本书是国防科技大学国家精品课程“操作系统”配套教材，系统地讲解了Linux操作系统原理和基于Linux的各种编程，特别是Linux操作系统内核编程。本书内容分为三部分，第一部分介绍Linux操作系统原理；第二部分介绍10个基于Linux的实验；第三部分附录包含Linux环境下的操作及与编程相关的命令和函数列表。

前 言 操作系统是计算机系统必不可少的关键软件。操作系统教学不但需要讲授操作系统概念、原理与方法，还要让学生动手在实用操作系统上进行编程实践，只有这样才能让学生真正理解操作系统的概念、原理与方法。编写本书的目的就是为了在学习完操作系统原理后，为操作系统实践教学提供指导。 Linux操作系统是源代码公开的广泛使用的操作系统，利用Linux作为操作系统课程的实验平台，不但能帮助学生进行以理解操作系统原理为目的的实验，同时也可以看作是操作系统开发实战的演练。由于Linux源代码公开以及Linux的广泛普及，我们认为将Linux作为操作系统实验教学平台还将为学生毕业后快速进入实战工作状态打下良好的基础。 本书是国防科技大学国家精品课程“操作系统”建设的成果之一，之前出版的《操作系统（第2版）》和本书组成了完整的理论和实践教学体系，并在教学中取得了很好的教学效果。欢迎登录“操作系统”国家精品课程网站http:// 618.net.cn。 本书分为三部分。第一部分介绍Linux操作系统原理；第二部分介绍10个基于Linux的实验；第三部分附录包含Linux操作及编程所需的参考资料。本书可作为CCC2002《操作系统实验和课程设计》专用指导教材，其中部分内容也可以作为操作系统原理课程的课后实验。本书还是Linux技术人员的系统编程入门参考书。 本书作者长期从事计算机操作系统研究开发及教学工作，根据多年操作系统开发及国家精品课程建设的教学经验，参考国内外近年出版的各类操作系统实验教程特色，设计了一组基于Linux环境的操作系统课程实验，它包括三种类型：系统管理用shell脚本编程及用户态运行应用程序实验；内核入门实验；内核综合实验。用户态编程实验主要是让学生体会操作系统功能及接口，在内核实验中，有内核模块实现这样的内核入门实验，也有文件系统、USB盘驱动这样的实用综合实验，目的是让学生由浅入深地实际体验Linux操作系统的系统能力及操作系统设计原理。 本书提供了Linux操作系统基本实现原理，实验内容、实验背景知识、解决方案的描述，附录给出了应用和内核编程可能涉及的系统调用、多线程库函数等，读者可以在无须其他参考书的情况下实现基本的实验编程。在操作系统实验课程教学实践中，不需局限于本书所列的实验，建议任课老师将最终实验题（如动态加载模块方式的某驱动程序实现或由学生自选的某个实验）在第一次课时就布置给学生，让学生自己理解实现目标和实验所要掌握哪些基本实验，遇到问题，鼓励学生通过互联网探索解决问题的方法，这样可以发挥学生的主观能动性，以收到更好的实验效果。建议第8章实验作为操作系统原理课程的课后实验，第10章的实验作为独立操作系统实验课的综合实验由学生任选，而第9章实验由学生根据所选综合实验需要自行实验。整个实验教学建议在实验机房进行，本书所有实验在Linux发行版Fedora 7及内核版本2.6.21.7下经过了验证。 本书由罗宇负责组织和统稿，罗宇、陈燕晖编写了Linux操作系统原理部分，文艳军编写了实验10，其他部分均由陈燕晖编写。个别实验参考了罗宇、储瑞编著、机械工业出版社出版的《操作系统课程设计》。参加本书编写工作的还有李冬、晏益慧。由于编者水平有限，错误在所难免，有对本书的任何批评和建议可发送邮件到yuluo@nudt.edu.cn。 编著者 于湖南长沙国防科技大学计算机学院

第一部分 Linux操作系统基本原理 第1章 Linux操作系统简介 1.1 Linux的渊源和发展简史 1.2 Linux的基本特性 1.3 Linux内核的开发模式与内核版本号 1.4 Linux发行版介绍 1.5 Linux内核源代码组织结构 1.6 学习Linux的辅助软件介绍 第2章 Linux的进程管理 2.1 进程与进程描述符 2.2 进程状态及切换时机 2.2.1 Linux的进程状态 2.2.2 进程的切换时机 2.3 进程的调度算法 2.4 进程的创建与消亡 第3章 Linux的存储器管理 3.1 物理内存的管理 3.1.1 页帧与区域 3.1.2 伙伴算法 3.1.3 slab分配器 3.2 进程地址空间的管理 3.2.1 页表机制 3.2.2 vm_area_struct结构 3.2.3 进程地址空间的相关系统调用 3.2.4 页面异常的处理 第4章 Linux的文件系统 4.1 VFS 4.1.1 VFS的作用 4.1.2 进程描述符中与文件系统相关的成员 4.1.3 VFS的文件模型 4.1.4 文件系统的注册与安装 4.1.5 各种对象的操作接口 4.2 EXT2文件系统 4.2.1 EXT2在磁盘上的物理布局 4.2.2 主要的数据结构及其基本操作 4.2.3 磁盘块的分配与释放 4.3 主要文件系统的系统调用处理流程 4.3.1 文件的open操作 4.3.2 文件的read操作 第5章 Linux的设备管理 5.1 设备文件的概念 5.2 设备模型基础 5.3 相关数据结构 5.3.1 字符设备管理 5.3.2 块设备管理 5.3.3 buffer 5.3.4 设备请求队列和I/O调度算法 5.4 块设备文件的open和read操作 5.4.1 块设备驱动程序组成 5.4.2 open函数 5.4.3 read函数 第6章 中断、异常及系统调用 6.1 中断和异常的基本知识 6.2 异常处理函数 6.3 系统调用 6.4 中断的处理 6.4.1 中断控制器 6.4.2 管理中断的数据结构 6.4.3 中断的处理过程 6.5 软中断 第7章 Sys V进程间通信 7.1 共有的特性 7.2 信号量 7.3 消息队列 7.4 共享内存 第二部分 基于Linux操作系统的实验 第8章 用户态编程实验 8.1 实验1——bash脚本编程 8.1.1 实验内容 8.1.2 bash脚本编程简介 8.1.2.1 注释和简单命令 8.1.2.2 环境变量 8.1.2.3 控制结构 8.1.2.4 函数 8.1.3 实验指南 8.2 实验2——观察Linux行为 8.2.1 实验内容 8.2.2 proc文件系统简介 8.2.3 实验指南 8.2.3.1 Linux环境下C语言编程环境简介 8.2.3.2 实验程序框架 8.3 实验3——实现Linux命令解释器 8.3.1 实验内容 8.3.2 myshell的语法 8.3.3 myshell的程序框架 8.3.4 myshell命令行的语法分析 8.3.5 简单命令的执行 8.3.6 myshell的Makefile 8.3.7 实验指南 第9章 内核编程基础实验 9.1 实验4——内核模块 9.1.1 实验内容 9.1.2 Linux内核模块简介 9.1.3 内核符号表 9.1.4 内核模块编程介绍 9.1.4.1 内核模块实例 9.1.4.2 模块编程的基本知识 9.1.4.3 Makefile介绍 9.1.5 实验指南 9.1.6 测试 9.2 实验5——proc文件系统编程 9.2.1 实验内容 9.2.2 proc文件系统编程简介 9.2.2.1 proc文件系统编程示例 9.2.2.2 proc文件系统的核心数据结构 9.2.2.3 proc文件系统编程接口 9.2.3 实验指南 9.3 实验6——编译内核及增加Linux系统调用 9.3.1 实验内容 9.3.2 Fedora下编译内核 9.3.2.1 第1步——下载内核 9.3.2.2 第2步——生成内核配置文件.config 9.3.2.3 第3步——编译和安装新的内核 9.3.3 添加psta系统调用 9.3.4 测试新增系统调用psta 9.3.5 noexec系统调用的实现 第10章 内核编程综合实验 10.1 实验7——进程隐藏 10.1.1 实验内容 10.1.2 背景知识介绍 10.1.3 proc文件系统实现简介 10.1.4 实验指南 10.1.4.1 功能⑴的实现 10.1.4.2 功能（5）的实现 10.1.4.3 功能（7）的实现 10.2 实验8——字符设备驱动开发 10.2.1 实验内容 10.2.2 字符设备驱动开发介绍 10.2.2.1 测试字符设备 10.2.2.2 描述设备的数据结构 10.2.2.3 设备号的操作 10.2.2.4 字符设备的注册与注销 10.2.2.5 文件操作集 10.2.2.6 同步 10.2.3 字符设备chatdev的实现 10.2.4 聊天程序chat的实现 10.3 实验9——naive文件系统的设计与实现 10.3.1 实验内容 10.3.2 项目的准备工作及建议 10.3.3 实验指南 10.3.3.1 第1步——创建设备 10.3.3.2 第2步——格式化分区 10.3.3.3 第3步——定义并注册naive文件系统 10.3.3.4 第4步——安装/卸载文件系统分区 10.3.3.5 第5步——显示根目录的内容 10.3.3.6 第6步——在根目录下创建内容为空的文件 10.3.3.7 第7步——写文件和读文件 10.3.3.8 第8步——删除文件 10.3.3.9 第9步——创建目录 10.3.3.10 第10步——删除目录 10.4 实验10——块设备驱动开发 10.4.1 实验内容 10.4.2 实验基础和思路 10.4.2.1 参考驱动程序1——块设备驱动程序sbull 10.4.2.2 参考驱动程序2——USB字符设备驱动程序usb-skeleton 10.4.3 U盘驱动的帮助函数 10.4.3.1 函数原型及其使用 10.4.3.2 工作原理和过程 10.4.4 实验指南 第三部分 Linux环境下的操作及常用命令和函数 附录A Linux常用命令 A.1 用户终端命令 A.2 vi编辑器的用法 附录B Linux常用函数 B.1 进程管理函数 B.2 文件管理函数 B.3 进程间通信 B.4 多线程库 附录C 内核配置文件的生成 C.1 配置文件初步生成 C.2 修改内核配置文件 C.3 内核编译选项介绍 参考文献