操作系統(tǒng)教程與實(shí)驗(yàn)

第1篇  操作系統(tǒng)原理
第1章  操作系統(tǒng)概述    2
1.1  操作系統(tǒng)的定義及其功能    2
1.2  操作系統(tǒng)的分類    4
1.2.1  多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)與批處理系統(tǒng)    5
1.2.2  分時(shí)操作系統(tǒng)    6
1.2.3  實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)    6
1.2.4  網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)    6
1.2.5  分布式操作系統(tǒng)    7
1.2.6  個(gè)人操作系統(tǒng)    7
1.3  操作系統(tǒng)的特性    7
1.3.1  并發(fā)性    7
1.3.2  共享性    7
1.3.3  不確定性    8
1.3.4  虛擬性    8
1.4  操作系統(tǒng)的性能評價(jià)    8
1.5  操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)    9
1.5.1  模塊化結(jié)構(gòu)    9
1.5.2  層次化結(jié)構(gòu)    9
1.5.3  虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)    9
1.5.4  客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)    10
1.5.5  面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)    10
1.6  支持操作系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)    10
1.6.1  處理機(jī)的態(tài)    10
1.6.2  特權(quán)指令與處理機(jī)態(tài)的轉(zhuǎn)換    10
1.6.3  時(shí)鐘    11
1.6.4  中斷機(jī)制    12
1.6.5  80386的寄存器組    16
1.6.6  80386的工作模式和特權(quán)級保護(hù)    20
習(xí)題1    24
第2章  用戶界面    25
2.1  操作系統(tǒng)提供的用戶界面    25
2.1.1  操作命令界面    25
2.1.2  系統(tǒng)調(diào)用界面    27
2.1.3  兩種界面之間的關(guān)系    27
2.2  系統(tǒng)調(diào)用    27
2.2.1  系統(tǒng)調(diào)用的類型    27
2.2.2  系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)    28
2.2.3  系統(tǒng)調(diào)用與子程序調(diào)用的區(qū)別    29
2.3  Linux的系統(tǒng)調(diào)用    30
習(xí)題2    31
第3章  進(jìn)程    32
3.1  進(jìn)程的概念    32
3.1.1  多道程序并發(fā)執(zhí)行    33
3.1.2  進(jìn)程的定義    36
3.1.3  進(jìn)程與程序的區(qū)別與聯(lián)系    37
3.1.4  進(jìn)程的類型    38
3.1.5  進(jìn)程映像    38
3.1.6  進(jìn)程狀態(tài)及其變遷    43
3.2  進(jìn)程控制    44
3.2.1  進(jìn)程創(chuàng)建    45
3.2.2  進(jìn)程撤銷    51
3.2.3  進(jìn)程睡眠    52
3.2.4  進(jìn)程喚醒    53
3.3  進(jìn)程同步與互斥    53
3.3.1  問題的提出    53
3.3.2  臨界資源與臨界區(qū)    54
3.3.3  互斥問題與同步問題    54
3.3.4  信號量及其P、V操作    56
3.3.5  用P、V操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥    57
3.3.6  用P、V操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥與同步舉例    57
3.3.7  管程的概念    67
3.4  Linux進(jìn)程    68
3.4.1  Linux進(jìn)程家族樹    68
3.4.2  Linux中父進(jìn)程等待子進(jìn)程的同步    70
3.4.3  Linux中子進(jìn)程映像的重新裝入    73
3.5  線程    77
3.5.1  問題的提出    77
3.5.2  線程及其特征    78
3.5.3  線程的狀態(tài)與線程控制塊    79
3.5.4  線程的分類    79
3.5.5  線程與進(jìn)程的關(guān)系    80
3.5.6  線程的優(yōu)缺點(diǎn)    80
3.5.7  線程的適用范圍    81
3.5.8  Linux線程的特點(diǎn)    82
3.5.9  線程舉例    82
習(xí)題3    86
第4章  進(jìn)程間通信    89
4.1  Linux軟中斷信號機(jī)制    89
4.1.1  軟中斷信號    89
4.1.2  軟中斷信號的使用方法    91
4.1.3  軟中斷信號的系統(tǒng)調(diào)用    92
4.1.4  應(yīng)用舉例    93
4.1.5  使用軟中斷實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程同步    94
4.2  Linux管道通信    97
4.2.1  無名管道與命名管道    97
4.2.2  無名管道的實(shí)現(xiàn)方法    98
4.2.3  無名管道應(yīng)用舉例    100
*4.2.4  命名管道    101
4.3  Linux的IPC機(jī)制    101
4.4  Linux消息緩沖通信    103
4.4.1  消息緩沖通信概述    103
4.4.2  Linux消息緩沖通信的系統(tǒng)調(diào)用    107
4.4.3  消息緩沖通信應(yīng)用舉例    109
4.5  Linux共享內(nèi)存通信    113
4.5.1  共享內(nèi)存通信概述    113
4.5.2  共享內(nèi)存通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    113
4.5.3  共享內(nèi)存通信的系統(tǒng)調(diào)用    114
4.5.4  共享內(nèi)存通信實(shí)現(xiàn)方法    117
4.5.5  共享內(nèi)存通信應(yīng)用舉例    118
4.6  幾種通信方式小結(jié)    124
4.7  Linux信號量    124
4.7.1  Linux信號量的結(jié)構(gòu)    124
4.7.2  有關(guān)信號量的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)    126
4.7.3  信號量及其P、V操作的實(shí)現(xiàn)    130
4.7.4  應(yīng)用舉例    131
習(xí)題4    143
第5章  資源分配與處理機(jī)調(diào)度    144
5.1  資源分配    144
5.2  死鎖    144
5.2.1  死鎖的概念    144
5.2.2  死鎖的起因    145
5.2.3  產(chǎn)生死鎖的必要條件    147
5.2.4  規(guī)避死鎖的方法    147
5.3  處理機(jī)的多級調(diào)度    150
5.4  作業(yè)調(diào)度    151
5.4.1  作業(yè)的狀態(tài)    151
5.4.2  作業(yè)控制塊    152
5.4.3  作業(yè)調(diào)度目標(biāo)與性能評價(jià)    152
5.4.4  調(diào)度算法    153
5.5  進(jìn)程調(diào)度    156
5.5.1  進(jìn)程上下文    156
5.5.2  進(jìn)程調(diào)度的功能    157
5.5.3  進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)    158
5.5.4  進(jìn)程調(diào)度策略    158
5.5.5  UNIX進(jìn)程調(diào)度    159
習(xí)題5    162
第6章  內(nèi)存管理    164
6.1  內(nèi)存管理概述    165
6.1.1  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)    165
6.1.2  操作系統(tǒng)內(nèi)存管理與硬件系統(tǒng)的關(guān)系    165
6.1.3  操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的任務(wù)    166
6.2  分區(qū)內(nèi)存管理    171
6.2.1  分區(qū)管理概述    171
6.2.2  動(dòng)態(tài)分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    173
6.2.3  動(dòng)態(tài)分區(qū)的分配與回收    173
6.2.4  幾種基本的放置策略    175
6.2.5  分區(qū)管理的虛擬存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)    177
6.2.6  碎片問題與拼接技術(shù)    177
6.3  分頁內(nèi)存管理    177
6.3.1  分頁管理的基本原理    178
6.3.2  靜態(tài)分頁管理    180
6.3.3  請求分頁管理與虛擬存儲(chǔ)    181
6.3.4  請求分頁的頁表    182
6.3.5  請求分頁管理的頁面置換算法    182
6.3.6  抖動(dòng)    184
6.3.7  分頁管理的存儲(chǔ)保護(hù)    185
6.3.8  快表    185
6.3.9  分頁管理的優(yōu)缺點(diǎn)    186
6.4  分段內(nèi)存管理    186
6.4.1  段式管理的基本原理    187
6.4.2  分段管理的內(nèi)存分配與回收    188
6.4.3  段的共享與保護(hù)    188
6.4.4  分段管理的優(yōu)缺點(diǎn)    189
6.5  段頁式內(nèi)存管理    190
6.5.1  段頁式管理中虛地址的構(gòu)成    190
6.5.2  段表和頁表    190
6.5.3  動(dòng)態(tài)地址映射    191
6.6  UNIX的內(nèi)存管理    191
6.6.1  UNIX內(nèi)存管理概述    191
6.6.2  UNIX交換區(qū)及其管理    191
6.6.3  UNIX地址映射    193
6.6.4  UNIX請求分頁的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    194
6.6.5  UNIX的請求調(diào)頁技術(shù)與頁面錯(cuò)    196
6.6.6  UNIX的偷頁進(jìn)程    197
6.6.7  UNIX共享的實(shí)現(xiàn)    198
習(xí)題6    199
第7章  文件管理    200
7.1  文件管理概述    200
7.1.1  幾個(gè)基本概念    200
7.1.2  文件的邏輯結(jié)構(gòu)及其存取方式    203
7.1.3  文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)設(shè)備    204
7.1.4  文件存儲(chǔ)空間的管理    209
7.1.5  文件目錄管理    210
7.1.6  文件完整性    218
7.1.7  文件操作    219
7.1.8  文件系統(tǒng)的層次模型    220
7.2  UNIX文件系統(tǒng)    221
7.2.1  UNIX文件系統(tǒng)的特點(diǎn)    221
7.2.2  UNIX文件i結(jié)點(diǎn)    222
7.2.3  UNIX文件的物理結(jié)構(gòu)    222
7.2.4  UNIX文件目錄結(jié)構(gòu)    224
7.2.5  UNIX打開文件管理機(jī)構(gòu)    224
7.2.6  UNIX存儲(chǔ)空間的管理    228
習(xí)題7    232
第8章  設(shè)備管理    233
8.1  設(shè)備管理概述    233
8.1.1  設(shè)備的分類    234
8.1.2  設(shè)備管理的任務(wù)    234
8.1.3  設(shè)備獨(dú)立性    234
8.1.4  緩沖技術(shù)    235
8.1.5  設(shè)備分配    236
8.1.6  輸入輸出控制    238
8.1.7  設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    242
8.1.8  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序    245
8.2  UNIX設(shè)備管理    245
8.2.1  UNIX塊設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    246
8.2.2  UNIX塊設(shè)備緩沖區(qū)管理    248
8.2.3  UNIX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口    257
*8.2.4  UNIX塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)    259
*8.2.5  UNIX字符設(shè)備緩沖區(qū)管理    260
習(xí)題8    263
第2篇  Linux操作系統(tǒng)
第9章  Linux應(yīng)用基礎(chǔ)    266
9.1  Linux簡介    266
9.1.1  UNIX的興起    266
9.1.2  Linux的誕生    266
9.1.3  開源、自由和Linux    267
9.1.4  Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用前景與未來    268
9.1.5  Linux操作系統(tǒng)的特點(diǎn)    269
9.1.6  Linux的發(fā)行版    270
9.1.7  Linux的應(yīng)用軟件    274
9.1.8  Linux資源    276
9.2  Linux的安裝    277
9.2.1  Red Hat Linux 9的獲得    277
9.2.2  計(jì)算機(jī)硬件準(zhǔn)備    278
9.2.3  硬盤空間準(zhǔn)備    279
9.2.4  安裝方式選擇    283
9.2.5  安裝前配置    285
9.2.6  進(jìn)行安裝    297
9.2.7  安裝后配置    298
9.2.8  安裝完成    300
9.2.9  恢復(fù)被Windows破壞的GRUB引導(dǎo)程序    300
9.2.10  刪除已安裝的Red Hat Linux 9    301
9.3  Red Hat Linux的啟動(dòng)    302
9.3.1  Red Hat Linux啟動(dòng)菜單    302
9.3.2  系統(tǒng)登錄、注銷和關(guān)機(jī)    302
9.3.3  文本模式與圖形模式的切換    306
9.4  Linux文本編輯器Vi的使用    307
9.4.1  執(zhí)行與結(jié)束Vi    307
9.4.2  Vi的3種模式及相互切換    308
9.4.3  編輯模式下的操作    309
9.4.4  命令模式下的操作    311
9.5  Linux中的C語言編譯器GCC的使用    312
9.5.1  使用GCC    313
9.5.2  GCC 選項(xiàng)    314
9.6  Linux主要目錄介紹    315
9.6.1  Linux系統(tǒng)目錄    315
9.6.2  /usr子目錄    315
9.6.3  /etc子目錄    316
9.6.4  /usr/src/linux子目錄    316
第10章  Linux的操作命令界面與內(nèi)核編譯    317
10.1  Linux鍵盤命令    317
10.1.1  通配符    317
10.1.2  登錄和退出Linux系統(tǒng)    318
10.1.3  目錄操作    319
10.1.4  文件操作    322
10.1.5  時(shí)間和幫助    334
10.1.6  用戶管理    335
10.1.7  磁盤管理    338
10.1.8  系統(tǒng)管理    340
10.2  Red Hat Linux圖形界面基本操作    341
10.2.1  GNOME簡介    341
10.2.2  GNOME的組成    341
10.2.3  GNOME的基本使用方法    342
10.2.4  GNOME與KDE互換    351
10.3  Linux批處理作業(yè)控制語言（shell編程）    352
10.3.1  制作并運(yùn)行作業(yè)控制程序    352
10.3.2  作業(yè)控制語句    354
10.4  Linux系統(tǒng)模塊的安裝與連接    359
10.4.1  makefile模塊之間的關(guān)系    359
10.4.2  make實(shí)現(xiàn)模塊的編譯連接    360
10.5  Linux中內(nèi)核修改與內(nèi)核重新編譯    360
10.5.1  內(nèi)核重新編譯    360
10.5.2  在Linux內(nèi)核中增加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用舉例    361
第11章  Linux任務(wù)管理與內(nèi)存管理    366
11.1  Linux任務(wù)管理    366
11.1.1  進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    366
11.1.2  Linux進(jìn)程狀態(tài)及其變遷    373
11.1.3  Linux進(jìn)程創(chuàng)建    374
11.1.4  Linux進(jìn)程調(diào)度    375
11.2  80386體系結(jié)構(gòu)提供的內(nèi)存管理機(jī)制    382
11.2.1  80386 CPU提供的工作模式與地址映射機(jī)制    382
11.2.2  80386實(shí)模式下的地址映射    382
11.2.3  80386 CPU提供的保護(hù)模式    383
11.2.4  80386的cache    385
11.3  Linux地址映射與頁表    385
11.3.1  Linux地址映射    385
11.3.2  Linux頁數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    387
11.4  Linux內(nèi)存管理    389
11.4.1  Linux用戶進(jìn)程虛擬地址空間    390
11.4.2  Linux的物理內(nèi)存管理    395
11.4.3  Linux內(nèi)存映射與缺頁中斷    403
11.4.4  Linux頁交換    405
11.4.5  Linux內(nèi)存分配策略和系統(tǒng)調(diào)用    407
第12章  Linux文件管理    410
12.1  Linux的ext2文件系統(tǒng)    411
12.1.1  ext2文件系統(tǒng)的主要特點(diǎn)    411
12.1.2  ext2文件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)    412
12.1.3  ext2文件系統(tǒng)對存儲(chǔ)空間的管理    415
12.1.4  ext2文件目錄與文件共享    420
12.2  Linux的虛擬文件系統(tǒng)VFS    422
12.2.1  VFS文件系統(tǒng)的主要功能    422
12.2.2  VFS的通用文件模型    423
12.3  進(jìn)程與文件系統(tǒng)的關(guān)系    430
12.3.1  相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    430
12.3.2  進(jìn)程與文件系統(tǒng)的關(guān)系    431
12.4  VFS打開文件管理機(jī)構(gòu)    431
12.4.1  VFS打開文件管理機(jī)構(gòu)的組成    431
12.4.2  3個(gè)打開文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系    432
12.5  Linux文件系統(tǒng)的各種緩存    434
12.6  Linux文件系統(tǒng)調(diào)用    435
12.6.1  文件的打開和關(guān)閉    435
12.6.2  文件的讀寫    437
12.6.3  文件的隨機(jī)存取    439
12.6.4  文件的保護(hù)和控制    440
12.6.5  目錄文件管理    444
12.6.6  文件信息查詢    446
第13章  Linux設(shè)備管理    447
13.1  Linux設(shè)備管理概述    447
13.1.1  Linux的設(shè)備分類    448
13.1.2  Linux的設(shè)備文件    449
13.1.3  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口    451
13.1.4  塊設(shè)備的設(shè)備文件接口    452
13.2  設(shè)備管理與注冊    456
13.2.1  字符設(shè)備管理    456
13.2.2  塊設(shè)備管理    459
13.3  塊設(shè)備的請求隊(duì)列與讀寫訪問    464
13.3.1  Linux塊設(shè)備的緩沖機(jī)制    464
13.3.2  塊設(shè)備請求隊(duì)列的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    467
13.3.3  請求隊(duì)列的初始化與清除    470
13.3.4  塊設(shè)備讀寫請求提交過程    470
13.4  設(shè)備文件系統(tǒng)    471
13.4.1  devfs的基本概念    471
13.4.2  啟用devfs    472
13.4.3  devfs的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    473
13.4.4  devfs結(jié)點(diǎn)注冊函數(shù)    476
13.5  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架    478
13.5.1  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡介    478
13.5.2  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的注冊與注銷    479
13.5.3  設(shè)備的打開與釋放    479
13.5.4  設(shè)備的讀寫操作    479
13.5.5  設(shè)備的控制操作    480
13.5.6  設(shè)備中斷與循環(huán)查詢處理    480
13.6  字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵗治?nbsp;   480
13.6.1  編寫字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序mydriver.c    481
13.6.2  編譯設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊mydriver    483
13.6.3  設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊mydriver的裝載    483
13.6.4  創(chuàng)建字符設(shè)備文件mydriver    484
13.6.5  編寫測試程序test.c    484
13.6.6  編譯和執(zhí)行測試程序    485
13.6.7  卸載驅(qū)動(dòng)模塊并刪除字符設(shè)備文件    486
第3篇  實(shí)    驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1  Linux的安裝    488
實(shí)驗(yàn)2-1  Linux的鍵盤命令    489
實(shí)驗(yàn)2-2  Linux的圖形界面    492
實(shí)驗(yàn)2-3  Linux的批處理    493
實(shí)驗(yàn)3-1  Linux進(jìn)程的創(chuàng)建與父子進(jìn)程同步    495
實(shí)驗(yàn)3-2  Linux子進(jìn)程映像的重新加載    497
實(shí)驗(yàn)4-1  Linux軟中斷通信    498
實(shí)驗(yàn)4-2  Linux管道通信    500
實(shí)驗(yàn)4-3  Linux消息緩沖通信    501
實(shí)驗(yàn)4-4  Linux共享存儲(chǔ)通信    503
實(shí)驗(yàn)5  Linux信號量與P、V操作    505
實(shí)驗(yàn)6  動(dòng)態(tài)申請內(nèi)存    507
實(shí)驗(yàn)7  Linux文件系統(tǒng)調(diào)用    508
實(shí)驗(yàn)8  Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)    509
實(shí)驗(yàn)9  在Linux中增加一個(gè)新的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)    510
實(shí)驗(yàn)10  網(wǎng)絡(luò)聊天室的設(shè)計(jì)    511
參考文獻(xiàn)    525
VIII
操作系統(tǒng)教程與實(shí)驗(yàn)
XV
目錄