行时，系统将程序的全部信息一次装入内存并一直驻留内存直至运行结束。当程序的大小大于内存可用空间时，该程序就无法运行。本节介绍的覆盖和交换技术就是解决大程序与小内存矛盾的两种存储管理技术，它们实质上对内存进行了逻辑扩充。

●5.4分页存储管理方式

由于在分区管理中，一个程序必须装入一片连续的内存空间，导致存在大量的内存碎片，本节介绍的分页存储管理方式可以减少内存碎片，提高内存空间的利用率。

●5.5分段存储管理方式

在分页存储管理方式中，每一页的内容逻辑上不一定相关，影响了共享和换入换出的效果。本节介绍的分段存储管理方式主要为了方便用户编程、满足分段共享和分段保护等要求。

●5.6段页式存储管理方式

分页存储管理方式提高了内存的利用率，分段存储管理方式方便用户的使用，本节介绍的段页式存储管理方式，将分页存储管理和分段存储管理相结合，既提高了内存的利用率，又方便了用户的使用。

第六章虚拟存储器管理

无论是单一连续分配、分区分配还是分页存取管理方式和分段存储管理方式，都有一个共同的特点：需要将程序一次性装入内存。这样如果程序很大，其所要求的内存空间超过当前内存空间综合，则程序不能被一次性的装入内存，会致使程序无法执行，大量程序只能在外存中等待。为了解决内存不足的情况，可以从物理上和逻辑上两方面扩充内存容量。虚拟存储器就是使用虚拟技术从逻辑上对存储器进行扩充。本章中，我们将学习虚拟存储器的概念，分页虚拟存储管理、分段虚拟存储管理的基本原理及实现方法。

●6.1虚拟存储器管理概述

程序执行时，在一个较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分，而它所访问的存储空间也局限于某个区域。这就是程序执行中的局部性。程序的局部性一般表现在时间与空间两方面。局部性原理使得虚拟存储技术的实现成为可能。虚拟存储器是指仅把程序的一部分装入内存便可运行程序的存储器系统。

●6.2分页虚拟存储管理

分页虚拟存储管理方式是在分页系统的基础上增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的虚拟存储器系统。为了实现分页虚拟存储管理，还需要配合相应的缺页中断机构和地址变换机构。

●6.3分段虚拟存储管理

分段虚拟存储管理的原理是在程序运行前，不必调入所有分段，只需要先调入若干个分段就可以令程序启动运行了。当所访问的段不在内存中的时候，可以请求操作系统将所缺的段调入内存。分段虚拟存储管理的实现必须解决段的动态连接问题，利用段的动态连接很容易实现段的共享。

第七章用户接口管理

让计算机完成用户所要求的给定任务，一定要先编写程序，然后把该程序提交给计算机，这实际上就是用户与操作系统的接口。为了方便用户使用计算机系统，操作系统为用户提供了两类接口：命令接口和用户接口。

●7.1用户接口管理

人们花费很多力量去研究，设计操作系统，其目的之一就是方便用户使用计算机，无须操作人员太多干预，系统就能顺利运行。用户通过操作系统使用和控制计算机不再与裸机发生直接的关系，因而操作系统便成了用户和计算机之间的接口。

●7.2命令接口

命令接口通过在用户和操作系统之间提供高级通信来控制程序运行，用户通过输入设备（终端，键盘，鼠标，触摸屏等）发出一系列命令来告诉操作系统执行所需功能。

●7.3系统调用

系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。编程人员利用系统调用在源程序级动态请求和释放系统资源，调用系统中已有的系统功能来完成那些与机器硬件部分相关的工作以及控制程序的执行速度等。

第八章文件管理

操作系统提供文件管理功能，负责管理外存上的文件，并把对文件的存取、共享和保护等手段提供给用户。这不仅可以方便用户，保证文件的安全性，还可有效地提高系统资源的利用率。本章主要介绍了文件管理的基本概念和功能。了解文件与文件系统的有关概念，掌握文件的逻辑结构与物理结构、文件目录以及文件的操作，熟悉文件外存储空间的管理。

●8.1文件管理概述

在现代计算机系统中，要用到大量的程序和数据。由于系统的内存有限，又不能长期保存，故平时它们总是以文件的形式存放在外存中，需要时可随时将它们调入内存。这就需要操作系统对文件进行高效管理。现代操作系统几乎都是通过文件系统来组织和管理在计算机中所存储的大量程序和数据的。本节主要介绍了文件和文件系统。

●8.2文件的结构和存取方式

文件的组织结构是指文件的构造方式，用户和文件系统往往从不同的角度对待同一个文件，因此对于任何一个文件都存在两种结构形式。
(1)文件的逻辑结构。这种文件是对立于物理环境而构造的，文件的逻辑结构是从用户观点出发看到的文件的组织形式。
(2)文件的物理结构，又称文件的存储结构，从操作系统实现观点出发，文件在外存上的存储的组织形式。
无论是文件的逻辑结构还是物理结构，其构造方式都会影响对文件的处理速度。

●8.3文件目录

在现代计算机系统中，通常都要存储大量的文件。为了能有效地管理大量文件，必须对它们加以妥善的组织，以做到用户只需向系统提供所需访问的文件名，便能快速、准确地找到指定文件。这主要是依赖于文件目录来实现的，也就是说通过文件目录可以将文件名转换为该文件所在的外存上的物理位置。

●8.4文件系统的实现

在多用户环境下，如果由用户自己对文件的存储进行管理，是非常困难而且十分低效的。而文件系统主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的存、取速度。为此，系统应设置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。存储空间管理是文件系统的重要任务之一。本节从实现的角度介绍文件系统。

●8.5文件的使用

从用户使用文件的角度来了解文件系统，需要了解文件系统的主要操作和文件共享。文件系统的主要操作包括：建立文件、打开文件、读/写文件、关闭文件和删除文件。实现文件共享的方法有绕道法、连接法、基本文件目录、利用符号实现文件共享、基于索引结点的共享方式5种。

●8.6文件系统的安全性和数据一致性

文件系统往往包含用户非常宝贵的信息，如何保护这些信息的安全性是所有文件系统的一个主要内容。影响文件系统安全性的主要因素有:人为因素、系统因素、自然因素。

●8.7磁盘调度

文件系统的物理基础是磁盘存储设备。磁盘存储器的服务效率以及其速度和可靠性就成为系统性能和可靠性的关键。设计文件系统时应尽可能减少磁盘访问次数，可以适当减少磁盘存储器性能对文件系统性能的影响。除此之外，还应该从其他方面考虑采取有效的措施。提高文件系统的性能有如下几种方法：块高速缓存、磁盘空间的合理分配和对磁盘调度算法进行优化。

第九章设备管理

操作系统除了提供进程管理、存储管理、文件管理之外，还要控制计算机的所有I/O设备，使操作系统与硬件可以紧密结合。本章分为五个部分，分别是设备管理概述、I/O硬件特点、I/O软件的组成、设备分配和虚拟设备。

●9.1设备管理概述

设备管理是指对计算机系统中除了中央处理器和主存储器以外的所有其他设备的管理，既包括I/O外围设备，也包括例如通道和设备控制器等支持设备。

●9.2I/O硬件特点

计算机的I/O设备种类很多，结构复杂，设备管理驱动程序与I/O设备密切相关。设备接口、通道、IO控制方式和缓冲技术是本节课的主要内容。

●9.3I/O软件的组成

I/O设备管理软件的设计水平决定了设备管理的效率。I/O设备管理软件结构的基本思想是层次化，也就是把设备管理软件组织成为一系列的层次。低层与硬件相关，它把硬件与较高层次的软件隔离开；而最高层的软件则向应用提供一个友好的、清晰而统一的I/O设备接口。

●9.4设备分配

在多道程序环境下，系统中的设备供所有进程使用。为防止诸进程对系统资源的无序竞争，规定系统设备不允许用户自行使用，必须由系统统一分配。每当进程向系统提出I/O请求时，只要是可能和安全的，设备分配程序便按照一定的策略把设备分配给请求进程。在有的系统中，为了确保在CPU与设备之间能进行通信，还应分配相应的控制器和通道。为了实现设备分配，必须在系统中设置相应的数据结构。

●9.5虚拟设备

虚拟设备是通过某种技术将一台独占设备改造为可以供多个用户共享的共享设备。每个用户都感觉好像自己在独占该设备。把独占设备改造为虚拟设备可以提高设备的利用率和系统效率，也便于用户的使用。