操作系统原理与实现

以华为鸿蒙和欧拉等代表性操作系统教程 操作系统概论 分布式操作系统
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吴帆 (作者) 978-7-115-63679-9

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工业和信息化部“十四五”规划教材
1.传统与现代相结合,打造完善的操作系统学科知识体系
2.理论知识与国产操作系统的设计理念有机融合,将科研前沿与产业前沿融人教材
3.对接国内产业实践,教材内容对应国内产业界最新的微内核思想
4.配套多种教辅资源,服务教师教学

内容摘要

操作系统是计算机系统的核心,是其他一切软件运行的基础。本书主要介绍操作系统的基本原理和实现方法。全书共12章,包括操作系统概论、进程管理、处理器管理、主存储器管理、I/O设备管理、磁盘和固态硬盘、文件系统、操作系统安全、分布式操作系统、虚拟机、鸿蒙操作系统和欧拉操作系统等内容。本书以鸿蒙和欧拉等具有代表性的国产操作系统为例,通过对操作系统知识的讲解,帮助学生系统掌握操作系统的基本概念、工作原理、主要功能和相关设计技术。
本书可作为普通高等院校计算机和软件工程专业的本科教材或教学参考书,也可供从事计算机相关行业的技术人员参考。

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目录

【章节目录】
第1章 操作系统概论
第2章 进程管理
第3章 处理器管理
第4章 主存储器管理
第5章 I/O设备管理
第6章 磁盘和固态硬盘
第7章 文件系统
第8章 操作系统安全
第9章 分布式操作系统
第10章 虚拟机
第11章 鸿蒙操作系统
第12章 欧拉操作系统

【详细目录】
第1章 操作系统概论
1.1 引言 1
1.1.1 操作系统的目标 1
1.1.2 操作系统的功能 3
1.1.3 推动操作系统发展的动力 5
1.2 计算机系统 6
1.2.1 计算机系统操作 6
1.2.2 I/O结构和DMA结构 7
1.2.3 存储结构 7
1.2.4 中断 9
1.3 操作系统的发展历程 12
1.3.1 串行人工处理 12
1.3.2 单道批处理系统 12
1.3.3 多道程序设计批处理系统 14
1.3.4 分时操作系统 15
1.3.5 实时操作系统 15
1.3.6 微机操作系统 16
1.4 本章小结 17
1.5 本章练习 17
第2章 进程管理
2.1 进程概述 19
2.2 进程状态模型 20
2.3 进程控制 21
2.3.1 进程创建与进程终止 21
2.3.2 进程切换 26
2.4 进程通信 27
2.4.1 消息传递通信 27
2.4.2 共享主存储器通信 29
2.4.3 套接字通信 30
2.4.4 管道通信 31
2.5 进程调度 39
2.5.1 概念 40
2.5.2 调度准则 41
2.5.3 调度算法 41
2.6 进程的同步与互斥 42
2.6.1 进程的并发运行 43
2.6.2 同步与互斥的概念 43
2.6.3 Peterson算法 44
2.6.4 硬件同步 45
2.6.5 互斥锁 47
2.6.6 信号量 48
2.6.7 死锁 49
2.6.8 管程 55
2.7 本章小结 56
2.8 本章练习 56
第3章 处理器管理
3.1 CPU 61
3.1.1 寄存器 62
3.1.2 处理器状态 63
3.1.3 多处理器系统 64
3.2 处理器调度算法 65
3.2.1 先来先服务调度算法 67
3.2.2 最短作业优先调度算法 68
3.2.3 最短剩余时间优先调度算法 69
3.2.4 时间片轮转调度算法 70
3.2.5 优先级调度算法 71
3.3 多核处理器的调度 73
3.3.1 常用的多核处理器调度算法 73
3.3.2 负载均衡 75
3.3.3 处理器亲和性 76
3.4 批处理系统调度和实时调度 76
3.5 不同操作系统的处理器调度算法 78
3.5.1 UNIX/Linux系统的处理器调度算法 78
3.5.2 Windows系统的处理器调度算法 79
3.6 本章小结 80
3.7 本章练习 80
第4章 主存储器管理
4.1 主存储器与程序执行 83
4.2 主存储器的分区管理方法 86
4.2.1 单用户主存储器分区管理 86
4.2.2 主存储器固定分区管理 87
4.2.3 主存储器可变分区管理 90
4.3 主存储器的页式管理方法 92
4.3.1 主存储器页 92
4.3.2 页表与快表 93
4.3.3 现代操作系统的页式管理 96
4.4 虚拟主存储器与页面调度算法 100
4.4.1 虚拟主存储器 100
4.4.2 主存储器页面调度算法 102
4.4.3 段式主存储器管理方法 105
4.5 物理主存储器的分配与管理 107
4.5.1 主存储器碎片 107
4.5.2 伙伴系统 108
4.5.3 slab系统 110
4.6 本章小结 112
4.7 本章练习 112
第5章 I/O设备管理
5.1 系统结构 117
5.1.1 I/O设备及其功能 117
5.1.2 I/O设备的组成 118
5.1.3 设备驱动程序 119
5.2 I/O系统控制方式 119
5.2.1 直接程序控制方式 119
5.2.2 中断方式 119
5.2.3 DMA方式 122
5.2.4 I/O通道 123
5.3 缓冲技术 123
5.4 设备分配 125
5.4.1 设备独立性 125
5.4.2 设备分配原理 126
5.4.3 Spooling技术 127
5.5 虚拟设备 129
5.6 本章小结 129
5.7 本章练习 130
第6章 磁盘和固态硬盘
6.1 磁盘工作原理 131
6.2 磁盘调度算法 132
6.3 固态硬盘 136
6.3.1 SSD产品的核心参数 136
6.3.2 SSD的工作原理 140
6.3.3 SSD的优势 150
6.4 本章小结 152
6.5 本章练习 152
第7章 文件系统
7.1 文件的基本结构 155
7.2 文件系统概述 156
7.2.1 文件系统模型 157
7.2.2 文件系统实现 158
7.3 文件的逻辑与物理结构 165
7.3.1 文件的逻辑结构 165
7.3.2 文件的物理结构 166
7.4 文件存储管理 166
7.4.1 文件与磁盘空间 167
7.4.2 存储空间的分配方式 173
7.5 文件目录管理 182
7.6 文件共享与保护 187
7.6.1 文件访问权限 187
7.6.2 文件的共享方式 190
7.7 本章小结 197
7.8 本章练习 198
第8章 操作系统安全
8.1 操作系统的安全威胁 200
8.1.1 系统安全的基本概念 200
8.1.2 安全威胁的类型 201
8.2 入侵者 203
8.3 恶意软件 204
8.3.1 恶意软件的分类 204
8.3.2 恶意软件的工作原理 205
8.3.3 恶意软件的预防 212
8.4 用于安全保障的技术 213
8.4.1 数据加密 213
8.4.2 身份认证 214
8.4.3 访问控制 217
8.5 本章小结 218
8.6 本章练习 218
第9章 分布式操作系统
9.1 分布式操作系统的原理 219
9.1.1 分布式操作系统简介 219
9.1.2 基于网络的操作系统类型 220
9.1.3 网络结构 222
9.1.4 通信结构 227
9.1.5 通信协议 230
9.2 分布式文件系统 234
9.2.1 命名 235
9.2.2 远程文件访问 237
9.2.3 文件复制 238
9.3 分布式同步机制 239
9.3.1 远程互斥 239
9.3.2 并发控制 241
9.3.3 死锁与恢复 244
9.4 本章小结 249
9.5 本章练习 250
第10章 虚拟机
10.1 概述 251
10.1.1 虚拟机概念 252
10.1.2 发展历史 254
10.1.3 分类 255
10.1.4 虚拟机的工作原理 256
10.1.5 虚拟机与容器的对比 257
10.2 Hypervisor 257
10.3 单机虚拟化 262
10.3.1 单机虚拟化的优势 262
10.3.2 单机虚拟化的劣势 263
10.3.3 单机虚拟化的应用场景 263
10.4 CPU虚拟化 264
10.4.1 CPU软件虚拟化 264
10.4.2 CPU硬件虚拟化 265
10.5 网络虚拟化 266
10.5.1 虚拟化网络架构 266
10.5.2 常见的网络模型 268
10.5.3 常用的虚拟化架构 269
10.6 主存储器虚拟化 270
10.6.1 影子页表技术 271
10.6.2 EPT技术 272
10.7 虚拟机操作系统 273
10.8 本章小结 273
10.9 本章练习 274
第11章 鸿蒙操作系统
11.1 鸿蒙操作系统的设计理念 275
11.1.1 基本设计理念 275
11.1.2 架构设计 285
11.1.3 关键技术 287
11.2 部件化架构的原理解析 290
11.2.1 部件化架构 291
11.2.2 原理解析 295
11.3 统一内核的原理解析 297
11.3.1 内核子系统概览 297
11.3.2 LiteOS-M内核 298
11.3.3 LiteOS-A内核 305
11.4 驱动系统的原理解析 314
11.4.1 驱动框架简介 314
11.4.2 驱动框架的工作原理 317
11.4.3 驱动框架部署 318
11.5 本章小结 319
11.6 本章练习 319
第12章 欧拉操作系统
12.1 欧拉操作系统介绍 320
12.1.1 欧拉操作系统的发展史 320
12.1.2 欧拉操作系统的特性 321
12.2 欧拉操作系统的进程管理 324
12.2.1 进程 324
12.2.2 线程 326
12.2.3 调度策略 326
12.3 欧拉操作系统的并发控制 328
12.3.1 欧拉操作系统中的信号量 328
12.3.2 消息 329
12.4 欧拉操作系统的存储管理 330
12.4.1 分页系统 331
12.4.2 虚实映射 331
12.4.3 缺页异常 332
12.4.4 存储分配策略 333
12.4.5 高速缓存管理 333
12.5 欧拉操作系统的I/O操作 334
12.5.1 缓冲区 334
12.5.2 无缓冲I/O 335
12.5.3 外设 336
12.6 欧拉操作系统的文件管理 336
12.6.1 虚拟文件系统 336
12.6.2 目录结构 337
12.6.3 文件分配机制 338
12.6.4 文件索引节点 339
12.7 本章小结 339
12.8 本章练习 339
参考文献

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作者介绍

吴帆,现为上海交通大学计算机科学与工程系教授、博导、系主任、国家自然科学基金杰出青年科学基金获得者。2004年获南京大学学士学位,2009年获美国纽约州立大学布法罗分校博士学位,曾在美国伊利诺伊大学香槟分校电气与计算机工程系担任博士后研究员。在移动计算、大数据管理、智能博弈等领域取得了一系列科研成果,已发表学术论文200余篇。

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