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第1篇 背景知识1

第1章 硬件基础1

1.1硬件的基本构成1

1.2处理器3

1.2.1 CPU的性能因素4

1.2.2微处理器的发展5

1.3指令与指令周期6

1.3.1指令6

1.3.2指令周期7

1.3.3指令集的复杂性7

1.3.4流水线和并行处理8

1.4中断8

1.4.1中断和指令周期8

1.4.2中断处理9

1.4.3多个中断10

1.5存储器的层次结构12

1.5.1内存的4种类型12

1.5.2存储器的重要特性13

1.5.3存储器访问的局部性原理14

1.6高速缓存15

1.7直接内存存取16

1.8多处理器和多核计算机组织结构17

1.8.1对称多处理器17

1.8.2多核计算机19

1.9启动计算机20

1.10习题21

第2章 操作系统概述23

2.1操作系统的功能23

2.1.1作为用户/计算机接口23

2.1.2作为资源管理器25

2.1.3作为扩展机器26

2.2操作系统的种类27

2.3操作系统的核心概念31

2.3.1进程31

2.3.2地址空间与内存管理35

2.3.3文件37

2.3.4调度和资源管理38

2.3.5输入/输出39

2.3.6保护39

2.3.7 Shell与图形用户界面39

2.4操作系统的发展41

2.4.1串行处理41

2.4.2简单批处理系统42

2.4.3多道批处理系统43

2.4.4分时系统44

2.4.5实时系统45

2.4.6通用操作系统45

2.4.7操作系统的进一步发展46

2.5系统调用46

2.5.1系统调用的概念46

2.5.2用于进程管理的系统调用47

2.5.3用于文件管理的系统调用49

2.5.4WindoWs Win32 API49

2.6操作系统结构50

2.6.1单体系统50

2.6.2层次式系统51

2.6.3微内核51

2.6.4客户机一服务器模式52

2.6.5虚拟机53

2.6.6外核56

2.7多处理器和多核计算机操作系统的设计因素56

2.7.1多线程56

2.7.2对称多处理器计算机56

2.7.3多核计算机58

2.8习题59

第2篇 进程与线程61

第3章 进程描述和控制61

3.1进程的概述61

3.2进程状态62

3.2.1两状态进程模型63

3.2.2进程的创建和终止64

3.2.3五状态模型65

3.2.4被挂起的进程68

3.3进程描述71

3.3.1操作系统的控制结构71

3.3.2进程控制结构72

3.4进程控制74

3.4.1进程创建75

3.4.2进程切换75

3.5操作系统的执行77

3.5.1无进程的内核77

3.5.2在用户进程中执行78

3.5.3基于进程的操作系统78

3.6习题79

第4章 线程82

4.1线程的概念82

4.1.1单线程和多线程82

4.1.2线程的属性83

4.1.3线程的功能特性85

4.1.4线程和进程的区别86

4.2用户级和内核级线程87

4.3多核和多线程90

4.4 Windows7线程和SMP管理90

4.4.1进程对象和线程对象91

4.4.2多线程93

4.4.3线程状态93

4.4.4对OS子系统的支持94

4.4.5对称多处理的支持95

4.5习题95

第5章 互斥与同步96

5.1并发的原理96

5.1.1同步与互斥97

5.1.2简单举例97

5.1.3进程的交互99

5.1.4互斥的要求102

5.2互斥：硬件的支持103

5.3信号量106

5.3.1互斥107

5.3.2生产者/消费者问题109

5.3.3信号量的实现112

5.4管程114

5.4.1使用信号的管程114

5.4.2使用通知和广播的管程116

5.5消息传递118

5.5.1同步118

5.5.2寻址119

5.5.3消息格式120

5.5.4排队原则120

5.5.5互斥121

5.6读者/写者问题122

5.6.1读者优先123

5.6.2写者优先123

5.7习题126

第6章 死锁与饥饿127

6.1死锁原理127

6.1.1可抢占资源和不可抢占资源127

6.1.2可重用资源和可消耗资源128

6.1.3资源获取129

6.1.4死锁的定义130

6.1.5资源死锁的条件131

6.1.6死锁建模131

6.2死锁检测和死锁恢复133

6.2.1死锁检测134

6.2.2死锁恢复135

6.3死锁避免136

6.3.1资源轨迹图137

6.3.2安全状态和不安全状态138

6.3.3单个资源的银行家算法139

6.3.4多个资源的银行家算法139

6.4死锁预防140

6.5活锁与饥饿142

6.5.1两阶段加锁142

6.5.2通信死锁143

6.5.3活锁144

6.5.4饥饿145

6.6哲学家就餐问题146

6.7习题148

第3篇 存储管理与调度150

第7章 存储管理150

7.1无存储器抽象150

7.2存储器抽象：地址空间152

7.2.1地址空间的概念152

7.2.2交换技术153

7.2.3空闲内存管理154

7.2.4驻留集管理157

7.3虚拟内存157

7.3.1分页158

7.3.2页表160

7.3.3加速分页过程162

7.3.4针对大内存的页表164

7.4页面置换算法167

7.4.1最优页面置换算法167

7.4.2最近未使用（NRU）页面置换算法168

7.4.3先进先出（FIFO）页面置换算法168

7.4.4第二次机会页面置换算法169

7.4.5时钟页面置换算法169

7.4.6最近最少使用（LRU）页面置换算法169

7.4.7最不常用页面置换算法170

7.4.8工作集页面置换算法171

7.4.9工作集时钟（W SClock）页面置换算法172

7.5习题172

第8章 分页与分段设计175

8.1分页系统的设计问题175

8.1.1局部分配策略与全局分配策略175

8.1.2负载控制177

8.1.3页面大小177

8.1.4分离的指令空间和数据空间178

8.1.5共享页面178

8.1.6共享库179

8.1.7内存映射文件181

8.1.8清除策略181

8.1.9虚拟内存接口181

8.2设计的实现问题182

8.2.1与分页有关的工作182

8.2.2指令备份183

8.2.3后备存储184

8.3分段185

8.3.1纯分段的实现188

8.3.2分段和分页结合：MULTICS188

8.3.3分段和分页结合：Intel Pentium190

8.4习题190

第9章 处理器管理193

9.1处理器调度的类型193

9.2调度算法195

9.2.1短程调度准则195

9.2.2优先级的使用196

9.2.3选择调度策略197

9.2.4公平共享调度201

9.3多处理器调度201

9.3.1粒度202

9.3.2设计问题203

9.3.3进程调度204

9.3.4线程调度204

9.4实时调度207

9.4.1实时操作系统的特点208

9.4.2实时调度方法210

9.4.3限期调度211

9.4.4速率单调调度212

9.4.5优先级反转212

9.5习题213

第4篇 输入/输出和文件管理216

第10章 输入/输出管理216

10.1 O硬件原理216

10.1.1 I/O设备216

10.1.2设备控制器217

10.1.3内存映射IOo218

10.1.4直接存储器存取221

10.2 I/O软件原理223

10.2.1 O软件的目标223

10.2.2程序控制I/O224

10.2.3中断驱动I/O225

10.2.4使用DMA的I/O225

10.3 I/O软件层次226

10.3.1中断处理程序226

10.3.2设备驱动程序227

10.3.3与设备无关的I/O软件229

10.3.4用户空间的I/O软件232

10.4习题233

第11章I/O设备管理235

11.1盘235

11.1.1磁盘235

11.1.2光盘237

11.1.3固态硬盘238

11.2磁盘臂调度算法240

11.3磁盘阵列（RAID）242

11.4时钟244

11.4.1时钟硬件245

11.4.2时钟软件245

11.4.3软定时器247

11.5用户界面：键盘、鼠标和监视器248

11.5.1输入软件248

11.5.2输出软件249

11.6电源管理253

11.7习题256

第12章 文件管理259

12.1文件259

12.1.1文件命名260

12.1.2文件结构261

12.1.3文件类型262

12.1.4文件存取263

12.1.5文件属性263

12.1.6文件操作264

12.2目录264

12.2.1一级目录系统265

12.2.2层次目录系统265

12.2.3路径名265

12.2.4目录操作266

12.3文件系统的实现267

12.3.1文件系统布局267

12.3.2文件的实现268

12.3.3目录的实现270

12.3.4虚拟文件系统271

12.4文件系统管理和优化272

12.4.1磁盘空间管理272

12.4.2文件系统备份273

12.4.3文件系统的一致性275

12.4.4文件系统性能275

12.4.5磁盘碎片整理276

12.5习题277

第5篇 操作系统进阶281

第13章 操作系统安全281

13.1安全的概念281

13.2威胁、攻击与资产282

13.2.1威胁与资产282

13.2.2入侵者284

13.2.3数据意外遗失285

13.3恶意软件285

13.3.1特洛伊木马286

13.3.2病毒287

13.3.3蠕虫288

13.3.4僵尸289

13.3.5移动代码290

13.3.6间谍软件290

13.3.7 Rootkit291

13.4内部与外部攻击292

13.4.1后门陷阱292

13.4.2逻辑炸弹292

13.4.3登录欺骗293

13.4.4利用代码漏洞293

13.5身份验证与访问控制294

13.5.1基于密码的身份验证294

13.5.2基于令牌的身份验证295

13.5.3生物特征识别认证296

13.5.4访问控制297

13.6入侵检测298

13.6.1基于主机的入侵检测技术298

13.6.2审计记录299

13.7防御299

13.7.1防火墙299

13.7.2反病毒技术300

13.7.3蠕虫对策302

13.8习题302

第14章 多媒体操作系统306

14.1多媒体概述306

14.2多媒体文件308

14.2.1视频编码309

14.2.2音频编码310

14.3视频压缩311

14.3.1 JPEG标准311

14.3.2 MPEG标准311

14.4音频压缩313

14.5多媒体进程调度313

14.5.1调度同质进程313

14.5.2一般实时调度314

14.5.3速率单调调度315

14.5.4最早最终时限优先调度316

14.6多媒体文件系统317

14.6.1 VCR控制功能318

14.6.2近似视频点播319

14.7文件存放320

14.7.1在单个磁盘上存放文件321

14.7.2两个替代的文件组织策略321

14.7.3近似视频点播的文件存放323

14.7.4在单个磁盘上存放多个文件323

14.7.5在多个磁盘上存放文件324

14.8高速缓存326

14.8.1块高速缓存326

14.8.2文件高速缓存328

14.9多媒体磁盘调度328

14.9.1静态磁盘调度328

14.9.2动态磁盘调度328

14.10习题329

第15章 嵌入式操作系统333

15.1嵌入式系统333

15.2 eCos336

15.2.1可配置性336

15.2.2 eCos组件337

15.2.3 eCos调度程序338

15.2.4 eCos线程同步340

15.3 TinyOS341

15.3.1无线传感器网络342

15.3.2 TinyOS的目标342

15.3.3 TinyOS的组件343

15.3.4 Tinyos的调度程序344

15.3.5 TinyOS的资源接口344

15.4习题345

第16章 分布式处理、客户/服务器和集群系统346

16.1客户/服务器计算模型346

16.1.1客户/服务器的概念346

16.1.2客户/服务器的应用347

16.1.3中间件352

16.2面向服务的体系结构353

16.3分布式消息传递355

16.4远程过程调用357

16.5集群359

16.5.1集群的配置360

16.5.2操作系统的设计问题361

16.5.3集群计算机的体系结构362

16.5.4 Windows集群服务器364

16.5.5 Beowulf和Linux集群365

16.6习题366

附录 部分习题参考答案370

参考文献372