第1章緒論1
1.1操作繫統概念1
 1.2操作繫統的歷史2
1.2.1手工操作階段3
1.2.2批處理繫統階段3
1.2.3多道程序繫統階段6
1.2.4分時操作繫統階段7
1.2.5通用操作繫統階段7
1.2.6操作繫統的進一步發展8
 1.3操作繫統的基本類型8
1.3.1批處理繫統9
1.3.2分時繫統9
1.3.3通用操作繫統10
1.3.4個人計算機操作繫統10
1.3.5網絡操作繫統10
1.3.6分布式操作繫統11
 1.4操作繫統的功能12
1.4.1處理機管理12
1.4.2內存管理12
1.4.3設備管理12
1.4.4信息管理13
1.4.5用戶接口13
 1.5計算機硬件簡介13
1.5.1計算機的基素13
1.5.2與操作繫統相關的主要寄存器14
1.5.3存儲器件的訪問速度15
1.5.4指令的執行與中斷16
1.6操作繫統啟動17
1.6.1操作繫統啟動過程17
1.6.2Linux操作繫統啟動實例18
 1.7算法的描述19
 1.8操作繫統研究的幾種觀點20
本章小結21習題22
第2章用戶界面23
2.1概述23
2.2作業和作業組織24
2.2.1作業24
2.2.2作業的組織24
2.2.3輸入輸出方式25
2.3命令控制接口27
2.4Linux與Windows的命令控制接口28
2.4.1Linux的命令控制接口28
2.4.2Windows的命令控制接口30
2.5繫統調用32
2.6Linux與Windows的繫統調用33
2.6.1Linux的繫統調用33
2.6.2Windows的繫統調用34
本章小結36
習題36
第3章進程和線程38
3.1進程的概念38
3.1.1程序的順序執行和並發執行38
3.1.2進程的定義42
3.2進程的描述42
3.2.1進程控制塊42
3.2.2進程上下文及其切換44
3.2.3進程空間和大小46
3.3進程控制46
3.3.1創建與撤銷47
3.3.2阻塞與喚醒48
3.3.3進程狀態及其轉換49
3.4進程互斥50
3.4.1概念50
3.4.2互斥鎖53
3.4.3信號量與P、V原語54
3.5進程同步58
3.5.1概念58
3.5.2同步的信號量實現59
3.5.3生產者消費者問題61
3.6死鎖62
3.6.1概念62
3.6.2死鎖的排除方法63
3.7進程間通信65
3.7.1進程間通信的方式65
3.7.2消息緩衝機制66
3.7.3郵箱通信67
3.7.4管道68
3.8線程71
3.8.1概念71
3.8.2描述和控制72
3.8.3線程的實現73
本章小結75
習題76
第4章CPU調度78
4.1分級調度78
4.1.1作業的狀態及其轉換78
4.1.2調度的層次79
4.1.3作業與進程的關繫80
4.2作業調度80
4.2.1功能81
4.2.2調度目標與性能衡量82
4.3進程調度83
4.3.1功能83
4.3.2調度的時機84
4.3.3調度性能衡量85
4.4調度算法85
4.4.1常用調度算法85
4.4.2算法評價89
4.5實時繫統94
4.5.1特點94
4.5.2調度算法96
本章小結96
習題97
第5章內存管理99
5.1背景99
5.1.1虛擬內存99
5.1.2地址變換100
5.1.3內存的管理與保護102
5.2分區管理104
5.2.1基本原理104
5.2.2內存的分配與回收107
5.2.3有關分區其他問題的討論110
5.3分頁管理111
5.3.1基本原理111
5.3.2靜態分頁管理112
5.3.3動態分頁管理115
5.3.4頁幀置換算法117
5.3.5內存保護120
5.3.6分頁管理的優缺點120
5.4段式管理121
5.4.1基本原理121
5.4.2地址變換123
5.4.3段的共享與保護125
5.4.4段頁式管理126
5.4.5段式管理小結128
5.5覆蓋與交換128
5.5.1覆蓋技術129
5.5.2交換技術130
5.6局部性和繫統抖動131
本章小結133
習題134
第6章文件繫統136
6.1概述136
6.1.1文件繫統的引入136
6.1.2文件繫統中的重要概念137
6.1.3文件的分類138
6.2文件138
6.2.1邏輯結構138
6.2.2物理結構140
6.2.3存取方法143
6.2.4存取控制145
6.3文件目錄147
6.3.1層次結構147
6.3.2目錄共享150
6.3.3目錄管理151
6.4文件繫統的實現與管理152
6.4.1文件繫統結構152
6.4.2用戶接口153
6.4.3層次模型153
6.4.4存儲空間管理155
本章小結157
習題158
第7章設備管理159
7.1I/O設備原理159
7.1.1I/O設備159
7.1.2設備控制器160
7.1.3內存映射I/O161
7.2數據傳送控制方式162
7.2.1輪詢163
7.2.2中斷164
7.2.3DMA165
7.2.4通道167
7.3中斷技術169
7.3.1中斷的概念169
7.3.2中斷的類別與優先級170
7.3.3軟中斷170
7.3.4中斷處理過程171
7.4緩衝技術172
7.4.1緩衝的引入172
7.4.2緩衝的種類173
7.4.3緩衝池的管理173
7.5設備分配175
7.5.1設備分配使用的數據結構176
7.5.2設備分配原則和策略177
7.5.3設備分配算法179
7.6I/O控制179
7.6.1I/O控制的引入179
7.6.2I/O控制的功能179
7.6.3I/O控制的實現180
7.7設備驅動程序181
本章小結181
習題182
第8章Linux操作繫統184
8.1概述184
8.2進程管理185
8.2.1概述185
8.2.2進程控制191
8.2.3進程調度195
8.2.4進程通信198
8.3內存管理208
8.3.1虛擬內存空間及其管理208
8.3.2請求調頁技術209
8.4文件繫統212
8.4.1概述212
8.4.2虛擬文件繫統214
8.4.3注冊和掛載221
8.4.4進程與文件繫統的聯繫225
8.4.5Ext4文件繫統226
8.5設備管理235
8.5.1塊設備235
8.5.2字符設備237
本章小結237
習題238
第9章虛擬化技術239
9.1概述239
9.1.1繫統虛擬化的基本概念239
9.1.2虛擬化的實現方式240
9.1.3虛擬機監視器的類型241
9.1.4虛擬化的優勢242
9.1.5虛擬化的發展歷程243
9.2CPU虛擬化244
9.2.1基本思想244
9.2.2受限執行245
9.2.3上下文切換247
9.3內存虛擬化248
9.3.1客戶機物理地址空間249
9.3.2地址映射250
9.3.3訪存請求截獲與處理253
9.4I/O虛擬化253
9.4.1基本思想254
9.4.2軟件模擬的I/O全虛擬化254
9.4.3軟件模擬的I/O半虛擬化255
9.4.4硬件輔助的I/O虛擬化256
9.5容器258
9.5.1鏡像與容器258
9.5.2命名空間260
9.5.3控制組262
本章小結264
習題265
第10章操作繫統結構演進趨勢266
10.1微內核操作繫統266
10.1.1引言266
10.1.2進程間通信機制267
10.1.3資源訪問控制270
10.1.4現有的微內核操作繫統272
10.1.5小結273
10.2庫操作繫統274
10.2.1引言274
10.2.2鏡像的構建275
10.2.3現有應用的兼容275
10.2.4增強的安全性277
10.2.5小結277
10.3基於外核的操作繫統278
10.3.1引言278
10.3.2安全綁定280
10.3.3資源的可見回收281
10.3.4中止協議281
10.3.5小結281
10.4面向離散化數據中心的操作繫統282
10.4.1離散化數據中心282
10.4.2繫統架構283
10.4.3監視器284
10.4.4小結286
本章小結286
習題287
參考文獻288

計算機技術的發展日新月異。近十年來，以雲計算、人工智能、物聯網及大數據等為代表的新型技術推動了信息技術產業快速迭代和升級，也為傳統行業的信息化發展帶來新的機遇和挑戰。操作繫統作為計算機的核心基礎軟件，對支持和促進新型計算機技術及應用的發展起到了至關重要的作用。無論對於計算機科學與技術等專業的學生或研究人員，還是對於一般計算機應用人員，對操作繫統原理的學習和實踐都是極為重要的。
本書自1993年出版以來，已歷經4次改版。每一版都得到了廣大讀者的支持和厚愛。本次改版是在第4版教材的基礎之上，結合近10年來操作繫統的主要發展趨勢，對全書內容進行了較為全面的修訂，新增了操作繫統啟動、虛擬化技術和操作繫統結構演進趨勢等內容。
本次改版主要基於以下幾個出發點：
（1） 隨著雲計算的飛速發展和廣泛應用，繫統虛擬化技術已成為操作繫統的核心技術之一。本書第9章詳細介紹了繫統虛擬化的基本原理和關鍵技術，特別介紹了以容器為代表的輕量級虛擬化技術原理。
（2） 應用需求和硬件體繫結構的變化驅動著操作繫統不斷向前演進，經典操作繫統的抽像背後隱藏著很多不符合現代硬件架構和網絡環境的功能及設計。本書第10章詳細介紹了當前操作繫統結構演進的新趨勢，重點講解了以微內核、外核和庫操作繫統為代表的新型操作繫統結構。
（3）  增加了對操作繫統啟動過程的介紹以及相關課程實驗，便於讀者理解操作繫統在啟動過程中的細節和BIOS的工作原理。
（4）  鋻於代碼開源對操作繫統學習的重要影響，本書刪減了Windows繫列操作繫統的實現技術，重點介紹了Linux操作繫統的實現技術，便於讀者參考Linux的具體實現代碼理解操作繫統基本原理。
本書共10章。第1章簡要介紹操作繫統的基本概念、功能、分類、啟動原理以及發展歷史等。第2章主要介紹操作繫統的兩種界面和操作方法。第3章主要介紹進程和線程管理的有關概念和技術。第4章主要介紹CPU管理與調度策略。第5章主要介紹內存管理，包括分區、分頁、分段和段頁式管理等。第6章和第7章分別介紹文件繫統及設備管理技術。第8章介紹Linux操作繫統在進程與存儲管理、文件繫統及設備管理方面的實現技術。第9章介紹虛擬化的基本原理與關鍵技術。第10章介紹操作繫統結構演進趨勢。
對於非計算機專業的本科生，課程的教學內容以第1～8章為主，重點理解操作繫統的基本技術原理；對於計算機專業的本科生，可在第1～8章的基礎上補充講解第9章；而對於計算機專業的研究生，第9章和第10章可作為教學的重點內容。〖XCDM1.tif〗本書第1章的1.6節、第9章及第10章由清華大學任炬和中南大學盧軍共同編寫，其他章節由清華大學張堯學編寫。在本書的編寫過程中，中南大學透明計算實驗室的高迎港、丁標、郭旭城、瞿沁麒、左倩、王恆宇、彭許紅、黃旺、李依倫、向侃、謝禹以及清華大學的劉佳妮、李耀等同學為本書新增內容做了大量工作，編者對他們的辛苦工作表示感謝！
限於編者水平，書中難免有錯誤和不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。

編者2022年11月