本书为“十四五”普通高等院校计算机类专业系列教材之一，通过 Linux 操作系统的使用和相关实验介绍，旨在加深学生对操作系统的基本原理和设计思路的理解，逐步掌握操作系统的实现技术和应用方法。
本书共 7 章，分别为实验准备、进程创建和进程调度、进程切换和进程的同步互斥、内存管理、文件系统、设备管理、Linux 编程实验。希望本书能帮助读者在巩固操作系统的理论知识、精通 Linux 操作系统实现机制的同时，又能锻炼、培养解决实际问题的能力。
本书适合作为高等院校计算机类专业操作系统课程的教材，也可供有关科技人员自学或参考。

      当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新成为国际战略博弈的主要战场，基础软件能力已成为衡量国家科技实力与产业安全的重要标尺。在这一背景下，加强自主创新能力、培养高水平科技人才，特别是掌握操作系统等核心底层技术的战略人才，已成为推动高质量发展、实现科技自立自强的关键支撑。在这一关键时期，广大科技工作者责任重大，使命光荣。作为信息产业发展的根基，操作系统的重要性不言而喻。对于操作系统课程而言，其理论性较强，内容庞杂，涉及面广，读者要掌握操作系统的原理和实现方法，单靠理论学习是远远不够的，必须基于实验，在实践中将理论知识和实际操作系统结合起来，才能真正理解、掌握操作系统的思想精髓。
      本书旨在引导学生在进行理论学习的同时，利用操作系统进行相关实践，加深对操作系统的原理、方法、技术的理解，并在动手能力方面得到训练和培养。
      本书紧密围绕 Linux 操作系统展开介绍，包括七章：实验准备、进程创建和进程调度、进程切换和进程的同步互斥、内存管理、文件系统、设备管理、Linux 编程实验。第 1 章是操作系统的基本概念和实验环境介绍；第 2 章介绍进程的概念和如何创建进程、进程调度以及相关实验；第 3 章介绍进程切换和进程间的同步互斥以及相关实验；第 4 章介绍内存管理以及相关实验；第 5 章介绍文件系统以及相关实验；第 6 章介绍设备管理以及相关实验；第 7 章是为了加深读者对 Linux 操作系统的理解，在前六章内容基础上的编程实验。
      本书需要读者有一定的汇编和 C 语言基础，读者按照本书章节的顺序完成实验内容，将能够熟练运用 Linux，并系统掌握 Linux 系统及系统原理。
      在本书编写的过程中，编者参考了大量的网络资料，在此对相关资源的作者表示深深的感谢。
      本书由何珍祥任主编，马亚燕、高鹏程任副主编。具体编写分工如下：何珍祥负责第 1 章的编写及本书整体设计方案的制定；马亚燕负责第 2、3、4、5、7 章的编写和全书的校订工作；高鹏程负责第 6 章及实验配套资源的整理。另外，还有很多默默付出辛勤劳动的同学，如王鑫、马成俊、张馨元、吴洁同学，在此表示感谢。
      由于编写时间仓促，书中不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

第1章 实验准备 ...................................................................................................1
1.1 基础知识 ......................................................................................................................1
1.1.1 操作系统的概念 ..................................................................................................1
1.1.2 操作系统的功能 ..................................................................................................1
1.1.3 操作系统的特征 ..................................................................................................1
1.1.4 操作系统的分类 ..................................................................................................2
1.2 实验环境 ......................................................................................................................3
1.2.1 环境介绍 ..............................................................................................................3
1.2.2 环境体验 ..............................................................................................................3
第2章 进程创建和进程调度 ...............................................................................23
2.1 基础知识 ....................................................................................................................23
2.1.1 进程的定义 ........................................................................................................23
2.1.2 进程的状态 ........................................................................................................24
2.1.3 进程调度 ............................................................................................................25
2.2 进程创建和进程调度相关实验 ................................................................................28
2.2.1 进程的状态和描述实验 ....................................................................................28
2.2.2 进程创建的实验 ................................................................................................37
2.2.3 进程调度的实验 ................................................................................................44
第3章 进程切换和进程的同步互斥 .....................................................................52
3.1 基础知识 ....................................................................................................................52
3.1.1 进程切换 ............................................................................................................52
3.1.2 进程的同步互斥 ................................................................................................54
3.2 进程切换和同步互斥的实验 ....................................................................................55
3.2.1 进程切换的实验 ................................................................................................55
3.2.2 进程同步互斥的实验 ........................................................................................59
第4章 内存管理 .................................................................................................68
4.1 基础知识 ....................................................................................................................68
4.1.1 内存管理的概念 ................................................................................................68

4.1.2 内存管理的方式 ................................................................................................68
4.1.3 页式管理 ............................................................................................................69
4.1.4 段式管理 ............................................................................................................70
4.1.5 分段、分页的对比 ............................................................................................71
4.1.6 段页式管理 ........................................................................................................71
4.1.7 虚存管理技术 ....................................................................................................72
4.1.8 页面调入策略 ....................................................................................................72
4.2 页式、段式、段页式内存管理实验 ........................................................................73
4.2.1 页式管理的实验 ................................................................................................73
4.2.2 段式管理的实验 ................................................................................................77
4.2.3 段页式管理的实验 ............................................................................................82
4.2.4 页式虚存管理的实验 ........................................................................................88
第5章 文件系统 .................................................................................................98
5.1 基础知识 ....................................................................................................................98
5.1.1 文件的概念 ........................................................................................................98
5.1.2 文件的分类 ........................................................................................................98
5.1.3 文件的逻辑结构 ................................................................................................99
5.1.4 存取方法 ..........................................................................................................100
5.1.5 文件的物理结构 ..............................................................................................101
5.1.6 文件系统的概念 ..............................................................................................102
5.1.7 文件系统的基本任务 ......................................................................................102
5.1.8 文件系统的功能 ..............................................................................................102
5.1.9 Linux文件系统 ................................................................................................102
5.1.10 Linux的虚拟文件系统 ..................................................................................103
5.2 文件系统的实验 ......................................................................................................104
5.2.1 文件系统的静态结构 ......................................................................................104
5.2.2 文件访问类系统调用分析 ..............................................................................108
第6章 设备管理 ...............................................................................................119
6.1 基础知识 ..................................................................................................................119
6.1.1 设备的类别 ......................................................................................................119
6.1.2 设备管理的任务和功能 ..................................................................................120
6.1.3 数据的传送控制方式 ......................................................................................120
6.1.4 中断技术 ..........................................................................................................126
6.2 设备管理的实验 ......................................................................................................128
6.2.1 外部中断 ..........................................................................................................128
6.2.2 中断/异常的处理过程 .....................................................................................139
6.2.3 块设备访问 ......................................................................................................142
6.2.4 对字符设备的访问 ..........................................................................................146
第7章 Linux编程实验 .......................................................................................151
7.1 进程创建 ..................................................................................................................151
7.1.1 基础知识 ..........................................................................................................151
7.1.2 进程的创建相关实验 ......................................................................................154
7.2 进程的共享主存通信 ..............................................................................................161
7.2.1 基础知识 ..........................................................................................................161
7.2.2 进程的主存通信相关实验 ..............................................................................163
7.3 进程的消息通信 ......................................................................................................166
7.3.1 基础知识 ..........................................................................................................166
7.3.2 进程的消息通信相关实验 ..............................................................................169
7.4 进程的管道通信 ......................................................................................................173
7.4.1 基础知识 ..........................................................................................................173
7.4.2 进程的管道通信相关实验 ..............................................................................175
7.5 主存信息的观察 ......................................................................................................180
7.5.1 基础知识 ..........................................................................................................180
7.5.2 主存信息的观察相关实验 ..............................................................................183
7.6 文件系统 ..................................................................................................................185
7.6.1 基础知识 ..........................................................................................................185
7.6.2 文件系统相关实验 ..........................................................................................188
7.7 进程软中断 ..............................................................................................................192
7.7.1 基础知识 ..........................................................................................................192
7.7.2 进程软中断相关实验 ......................................................................................194

何珍祥，甘肃政法大学网络空间安全学院党委书记，教授。2016在中国铁道出版社出版《网络安全战略国别比较研究》专著一部，2009年在机械工业出版社主编出版《微机原理与接口技术》教材一部。2016至2020年主持完成国家自然科学基金“结合服务器与网络的数据中心虚拟资源映射机制研究”，现主持高等学校产业支撑项目“人工智能及区块链技术的安全态势感知”，先后发表SCI等级别论文20余篇。

本书为操作系统实验教程，利用操作系统进行相关实践，加深对操作系统的原理、方法、技术的理解，并在动手能力方面得到训练和培养。