《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》學(xué)習(xí)指南

作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程之一，《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》課程主要講授現(xiàn)代操

作系統(tǒng)經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)原理、方法、算法和相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生建立系統(tǒng)級(jí)概念,

并將操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理用于應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。我?！队?jì)算機(jī)

操作系統(tǒng)》教學(xué)除了注重知識(shí)和專業(yè)能力培養(yǎng)，還注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)研究能力

和科學(xué)思維能力，以幫助學(xué)生從思維訓(xùn)練的角度學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)

技術(shù)。

作為計(jì)算機(jī)資源的管理者，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管浬計(jì)算機(jī)中的各類軟硬件資源，

保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有效且高效地運(yùn)行。課程教學(xué)中從兩個(gè)角度剖析計(jì)算機(jī)操作系

統(tǒng)，一方面，從管理學(xué)的角度，把操作系統(tǒng)看作計(jì)算機(jī)資源的管理器，分析操作

系統(tǒng)如何有效且高效地管理處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備和文件等軟硬件資源；另

一方面，從軟件工程的角度，將計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)看作一種大型系統(tǒng)軟件，按照模

塊化的思想，將其劃分為處理器管理子系統(tǒng)（即進(jìn)程管理子系統(tǒng)）、存儲(chǔ)管理子

系統(tǒng)、I/O設(shè)備管理子系統(tǒng)和文件管理子系統(tǒng)等幾個(gè)較小的子系統(tǒng)。再分別研究

各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。上述兩個(gè)角度可以交替進(jìn)行，不妨可以將操作系統(tǒng)

比擬為一個(gè)公司的財(cái)務(wù)總監(jiān)，其主要責(zé)任即準(zhǔn)確實(shí)時(shí)登記公司的各類資產(chǎn)情況，

以確保公司各部門能高效運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的軟件工程設(shè)計(jì)能力，以操作系

統(tǒng)設(shè)計(jì)者的身份，與老師一道共同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的各功能模塊。計(jì)算機(jī)操作

系統(tǒng)中包含若干工程訓(xùn)練和計(jì)算思維訓(xùn)練的實(shí)例。希望同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中認(rèn)真

體會(huì)：

（1）化繁為簡(jiǎn)：模塊化設(shè)計(jì)

作為一個(gè)大型復(fù)雜的系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)必須遵循化繁為簡(jiǎn)的

思想，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)劃分為幾個(gè)較簡(jiǎn)單的、相對(duì)獨(dú)

立的子系統(tǒng)。一般地，根據(jù)操作系統(tǒng)管理的計(jì)算機(jī)資源類型不同，可以將操作系

統(tǒng)劃分為處理機(jī)管理子系統(tǒng)（常稱為進(jìn)程管理子系統(tǒng)）、存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)、I/O設(shè)

備管理子系統(tǒng)和文件管理子系統(tǒng)等幾個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。

其中，進(jìn)程管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的并發(fā)控制、處理器的有效競(jìng)爭(zhēng)使用（進(jìn)

程調(diào)度）、多進(jìn)程并發(fā)替在引起的死鎖問題的解決等功能。存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

內(nèi)存的劃分、為進(jìn)程分配存儲(chǔ)空間并實(shí)時(shí)回收可用空間、虛擬存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)等

功能。1/0設(shè)備管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的分配與回收、緩沖存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)、多進(jìn)

程對(duì)磁盤I/O訪問的請(qǐng)求與服務(wù)等功能。文件管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)文件的組織、文件

目錄管理、為文件分配磁盤存儲(chǔ)空間等功能。上述諸功能的實(shí)現(xiàn)依賴各類數(shù)據(jù)結(jié)

構(gòu)，例如進(jìn)程控制塊PCB、進(jìn)程頁表、設(shè)備分配表、文件分配表等，以及大量

算法，如進(jìn)程調(diào)度、頁面置換、磁盤調(diào)度等算法。

模塊化思想是計(jì)算思維的基本要素之一。以操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例，訓(xùn)

殊學(xué)生如何將一個(gè)大型軟件劃分為若干較小的模塊，再對(duì)各模塊進(jìn)行需求分析和

功能設(shè)計(jì)。

（2）隊(duì)列與調(diào)度

超市結(jié)賬、銀行辦理業(yè)務(wù)、乘車排隊(duì)等生活中的排隊(duì)現(xiàn)象司空見慣。一般

地，按照約定俗成，排在隊(duì)首者優(yōu)先獲得服務(wù)，這其實(shí)就是一種調(diào)度算法一先來

先服務(wù)。計(jì)算機(jī)中存在很多隊(duì)列，如進(jìn)程隊(duì)列（阻塞隊(duì)列、就緒隊(duì)列、I/O等待

隊(duì)列等）、作業(yè)隊(duì)列等。凡是存在隊(duì)列的地方，都需要某種調(diào)度策略，以服務(wù)于

隊(duì)列中的各對(duì)象。因此，操作系統(tǒng)中需要講解進(jìn)程調(diào)度、作業(yè)調(diào)度、磁盤調(diào)度等

調(diào)度算法。

如何更好地講解各種調(diào)度算法，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維呢？筆者認(rèn)為，操作系

統(tǒng)中出現(xiàn)的各類調(diào)度算法本身不難，重點(diǎn)是通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何研究算法、

評(píng)價(jià)其性能，并進(jìn)行改進(jìn)，在這樣的學(xué)習(xí)過程中訓(xùn)練學(xué)生的科研能力和計(jì)算思維。

因此，此類內(nèi)容適合于讓學(xué)生預(yù)習(xí)自學(xué)，完成相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)，并組織學(xué)生互動(dòng)討

論，啟發(fā)學(xué)生從日常生活中提出簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，再逐步改進(jìn)完善，進(jìn)行研究性

學(xué)習(xí)。歷經(jīng)數(shù)年的教學(xué)改革實(shí)踐證明，該方法切實(shí)可行，部分學(xué)生完全有能力通

過自學(xué)，以研究方式設(shè)計(jì)、改進(jìn)調(diào)度算法，完成噗擬實(shí)驗(yàn)。通過互動(dòng)討論交流，

其學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他同學(xué)亦具有激勵(lì)和示范作用。

（3）多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)：并發(fā)與并行

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般都支持多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，即允許多道程序（進(jìn)程）同

時(shí)駐留內(nèi)存，在單處理器系統(tǒng)中，某時(shí)刻只允許一道程序運(yùn)行（稱為多任務(wù)并發(fā)）。

當(dāng)正在運(yùn)行的那道程序（進(jìn)程）因?yàn)槟撤N原因（比如等待輸入或輸出數(shù)據(jù)）暫時(shí)

不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地啟動(dòng)另一道程序（進(jìn)程）運(yùn)行；一旦原因消除（比

如數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)或數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出完畢），暫時(shí)停止運(yùn)行的那道程序（進(jìn)程）在將

來某個(gè)時(shí)候還可以被調(diào)度繼續(xù)運(yùn)行。在多處理器系統(tǒng)中，某時(shí)刻允許多個(gè)任務(wù)同

時(shí)運(yùn)行，稱為多任務(wù)并行。與傳統(tǒng)的支持單道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的系統(tǒng)相比，支持多

道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能顯著提高效率。

單處理器系統(tǒng)中的并發(fā)實(shí)質(zhì)上是一種串行技術(shù)，通過進(jìn)程調(diào)度實(shí)現(xiàn)處理器的

快速切換，在一段時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)任務(wù)。可見，在個(gè)人計(jì)算機(jī)中同時(shí)打開多個(gè)

QQ窗口、播放音樂、收發(fā)電子郵件等任務(wù)，都是通過CPU快速切換執(zhí)行各應(yīng)用

程序完成的。

多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，也是一種非常重要的計(jì)

算思維。教學(xué)中，首先分析多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的概念，剖析其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，區(qū)分單

處理器和多處理器系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)差異。要求學(xué)生掌握單處理器多道程序系統(tǒng)中，

如何控制進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥。操作系統(tǒng)課程將進(jìn)程的同步

與互斥抽象成生產(chǎn)者/消費(fèi)者、讀者/寫者以及哲學(xué)家進(jìn)餐三類經(jīng)典問題，以此為

例，訓(xùn)練學(xué)生如何實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程同步與互斥的算思維能力。

（4）緩沖與多級(jí)存儲(chǔ)體系

人們外出時(shí)，通常會(huì)攜帶一個(gè)隨身包，其中裝有一些日常必備用品，或裝一

些外出辦事臨時(shí)的資料用品等，這就是一種緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)中常用的技術(shù)，它利用多余的空間存儲(chǔ)一些最近常用的數(shù)據(jù)，以加速數(shù)據(jù)的訪

問速率。計(jì)算機(jī)中存在各種各樣的緩沖區(qū)，例如，由于CPU的處理速度比訪問

內(nèi)存的速度快，在CPU中配置高速寄存器，存儲(chǔ)CPU最近經(jīng)常處理的數(shù)據(jù)和指

令，避免每次訪問內(nèi)存而降低計(jì)算機(jī)的效率。再如，由于內(nèi)存的訪問速率比磁盤

的訪問速率快，在內(nèi)存配置緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)輸出到磁盤或從磁盤輸入內(nèi)存的數(shù)

據(jù)。由于本地磁盤的訪訶速率比網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)訪問速率快，在本地磁盤中配置緩沖區(qū)，

存儲(chǔ)最近訪問網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)等。

利用緩沖技術(shù)，尺多余的空間換取時(shí)間，可以構(gòu)建計(jì)算機(jī)的多極存儲(chǔ)體系。

下圖示意了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)金字塔結(jié)構(gòu)的多級(jí)存儲(chǔ)體系，即以容量小、價(jià)格昂貴、訪

問速度快的寄存器為塔尖，以容量大、價(jià)格便宜、訪問速度慢的外部存儲(chǔ)器（如

磁盤）為塔基，塔身由存儲(chǔ)容量、價(jià)格、訪問速率等逐步變化的各級(jí)緩存和物理

內(nèi)存構(gòu)成。

昂貴、快速、小容量寄存器(Register)

CPU內(nèi)高速緩存儲(chǔ)（Cache）

CPU外高速緩存儲(chǔ)（Cache）

主存儲(chǔ)器(PrimaivStorage)

廉價(jià)、低速、大容量外部存儲(chǔ)器（SecondaryStorage）

圖現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)體系

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各類緩沖存儲(chǔ)區(qū)，包括緩沖區(qū)的分配與回

收、緩沖區(qū)內(nèi)容的更新與置換等。該部分教學(xué)主要訓(xùn)練學(xué)生理解緩沖技術(shù)的基本

原理、緩沖技術(shù)的應(yīng)用、緩沖區(qū)內(nèi)容的置換算法等計(jì)算思維能力和方法，并啟發(fā)

學(xué)生將緩沖技術(shù)從單機(jī)系統(tǒng)拓展到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將緩沖技術(shù)提升為一種計(jì)算思維。

（5）中斷技術(shù)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)利用中斷技術(shù)，支持多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)因?yàn)?/p>

某種原因被中斷，計(jì)算機(jī)必須保存中斷時(shí)的所有信息（稱為中斷現(xiàn)場(chǎng)），以便恢

復(fù)中斷執(zhí)行。例如，當(dāng)CPU執(zhí)行到某程序的一條數(shù)據(jù)輸入指令時(shí)，程序執(zhí)行被

中斷，CPU保存該任務(wù)的中斷現(xiàn)場(chǎng)，并給相應(yīng)的輸入設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)輸入命令，

CPU調(diào)度另外一個(gè)任務(wù)執(zhí)行。當(dāng)指定設(shè)備完成數(shù)據(jù)輸入，向CPU發(fā)送一個(gè)中斷

信號(hào)，告知其數(shù)據(jù)輸入完畢。CPU將在適當(dāng)時(shí)候，恢復(fù)被中斷任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)，繼

續(xù)其執(zhí)行。

中斷技術(shù)也屬于計(jì)算思維訓(xùn)練的核心技術(shù)之一。正是基于中斷技術(shù)，現(xiàn)代計(jì)

算機(jī)系統(tǒng)才能支持多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)處理器與I/O設(shè)備并行工作，以

及多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。本部分應(yīng)訓(xùn)練學(xué)生掌握中斷處理技術(shù)，比較Windows和Linux

操作系統(tǒng)的中斷技術(shù)異同，理解為什么Linux操作系統(tǒng)改進(jìn)中斷接收和處理方式

以后能快速響應(yīng)實(shí)時(shí)任務(wù)。

（6）索引與冗余

文件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)組織形式，文件管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)文件的創(chuàng)

建、查找、分配存儲(chǔ)空間等功能。一個(gè)大文件包含大批量數(shù)據(jù)，若順序查找或插

入某條記錄，效率非常低。因此，必須采用某種技術(shù)加快查找速度。一般，可以

采用折半查找、冒泡查找等技術(shù)，也可以為源數(shù)據(jù)建立索引。相對(duì)于源數(shù)據(jù)，索

引數(shù)據(jù)屬于冗余信息。若考慮計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)成本，冗余數(shù)據(jù)需要額外的存儲(chǔ)空間。

然而，冗余的索引數(shù)據(jù)有利于提高檢索速率。此外，有時(shí)為了確保數(shù)據(jù)安全，需

要增加數(shù)據(jù)備份，或保存源數(shù)據(jù)的校驗(yàn)信息，這些也是冗余數(shù)據(jù)，但同樣有益。

可見，操作系統(tǒng)既追求提高資源利用率，也會(huì)利用冗余信息提高檢索速率或

增加數(shù)據(jù)可靠性等，這就需要在存儲(chǔ)空間利用率和檢索效率或可靠性等性能之間

尋找一種平衡。事實(shí)上，討論操作系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)時(shí)，很多地方都需要考慮

理論與工程實(shí)現(xiàn)之間的折中與平衡，這屬于典型的計(jì)算思維。

（7）虛擬技術(shù)

虛擬技術(shù)是一種對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行抽象模擬的技術(shù)。它可以在已有計(jì)算機(jī)硬

件資源的基礎(chǔ)上，抽象化模擬出一整套或一部分虛擬的硬件資源，如CPU、內(nèi)

存、I/O設(shè)備等。一個(gè)多用戶多任務(wù)的單機(jī)系統(tǒng)中，物理上只裝配了一個(gè)CPU,

通過多進(jìn)程并發(fā)，讓每個(gè)用戶感覺到獨(dú)占了一個(gè)CPU。這樣，CPU被虛擬了。

基于虛擬技術(shù)，可以將外存的一部分虛擬為內(nèi)存使用，讓用戶感覺擴(kuò)大了內(nèi)存空

間，這就是虛擬存儲(chǔ)技術(shù)。同理，基于虛擬和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一臺(tái)打印機(jī)也可以被虛

擬為多臺(tái)打印機(jī)。

從計(jì)算思維的角度，不僅需要綜合講解操作系統(tǒng)中的虛擬技術(shù)，還應(yīng)該進(jìn)行

思維拓展，將虛擬技術(shù)延伸到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，結(jié)合云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等其它相關(guān)領(lǐng)域,

開拓學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其解決工程、科學(xué)等實(shí)際問題的能

力。

《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》屬于理論與工程實(shí)踐并重的課程。目前呈現(xiàn)兩大類教學(xué)

方式，一類鑒于實(shí)踐環(huán)境搭建困難或深入操作系統(tǒng)內(nèi)核的難度等因素阻礙，偏向

于理論講授，導(dǎo)致很多學(xué)生感覺這是一門偏文科類課程，抽象且難以掌握。另一

類教學(xué)注重工程實(shí)踐，要求學(xué)生進(jìn)行某操作系統(tǒng)源碼分析、改寫或補(bǔ)充部分功能

模塊，這對(duì)實(shí)踐環(huán)境、教師和學(xué)生都有非常高的要求，很多學(xué)生難以完成任務(wù)。

我?！队?jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》課程組注重計(jì)算思維訓(xùn)練，以理論講授為主，配套不同

層次和難度的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。要求全體學(xué)生掌握操作系統(tǒng)中的部分關(guān)鍵技術(shù)、

原理及其實(shí)現(xiàn)，規(guī)定難度適中的課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)題目，并鼓勵(lì)少數(shù)對(duì)操作系

統(tǒng)感興趣的優(yōu)秀學(xué)生攻克難度較高的工程和科研任務(wù)。歷經(jīng)數(shù)年的教學(xué)改革實(shí)

踐，獲得了同行和廣大學(xué)生的一致認(rèn)可和好評(píng)。當(dāng)然，計(jì)算思維訓(xùn)練是一個(gè)系統(tǒng)

工程，不僅僅屬于某一門課程的責(zé)任，需要貫穿于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、專業(yè)、學(xué)科的各

門課程和各個(gè)環(huán)節(jié)。在計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)中，教師應(yīng)將計(jì)算思維訓(xùn)練作為教學(xué)的

主要目的之一，并以此深化教育教學(xué)改革，幫助學(xué)生提升計(jì)算思維能力。而且，

不僅計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生也同樣需要提升計(jì)算思維能力。

下面按照課程章節(jié)分模塊列舉各部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以及操作系統(tǒng)中若干經(jīng)

典問題的有效解決辦法。期望有助于幫助同學(xué)們學(xué)習(xí)該課程。

第一章計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)概述

重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)指南

］、重點(diǎn)與難點(diǎn)

概M理解g區(qū)別，包括并發(fā)與并行、多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)、操作系統(tǒng)的功能與

性能要素、執(zhí)行模式（雙模式）等。

2、解決辦法

反復(fù)揣摩、理解、結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，如將多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)與Web服務(wù)器的

工作方式，或個(gè)人PC機(jī)可以同時(shí)播放音樂、打印文檔、上網(wǎng)聊天等操作關(guān)聯(lián)起

來，形象實(shí)在，從日常應(yīng)用的直觀感受，逐漸建立起操作系統(tǒng)的抽象概念，樹立

系統(tǒng)觀和工程觀。

第二章進(jìn)程管理

重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)指南

1、重點(diǎn)與難點(diǎn)

本章是該課程最重要，也是難度最大的部分，占用了最多的學(xué)時(shí)。重點(diǎn)與難

點(diǎn)：

①概念理解與區(qū)別

進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進(jìn)程切換與模式切換、進(jìn)程與線程、同步與互斥。

②問題與解決

并發(fā)控制是多道程序系統(tǒng)的難點(diǎn)，操作系統(tǒng)O有一系列的解決方法，如硬件

方法、信號(hào)量方法、管程方法和消息傳遞方法等。課程通過經(jīng)典進(jìn)程同步與互斥

問題：生產(chǎn)者消費(fèi)者問題、讀者寫者問題以及哲學(xué)家進(jìn)餐問題等，生動(dòng)呈現(xiàn)多進(jìn)

程并發(fā)執(zhí)行過程中遇到的同步與互斥問題，借助經(jīng)典問題的解決，學(xué)會(huì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程

的并發(fā)控制；多進(jìn)程并發(fā)的另一問題即死鎖問題，課程系統(tǒng)介紹了如何預(yù)防死鎖、

如何避免死鎖、及如何檢測(cè)和解除死鎖的具體方法.

、反復(fù)體會(huì)教學(xué)錄像內(nèi)容、結(jié)合操作系統(tǒng)實(shí)例分析，體會(huì)案例教學(xué)。親身感受

(建議自己寫程序?qū)崿F(xiàn))多進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行、動(dòng)態(tài)演示進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程，不同

狀態(tài)進(jìn)程排隊(duì)的過程；進(jìn)程調(diào)度算法；銀行家算法；將進(jìn)程死鎖與交通阻塞聯(lián)系

起來，將進(jìn)程調(diào)度與超市排隊(duì)結(jié)賬聯(lián)系起來，將信號(hào)量方法與交通燈聯(lián)系起來等

等，有望收到理想的效果。

進(jìn)程調(diào)度問題相而獨(dú)立，但非常重要。建議采用研究性學(xué)習(xí)方法，通過現(xiàn)實(shí)

生活中的排隊(duì)問題解決方案，提出多進(jìn)程調(diào)度算法，并評(píng)價(jià)算法性能，再逐步改

進(jìn)。課程錄像中展示了我校學(xué)生如何研究性學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容，供學(xué)生們參考借鑒。

第三章存儲(chǔ)管理

重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)指南

本模塊的重要程度和難度與進(jìn)程部分相當(dāng)，也占用了較多的學(xué)時(shí)。

1、重點(diǎn)與難點(diǎn)

①原理理解與應(yīng)用

局部性原理的深入理解及其在各級(jí)存儲(chǔ)體系中的應(yīng)用(datacache,TLB,disk

cache,I/Obuffer)0

②問題與解決

分區(qū)/分頁/分段/段頁式存儲(chǔ)管理技術(shù)及實(shí)現(xiàn)、虛擬分頁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、頁面置

換算法。

2辦法

、重點(diǎn)講解局部性原理，作為理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)存儲(chǔ)體系架構(gòu)，提高系統(tǒng)效率

的重要的原理基礎(chǔ)。它在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet中也廣泛采用，也是虛擬存儲(chǔ)技

術(shù)實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。逋過動(dòng)態(tài)演示存儲(chǔ)分區(qū)、分葉、分段技術(shù)，以及相應(yīng)的地址

轉(zhuǎn)換技術(shù)使學(xué)生理解。

第四章設(shè)備管理

重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)指南

本章因?yàn)橛?jì)算機(jī)外部設(shè)備的多樣性、復(fù)雜性，而顯得缺乏邏輯性與系統(tǒng)性。

課程主要講授與操作系統(tǒng)相關(guān)的部分，如設(shè)備管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、緩沖存儲(chǔ)技術(shù)、

操作系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的接口、磁盤調(diào)度算法等，而非具體設(shè)備的管理與

I/O實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

1、重點(diǎn)與難點(diǎn)

①問題與解決

OS設(shè)備管理模塊的結(jié)構(gòu)、I/O緩沖技術(shù)、SPOOLing技術(shù)及其應(yīng)用。

②算法與實(shí)現(xiàn)

各類磁盤調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)。

2、解決辦法

從系統(tǒng)（子系統(tǒng)）設(shè)計(jì)的角度分析操作系統(tǒng)設(shè)備管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從個(gè)人

PC機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等講解緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，從局域網(wǎng)環(huán)境中的打印

機(jī)共享講解SPOOLing技術(shù)，及多種方式的磁盤調(diào)度技術(shù)?？梢?，理論聯(lián)系實(shí)際

是本模塊講授的主要策略。

第五章文件管理

重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)指南

本章介紹操作系統(tǒng)的軟件資源管理功能，內(nèi)容量不如進(jìn)程和存儲(chǔ)管理模塊部

分，重點(diǎn)與難點(diǎn)在于講解文件的邏輯組織結(jié)構(gòu)、文件在外存的分配技術(shù)、索引結(jié)

點(diǎn)的使用與好處、文件共享的實(shí)現(xiàn)、文件目錄的組織與管理等。本模塊因?yàn)樾枰?/p>

介紹文件在外部存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)管理，故與存儲(chǔ)管理模塊有很多共性。我們將此

部分與存儲(chǔ)管理結(jié)合、對(duì)比講解，如磁盤整理與動(dòng)態(tài)分區(qū)緊湊技術(shù)，外存空間分

配管理與內(nèi)存分配管理技術(shù)對(duì)比介紹；將文件管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)比較講

解，效果顯著。

第六章操作系統(tǒng)安全

重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)指南

本章簡(jiǎn)要概述計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)安全的概念、安全機(jī)制的實(shí)施：文件保護(hù)機(jī)制、

訪問矩陣、訪問矩陣的修改、訪問矩陣的實(shí)現(xiàn)。主要了解安全系統(tǒng)的模型、設(shè)計(jì)、

可信度驗(yàn)證。理解：操作系統(tǒng)安全的概念、安全機(jī)制的實(shí)施。掌握：文件保護(hù)、

訪問矩陣、訪問矩陣的修改、訪問矩陣的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)踐教學(xué)與學(xué)習(xí)指南

《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》課程是一門理論和實(shí)踐并重的課程，必須配備相應(yīng)的實(shí)

驗(yàn)環(huán)節(jié)。該門課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)由兩部分構(gòu)成：課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)。目前我們的

配備情況是64學(xué)時(shí)課堂講授+8學(xué)時(shí)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)+8學(xué)時(shí)課外實(shí)驗(yàn)+若干學(xué)時(shí)的課程

設(shè)計(jì)。當(dāng)然，如果將小項(xiàng)目類型的作業(yè)計(jì)算在內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)應(yīng)當(dāng)更多。

為了在實(shí)踐過程中充分發(fā)揮師生互動(dòng)作用，課程組充分利用“實(shí)驗(yàn)室課堂”

和“案例庫”，完成相應(yīng)實(shí)踐過程，達(dá)到能力訓(xùn)練和啟發(fā)創(chuàng)新的目的。本課程的實(shí)

踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括三個(gè)大的部分，即：課程實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，并分成高、

中、低幾個(gè)層次。其中，課程實(shí)驗(yàn)主要解決《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》學(xué)習(xí)后對(duì)原理、

算法的理解和設(shè)計(jì)能力。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)主要介紹現(xiàn)代主流操作系統(tǒng)（如UNIX/Linux

等）及其系統(tǒng)編程技術(shù)，訓(xùn)練學(xué)生在操作系統(tǒng)平臺(tái)下的動(dòng)手能力。綜合實(shí)驗(yàn)（含

課程設(shè)計(jì)）。主要促使學(xué)生理解操作系統(tǒng)內(nèi)核，開源碼分析，內(nèi)核和應(yīng)用模塊設(shè)

計(jì)等。是難度較大的實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過案例復(fù)現(xiàn)和模塊替換實(shí)驗(yàn)等，掌握技術(shù)實(shí)現(xiàn)

和模塊設(shè)計(jì)的方法與技巧。為有能力和有興趣的同學(xué)提供了技術(shù)提高環(huán)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)課程與《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，相輔相成。在課堂教學(xué)

中，比較全面、概括性地講述操作系統(tǒng)基本概念，以及進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度與

死鎖、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理等知識(shí)。課程實(shí)驗(yàn)要求完成并發(fā)程序設(shè)

計(jì)、進(jìn)程同步與死鎖、存儲(chǔ)器分配與回收以及文件管理方法等，在計(jì)算機(jī)上模擬

實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生能夠達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）掌握計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)管理進(jìn)程、處理機(jī)、存儲(chǔ)器、文件系統(tǒng)的基本方法。

（2）了解進(jìn)程的創(chuàng)建、撤消和運(yùn)行，進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行；自行設(shè)計(jì)解決哲學(xué)家就餐問題

的并發(fā)線程，了解線程（進(jìn)程）調(diào)度方法；掌握內(nèi)存空間的分配與回收的基本

原理；通過模擬文件管理的工作過程，了解文件操作命令的實(shí)質(zhì)。

（3）了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的工作原理，具有初步分析、設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的能力。

（4）通過在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中的名種管理功能，在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)能力方

面得到提升。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，我們將實(shí)驗(yàn)題目分為三類：驗(yàn)證性（例如上述第一類）、

設(shè)計(jì)性（例如上述第二類）、綜合性（例如上述后兩類）。由于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)題目比

較簡(jiǎn)單，一般由學(xué)生獨(dú)立完成；設(shè)計(jì)性題目有一定的靈活性，一般安排2-3協(xié)作

完成；對(duì)于綜合性題目，由于工作量較大，具有較高的難度和靈活性，因此我們

安排2-4人合作完成。

圍繞課程大綱，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性三大類實(shí)驗(yàn)任務(wù)，具體描述

如下：

（1）驗(yàn)證性：

i.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：進(jìn)程調(diào)度算法設(shè)計(jì)實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：通過該實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)多道系統(tǒng)中調(diào)度算法的認(rèn)識(shí)。

實(shí)現(xiàn)FIFO,RR（q=l）,SPN,SRT,HRRN,FB六種調(diào)度算法。并通過輸入一組進(jìn)程

序列計(jì)算出每種算法的輸出進(jìn)程序列。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

I）實(shí)現(xiàn)主程序及六種調(diào)度算法。

2）輸入一組進(jìn)程序列，對(duì)序列中的每一個(gè)進(jìn)程，定義不同的優(yōu)先級(jí)、總執(zhí)

行時(shí)間，用六種調(diào)度算法輸出調(diào)度最終的排序結(jié)果。序列例;

進(jìn)程號(hào)12345678

優(yōu)先級(jí)42213343

運(yùn)行時(shí)間206036597182345

ii.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：線程間同步與互斥

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：通過多線程并發(fā)程序設(shè)計(jì)，掌握同步與互斥的設(shè)計(jì)

方法。實(shí)現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)者、消費(fèi)者的兩線程同步算法。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1）申請(qǐng)10個(gè)緩沖區(qū)。

2）編制生產(chǎn)者線程：首先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，寫入到一個(gè)緩沖區(qū)中。其次將該

緩沖區(qū)置“滿”標(biāo)志。

3）編制消費(fèi)者線程：取一個(gè)“滿”標(biāo)志的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，打印輸出，然后將該

緩沖區(qū)置“空”標(biāo)志。

4）添加相應(yīng)的同步互斥控制代碼。

iii.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：內(nèi)存分配與回收設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：學(xué)習(xí)內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)原理。實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于伙伴算法

的內(nèi)存分配回收算法，并通過輸入一組內(nèi)存請(qǐng)求與回收序列驗(yàn)證該算法執(zhí)行

情況。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1）實(shí)現(xiàn)主程序及伙伴算法（設(shè)內(nèi)存總量為1M）。

2）用如下請(qǐng)求和釋放序列驗(yàn)證該算法執(zhí)行情況。

請(qǐng)求100k——＞請(qǐng)求240k——＞請(qǐng)求64k——＞請(qǐng)求256k——＞釋放

240k——＞釋放100k——＞請(qǐng)求75k——＞釋放64k——＞釋放75k——＞釋放

256k

試輸出每次請(qǐng)求和釋放動(dòng)作產(chǎn)生后的內(nèi)存狀杰。

iv.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：文件復(fù)制

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：掌握文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用的使用。產(chǎn)生兩個(gè)文件A

和B,并將這兩個(gè)文件內(nèi)容交叉復(fù)制到文件C中，并輸出文件C的結(jié)果。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1)產(chǎn)生一個(gè)1k的文件A,其內(nèi)容為數(shù)字。

2)產(chǎn)生一個(gè)1k的文件B,其內(nèi)容為字母。

3)以100字節(jié)為單位，將A、B兩文件的內(nèi)容交替復(fù)制到文件C中。最后

輸出C的結(jié)果。

(2)設(shè)計(jì)性：

i.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：Linux系統(tǒng)調(diào)用分析與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：理解操作系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序的接口關(guān)系：加深對(duì)

內(nèi)核空間和用戶空間的理解；學(xué)會(huì)增加新的系統(tǒng)調(diào)用。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1)增加系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

直接在原有程序文件中增加，減少修改Makefile文件的麻煩。該函數(shù)的名稱

應(yīng)該是新的系統(tǒng)調(diào)用名稱前面加上sys_標(biāo)志。例如新加的系統(tǒng)調(diào)用為

mycall(intnumber),i/usr/src/linux/kernel/sys.c文件中添加源代碼，如下所示：

asmlinkageintsys_mycall(intnumber)

(

printkf'callnumberis%d\n”,number);

returnnumber;

)

2)連接新的系統(tǒng)調(diào)用

添加新的系統(tǒng)調(diào)用后，下一個(gè)任務(wù)是使Linux內(nèi)核的其余部分知道該系統(tǒng)調(diào)

用的存在。為了從已有的內(nèi)核程序中增加到新的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的連接，需要

編輯兩個(gè)文件。

第一個(gè)要修改的文件是：

/usr/src/linux/include/asm-i386/unistd.h

該文件中包含系統(tǒng)調(diào)用清單，用來給每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用分配一個(gè)唯一的號(hào)碼。將

新增的系統(tǒng)調(diào)用名稱加到清單最后，并給它分配號(hào)碼序列中下一個(gè)可用的系

統(tǒng)調(diào)用號(hào)。例如：

#definc_NR_mycall239

系統(tǒng)調(diào)用號(hào)為239,之所以系統(tǒng)調(diào)用號(hào)是239,是因?yàn)閮?nèi)核自身的系統(tǒng)調(diào)用

號(hào)碼已經(jīng)用到238。

第二個(gè)要修改的文件是：/usr/src/1inux/arch/i386/kernel/entry.S

該文件中有類似如下的清單：

longSYMBOL_NAME()

該清單用來對(duì)sys_caH_table口數(shù)組進(jìn)行初始化。該數(shù)組包含指向內(nèi)核中每個(gè)

系統(tǒng)調(diào)用的指針。這樣就在數(shù)組中增加了新的內(nèi)核函數(shù)的指針。在清單最后

添加一行：

longSYMBOL_NAME(sys_mycall)

3)重建新的Linux內(nèi)核，作以下命令

makemcnuconfig配置內(nèi)核選項(xiàng)

makedep生成依賴關(guān)系

makeclean清除舊的編譯結(jié)果

makebzlmagenew編譯內(nèi)核映象

makemodules編譯內(nèi)核模塊

makeinodulesjnslall安裝內(nèi)核模塊

4)用新的內(nèi)核啟動(dòng)系統(tǒng)

修改/etc/lilo.conf文件,添加新的引導(dǎo)內(nèi)核:

image=/boot/bzlmage-new

label-liiiux-new

root=/dcv/hdb1

read-only

添加完畢后，為了使用新的lilo.conf配置文件，還應(yīng)執(zhí)行下面的命令:

#cp/usr/src/linux/arch/i386/boot/zlmage/boot/bzlmage-new

其次配置lilo:

#/sbin/lilo

當(dāng)重新引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，在boot:提示符后面有三種選擇：linux-new、linux、dos。

選擇linux-new即可以新內(nèi)核啟動(dòng)。用新內(nèi)核啟動(dòng)后則可使用新的系統(tǒng)調(diào)用。

5）使用新的系統(tǒng)調(diào)用

編寫應(yīng)用程序使用新添加的系統(tǒng)調(diào)用mycallo

（3）綜合性

ii.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：內(nèi)核模塊機(jī)制和新模塊編寫

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：理解Linux操作系統(tǒng)模塊機(jī)制，學(xué)會(huì)使用模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的方法，學(xué)習(xí)編寫一個(gè)新的內(nèi)核模塊。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1）設(shè)計(jì)一個(gè)在/proc中實(shí)現(xiàn)clock文件的模決，該文件只支持文件的read（）

操作。當(dāng)調(diào)用read。操作時(shí)，返回一個(gè)單一的ASCH字符串，其中包括用一

個(gè)空格分開的兩個(gè)數(shù)字子串。例如，若系統(tǒng)時(shí)間變量xtime設(shè)置為：

xtime.tv_sec=923264577xtime.tv_usec=234438,則該模塊必須返回如下形式

的一個(gè)字符串：923264577234438

2）寫一個(gè)空內(nèi)核模塊，編譯測(cè)試。

編輯:

#include<linux/kernel.h>

#include<linux/module.h>

intinit_module(){

printkC'Itisanullkernelmodule'rT);

return0;

voidcleanup_module(){

printkfiamexitingnow...\n,,);

編譯?

gcc-c-Wall-D_KERNEL_-DMODULEtestmodule.c

運(yùn)行：

insmodtestmodule.o〃裝入模塊

Ismod//檢查裝入是否成功

rmmodtcstmodulc〃卸載模塊

Ismod〃檢查卸載是否成功

3)生成一proc文件，以用于讀取系統(tǒng)時(shí)鐘。在模塊中使用

proc_register()和proc_unregister()注冊(cè)和注銷。它們引用一個(gè)struct

proc_dir_entry數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)中g(shù)etjnfo指針指向自己構(gòu)造的讀函數(shù)。

模版如下：

#include<linux/proc_fs.h>

int【