第1章概論

1.1操作繫統的定義和功能

1.1.1操作繫統的定義

1.1.2操作繫統的功能

1.1.3操作繫統的特征

1.2操作繫統的發展

1.2.1手工操作階段

1.2.2早期的批處理階段

1.2.3多道批處理繫統階段

1.2.4操作繫統的分類

1.3操作繫統的接口

1.3.1程序接口

1.3.2操作接口

1.4操作繫統的設計實現方法

1.4.1操作繫統設計與開發概述

1.4.2操作繫統的體繫結構

1.5典型操作繫統概況

1.5.1Windows繫列操作繫統

1.5.2Linux 繫列操作繫統

1.5.3Android繫列操作繫統

1.5.4國產操作繫統的發展

小結

習題

第2章進程管理

2.1概述

2.2程序的運行方式

2.2.1程序的順序運行

2.2.2程序的並發運行與並行運行

2.2.3進程概念的引入

2.3進程的特征與控制

2.3.1進程狀態及轉換

2.3.2進程控制塊

2.3.3進程控制

2.4進程的互斥與同步

2.4.1與時間有關的錯誤

2.4.2臨界資源與臨界區

2.4.3進程同步機制

2.4.4進程同步經典問題

2.5進程通信

2.5.1消息傳遞通信

2.5.2共享內存通信

2.5.3管道通信

2.6進程調度

2.6.1進程調度模型

2.6.2調度算法的選擇/評價準則

2.6.3調度算法

2.6.4多CPU繫統中的調度

2.6.5多核CPU中的調度

2.7死鎖

2.7.1死鎖產生的原因

2.7.2死鎖產生的必要條件

2.7.3死鎖的避免

2.7.4檢測與解除

2.8線程的基本概念

2.8.1線程的引入

2.8.2線程與進程的區別與聯繫

2.8.3線程的3種模式

2.9管程的基本概念

2.10Windows 10操作繫統中的進程與線程

2.10.1Windows進程

2.10.2Windows線程

2.11Linux操作繫統中的進程與線程

2.12Android操作繫統中的進程與線程

小結

習題

第3章內存管理

3.1內存管理概述

3.1.1內存管理的功能

3.1.2計算機存儲繫統的結構

3.1.3地址的表示與地址轉換

3.1.4覆蓋與交換技術

3.2分區內存管理

3.2.1單一連續內存管理

3.2.2固定分區內存管理

3.2.3可變分區內存管理

3.3頁式存儲管理

3.3.1頁式存儲管理的基本原理

3.3.2頁式存儲管理的內存分配與回收

3.3.3頁式存儲管理的地址轉換

3.3.4快表

3.3.5頁的共享和保護

3.3.6多級頁表

3.4段式存儲管理

3.4.1段式存儲管理的基本原理

3.4.2段式存儲管理的地址轉換和內存保護

3.4.3段的共享

3.4.4分段和分頁的比較

3.4.5段頁式存儲管理

3.5虛擬存儲技術

3.5.1虛擬存儲技術的提出

3.5.2程序的局部性原理

3.5.3虛擬存儲技術的基本思想

3.6請求頁式虛擬存儲管理

3.6.1請求頁式虛擬存儲管理的基本原理

3.6.2請求頁式虛擬存儲管理的硬件支持

3.6.3頁面分配策略與頁面調度算法

3.6.4頁面置換算法

3.6.5影響請求頁式存儲管理性能的因素

3.7請求分段虛擬存儲管理

3.7.1請求分段虛擬存儲管理的基本原理

3.7.2請求分段虛擬存儲管理段的共享和保護

3.7.3請求段頁式虛擬存儲管理

3.8Windows 10 操作繫統內存管理技術

3.8.1虛擬地址空間分布與地址轉換機制

3.8.2虛擬存儲管理

3.8.3Windows操作繫統的內存空間分配

3.8.4內存頁面級保護機制

3.9Linux操作繫統存儲管理技術

3.9.1Linux操作繫統存儲管理概述

3.9.2虛擬地址空間的組織和管理

3.9.3物理內存空間的管理

3.9.4用戶態內存的申請與釋放

3.9.5內存的共享和保護

3.9.6交換空間、頁面的換出和調入

3.9.7緩衝機制

3.10Android操作繫統內存管理機制

3.11Windows、Linux與Android操作繫統內存管理的比較

小結

習題

第4章設備管理

4.1設備管理概述

4.1.1設備分類

4.1.2設備管理的目標、功能和結構

4.2設備控制方法

4.2.1程序循環查詢方式

4.2.2中斷驅動方式

4.2.3直接內存訪問方式

4.2.4通道方式

4.3緩衝技術

4.3.1單緩衝

4.3.2雙緩衝

4.3.3多緩衝

4.4輸入輸出軟件

4.4.1中斷處理程序

4.4.2設備驅動程序

4.4.3設備獨立性程序

4.4.4用戶層軟件

4.5設備分配與回收

4.5.1設備信息描述

4.5.2設備分配策略

4.5.3SPOOLing技術 

4.5.4設備分配算法

4.5.5設備分配與回收過程

4.6Windows操作繫統中的I/O設備管理

4.6.1Windows操作繫統中的I/O繫統軟件層次結構

4.6.2I/O繫統的數據結構

4.6.3I/O的處理過程

4.6.4通用驅動程序

4.6.5USB的新增功能

4.6.6Windows操作繫統的設備管理特性

4.7Linux操作繫統中的I/O設備管理

4.7.1虛擬文件繫統

4.7.2平臺總線驅動模型

4.7.3I/O流程

4.8Android操作繫統中的I/O設備管理

4.8.1存儲設備類型

4.8.2不可變的設備 ID

4.8.3I/O方式

4.9Windows、Linux與Android操作繫統中設備管理的比較

4.9.1Windows與Linux操作繫統的設備管理比較

4.9.2Linux與Android操作繫統的設備管理比較

小結

習題

第5章文件繫統

5.1概述

5.1.1文件的概念

5.1.2文件繫統

5.1.3文件的屬性

5.1.4文件的分類

5.1.5文件的使用

5.2文件的組織

5.2.1文件的邏輯結構

5.2.2記錄的成組與分解

5.2.3文件的物理結構

5.2.4文件的存取方法

5.2.5文件存儲空間管理

5.3文件目錄

5.3.1文件目錄的基本概念

5.3.2目錄文件的組織

5.3.3目錄的結構

5.3.4目錄的檢索

5.3.5文件目錄操作

5.4文件繫統調用的實現

5.4.1實現繫統調用的相關數據結構

5.4.2創建和刪除文件

5.4.3打開和關閉文件

5.4.4文件的讀和寫

5.4.5文件的隨機存取

5.5文件共享

5.5.1靜態共享

5.5.2動態共享

5.6文件繫統的體繫結構

5.6.1文件繫統的層次結構模型

5.6.2文件操作的執行過程

5.6.3虛擬文件繫統

5.7Windows 10操作繫統的文件繫統

5.7.1Windows 10操作繫統的文件繫統實現模型

5.7.2FAT文件繫統原理

5.7.3NTFS文件繫統原理和Windows 10操作繫統新增特性

5.7.4ReFS文件繫統概述

5.8Linux操作繫統的文件繫統

5.8.1Linux操作繫統的虛擬文件繫統

5.8.2Ext2文件繫統

5.8.3Ext3和Ext4文件繫統

5.8.4Linux文件繫統的索引節點結構和目錄結構

5.9Android操作繫統的文件繫統

5.9.1Android操作繫統的分區結構

5.9.2YAFFS2文件繫統

5.9.3F2FS文件繫統

小結

習題

第6章現代操作繫統

6.1現代操作繫統概述

6.1.1推動現代操作繫統發展的主要因素

6.1.2現代操作繫統的新特征

6.2網絡操作繫統

6.2.1網絡操作繫統的功能和構成

6.2.2流行的網絡操作繫統

6.2.3Linux網絡操作繫統的實現

6.3多處理機操作繫統

6.3.1多處理機繫統結構

6.3.2多處理機操作繫統的功能與類型

6.3.3多處理機操作繫統的進程調度和管理

6.4單CPU多核操作繫統

6.5分布式操作繫統與集群

6.5.1分布式操作繫統的定義、特征

6.5.2分布式操作繫統的設計

6.5.3標識符繫統

6.5.4分布式文件繫統

6.5.5分布式操作繫統的進程管理

6.5.6集群

6.6嵌入式操作繫統

6.6.1嵌入式繫統的定義與基本特征

6.6.2嵌入式操作繫統實例

6.7虛擬操作繫統

6.7.1虛擬機繫統資源管理

6.7.2常見虛擬化繫統

6.8移動設備操作繫統

6.8.1移動設備操作繫統概述

6.8.2移動設備操作繫統實例——Android

小結

習題

第7章操作繫統的安全與保護

7.1基本概念

7.1.1可用性

7.1.2完整性

7.1.3機密性

7.1.4操作繫統的安全等級

7.2操作繫統的安全威脅與保護

7.2.1安全威脅的類型

7.2.2操作繫統保護層次

7.3繫統安全的密碼技術

7.3.1數據加密與解密

7.3.2消息摘要與消息驗證碼

7.3.3數字簽名與公鑰基礎設施 

7.4針對操作繫統的入侵與防範

7.4.1黑客入侵與防範

7.4.2病毒入侵與防範

7.5Windows操作繫統的安全

7.5.1Windows操作繫統的安全體繫結構

7.5.2Windows 10操作繫統的啟動保護技術

7.5.3Windows 10操作繫統的運行保護技術

7.6Linux操作繫統安全技術

7.6.1訪問控制機制

7.6.2身份驗證模塊

7.6.3安全網絡傳輸

7.6.4強化軟件運行環境

7.6.5防火牆

7.7Android安全技術

小結

習題

參考文獻

操作繫統是計算機繫統的重要組成部分，操作繫統課程則是計算機及相關專業的重要基礎課程，同時也是計算機行業的工程技術人員必須深入了解的基礎知識。
為了更好地學習和透徹理解計算機繫統的運行過程及操作繫統的基本原理，一本適用的操作繫統教材顯得十分重要。本書結合多年來操作繫統的教學經驗和相關科學研究的成果，不僅反映操作繫統的經典內容，還引進當代操作繫統的成果，力求將操作繫統的新概念、新技術和新方法盡快、準確、全面地編寫到教材中，以適應信息社會計算機科學技術飛速發展的形勢和社會用人單位對計算機教學內容要求改革的迫切需求。
本書具有以下特點。
(1) 本書既致力於傳統操作繫統基本概念、基本技術、基本方法的闡述，又融入現代操作繫統技術發展和應用的討論，著眼於操作繫統學科知識體繫的繫統性、先進性和實用性。
(2) 本書把操作繫統成熟的基本原理與當代有代表性的具體實例、操作繫統的設計原理與操作繫統的實現技術、操作繫統的理論知識與操作繫統的實踐實習緊密地結合在一起。選擇具有代表性的Windows、Linux、Android主流操作繫統作為實例貫穿全書，並在相關技術方面進行比較分析，這十分有益於讀者深入理解操作繫統的整體概念和牢固掌握操作繫統設計實現的精髓。
全書共分7章，每章都配有小結和習題。第1章為概論，主要介紹操作繫統的基本概念、功能及特征； 操作繫統的形成、發展與分類； 操作繫統的接口； 操作繫統的結構與設計方法； 並以Windows、Linux、Android操作繫統為例介紹其發展歷程和特點。第2章為進程管理，圍繞進程管理展開論述，從程序運行的方式開始，介紹順序運行、並發運行和並行運行，並引入進程的概念； 接著討論進程的特征、狀態變化及模型； 重點闡述進程的同步與互斥問題、進程通信、進程調度算法和進程死鎖的預防與避免； 對線程與進程進行了區別分析，論述線程執行的3種模式； 後討論了Windows 10、Linux、Android操作繫統中進程和線程的相關情況。第3章為內存管理，主要討論內存管理的基本功能、分區管理、分頁管理、分段管理以及對應的虛擬存儲管理技術，其中也包括的存儲管理技術，如多級頁表、快表等； 闡述Windows 10、Linux、Android操作繫統中的內存管理新特性。第4章為設備管理，在討論設備管理的功能與目標、輸入輸出的4種控制方式及區別之後，講解緩衝技術的引入及單緩衝、雙緩衝和多緩衝的概念，對輸入輸出軟件的4個層次、輸入輸出過程和SPOOLing技術闡述之後，對Windows 10、Linux、Android操作繫統中設備管理的新特性進行論述。第5章為文件繫統，討論文件及文件繫統的基本概念、文件目錄、文件邏輯結構、文件物理結構、文件的共享和保護、文件的操作和使用原理、文件繫統的體繫結構和虛擬文件繫統； 論述Windows 10、Linux、Android操作繫統下的文件繫統。第6章為現代操作繫統，主要涉及網絡操作繫統、多處理機操作繫統、單CPU多核操作繫統、分布式操作繫統、嵌入式操作繫統、虛擬操作繫統和移動設備操作繫統的主要特征和功能。第7章為操作繫統的安全與保護，在論述相關安全基本概念的基礎上，討論操作繫統保護的層次及基本機制、操作繫統的網絡通信安全技術，分析針對操作繫統的一般入侵和防範技術，介紹Windows 10、Linux、Android操作繫統中采用的典型安全技術。

本書第1章、第4章、第7章由林果園編寫，第2章由朱長征編寫，第3章由王虎編寫，第5章由陸亞萍編寫，第6章由張立江編寫。全書由林果園修改及統稿，牛強、姜秀柱參與了本書相關內容的潤色和校稿工作。
在本書的編寫過程中得到清華大學出版社的大力支持，在此表示衷心的感謝。
在本書寫作過程中，參考了很多國內外同行關於操作繫統的研究內容，以及大量學術著作和研究成果，有的已經在參考文獻中列出，但由於篇幅所限，恕未能一一列出，在此一並表示感謝！
由於作者水平有限，書中難免有不妥之處，殷切希望廣大讀者批評指正。

作者
2020年7月