计算机操作系统 第九章

第9章 Linu系统概述,Linu系统的发展和特性 Linu系统的用户接口 Linu系统的进程管理 Linu进程的同步与通信 Linu存储器管理 Linu设备管理 Linu文件管理 Linu系统安全性,9.1 Linu系统的发展和特性,Linu诞生的故事 Linu与UNI之间的渊源 什么是GUN，什么是GPL 什么是自由软件 Linu的发展历程 Linu目前的应用情况 Linu在我们国内发展和应用的情况,到底什么是 Linu,Linu是类UNI的操作系统，诞生于1990年。它可运行于多种硬件平台、支持多种系统软件和应用软件，支持所有标准因特网协议，网络功能相当强。Linu继承了UNI的许多优点，且在许多方面进行了改进，适合应用在中低档服务器领域，是目前因特网服务商（ISP，Internet Service Provider）所推荐的最流行的网络操作系统。 Linu功能强大，且源代码开放，免去了使用者对系统是否存在后门的担心，另外它还属于自由软件，可以从某些网站或者其它途径免费获得。,Linu的版本,Linu系统有内核版和发行版两种版本。 内核版本是指在Linus领导下的开发小组开发出的系统内核的版本号，最近有Linu-2.3.28和Linu-2.4。 发行版本可以理解为以Linu为核心的操作系统软件包。一些组织机构或系统软件开发公司将Linu内核同应用软件和相关文档包装起来，并提供一些安装界面和系统设置管理工具，从而构成了一个Linu发行版本。如：Red Hat Linu、Mandrake Linu、team Linu、中软Linu、红旗Linu等。,Linu系统的功能特性,（1）开放性 （2）多用户多任务 （3）良好的用户界面 （4）设备独立性 （5）提供了丰富的网络功能 （6）良好的可移植性 （7）可靠的系统安全性,9.2 Linu系统的用户接口,Linu系统给用户提供了方便的使用界面，它的用户接口形式有： （1）命令用户接口 （2）图形用户接口 （3）系统调用接口,9.3 Linu系统的 进程管理,Linu系统的PCB包括很多参数，每个PCB约占1KB多的内存空间。用于表示PCB的task_struct结构简要描述如下：,struct task_struct unsigned short uid; int pid; int processor; volatile long state; long priority; unsigned long rt_priority; long counter; unsigned long flags; unsigned long policy; struct task_struct *net_task, *prev_task ; struct task_struct *net_run, *prev_run ; struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_ptr ; ;,Linu的进程共有六种状态,（1）可运行状态(TASK_RUNNING) （2）可中断阻塞状态(TASK_INTERRUPTIBLE) （3）不可中断阻塞状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE （4）僵死状态(TASK_ZOMBIE) （5）暂停状态(TASK_STOPPED) （6）交换状态(TASK_SWAPPING),Linu进程状态及状态转换,进程的创建,Linu启动时系统运行于核心态，此时仅创建一个pid号为0的idle进程。该进程会创建一个内核线程，该线程进行一系列初始化动作后最终会执行/sbin/init文件。文件init运行的结果使系统的运行模式从核心态切换到了用户态，然后该线程演变为用户进程init，其pid为1。此init进程是一个非常重要的进程，以后系统中的一切进程都是它的后代进程。init进程启动后系统进人空闲等待状态。 init进程可以通过执行fork( )创建新进程。新进程的创建是通过复制老进程或当前进程来实现的。fork( )函数的代码在/kernel/fork.c中。如果fork( )执行成功，当前进程就拥有了一个子进程。创建进程的另一种方式是通过系统调用。此类系统调用有三个：sys_clone( )、 sys_vfork( )和sys_fork( )。 进程的创建主要是完成进程基本情况的复制，生成子进程的task_struct结构，并且复制或共享父进程的其它资源，如内存、文件、信号等。进程实现结构复制后，若想执行与父进程不同的代码，如执行某一个可执行文件，那就要放弃父进程的正文代码段，形成自己的执行代码段，该工作由系统调用eecve( )来完成。,进程的撤销,当进程执行完毕即正常结束时，它调用eit( )终止自己。当进程受到某信号如SIGKILL的作用时，也是通过执行eit( )而撤销，eit( )代码在/kernel/eit. c中，其主要函数为do_eit( )。同样，终止进程的系统调用sys_eit( )也是通过调用函数do_eit( )来实现的。 进程撤销时，一方面要回收进程所占的资源，同时也要通知其父进程。do_eit( )先释放进程所占的大部分资源，然后进人TASK_ZOMBIE状态。进程自身只能释放那些外部资源，如内存、文件，无法释放其自身（即task_struct结构）的。task_struct结构是由该进程的父进程或内核初始进程调用eit_notify( )来完成的。eit_notify( )函数的工作主要是：将进程的状态改成僵死状态；通知父进程料理后事；将退出进程从目录树中删除。,Linu的线程机制,Linu是一种多线程、多任务操作系统，它符合IEEE POIS标准。 其线程分为两种：用户线程和内核线程，在Linu中，这两种线程分别使用在usr/include/asm_i386/processor.h中所定义的结构struct thread_struct和在usr/include/pthread/init/pthread.h中所定义的结构struct pthread进行描述。,Linu调度方式,Linu内核的调度方式基本上采用“抢占式优先级”方式，即当进程在用户态运行时，不管是否自愿，在一定条件下(如时间片用完或等待I/O)，核心就可以暂时剥夺其运行而调 度其它进程进入运行。但是，一旦进程切换到核心态运行，就不受以上限制而一直运行下 去，直至又回到用户态前才会发生进程调度。 Linu系统中的调度策略基本上是以优先级为基础的调度策略。就是说，核心为系统中每个进程计算出一个优先权，该优先权反映了一个进程获得CPU使用权的资格，即高优先权的进程优先得到运行。,Linu调度时机,通常引起Linu系统中进程调度的原因有如下几种： （1）CPU执行的进程发生状态转换 （2）就绪队列中增加了新进程。 （3）正在执行的进程所分配的时间片用完。 （4）执行系统调用的进程返回到用户态。 （5）系统内核结束中断处理返回到用户态。 （6）直接执行调度程序。,Linu调度算法,Linu的进程控制块PCB（task_struct）中有四个成员：policy、priority、rt_priority和counter，其中unsigned long policy的值表示不同类型进程的调度策略，其取值范围为： l SCHED_OTHER（值为0）：对应普通进程优先级轮转法(round robin)； l SCHED_FIFO（值为1）：对应实时进程先来先服务算法； l SCHED_RR（值为2）：对应实时进程优先级轮转算法。,Linu进程切换的方式,（1）自动请愿方式。即通过系统调用，将自己转换成阻塞、僵死、暂停等状态。这样的系统调用有sys_wait4( )、sys_nanosleep( )、sys_pause( )和sys_eit( )等，它们都是通过直接调用schedule( )函数来进行进程切换的。这种切换方式是可以预见的。 （2）非主动方式。进程由系统空间返回到用户空间，即从中断、系统调用或异常返回到用户空间执行时，其可执行的时间片已经用完，系统将转入schedule( )函数重新调度。,Linu进程的通信机制,管道 (pipe)及有名管道 (namedpipe) 信号(signal) 消息队列 (message) 信号量(semaphore) 共享内存 套接字(sockets),管道通信的实现方式是由内核通过共享数据页来完成的,无名管道的特点是： （1）管道是半双工的，数据只能向一个方向流动。管道只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程)的通信。 （2）单独构成一种独立的文件系统。对于管道两端的进程而言，管道就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并只存在于内存中。 （3）数据的读出和写入在管道的两端进行，一个进程向管道的一端写入的内容被管道另一端的进程读出。 有名管道的特点是： 不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联。这样，即使不存在亲缘关系的进程，也可以使用访问路径，通过有名管道相互通信。,从信号发送到信号处理函数的执行完毕，一个完整的信号生命周期可由四个重要事件来刻画： l 信号的诞生。指的是触发信号的事件发生，如检测到硬件异常、定时器超时及调用信号发送函数kill( )。 l 信号在目标进程中注册。指的是信号值加入到进程的等待处理信号集中，只要信号在进程的等待处理信号集中，表明进程已经知道这些信号的存在，但还没来得及处理，或者该信号被进程阻塞。 l 信号在进程中的注销。在目标进程执行过程中，会检测是否有信号等待处理。如果存在待处理信号且该信号没有被进程阻塞，则在运行相应的信号处理函数前，要把信号在进程中注销。 l 信号生命终止。进程注销信号后，立即执行相应的信号处理函数，执行完毕后，信号的本次发送对进程的影响彻底结束。,Linu把信号量、消息和共享内存定义为 System V的IPC对象。 struct ipc_perm key_t key; /*整型，为0时表示private，非0时表示public*/ ushort uid; /*资源拥有者的有效标识*/ ushort gid; /*资源拥有者所在组的有效标识*/ ushort cuid; /*资源创建者的有效标识*/ ushort cgid; /*资源创建者所在组的有效标识*/ ushort mode; /*访问模式，其含义同文件访问模式*/ ushort seq; /*序列号*/ ;,Linu中表示消息的结构中含有指向下一条 消息的指针msg_net，每个消息队列均为一个 单向链表。消息队列的组织形式如图 。,Linu信号量数据结构如图 。,Linu 共享内存结构,Linu物理内存地组织示意图,9.5 存储器管理,Linu虚拟内存,每个进程空间通过进程的页目录和页表实现与物理内存间的映射。进程需要空间时并不开始分配物理内存，而是分配一块虚拟空间，直到真正需要对物理内存进行操作时才通过请求调入页面机制分配物理内存。 虚拟内存以页为基本单位，大小与物理页帧相等。,386下进程的线性地址为32位，分为图示的三个部分。,线性地址到物理地址的转换,对进程虚拟空间的管理，Linu采用了请求页式技术。标准Linu的虚拟页表应为三级页表，依次为页目表（PGD，Page Directory）、中间页表（PMD：Page Middle Directory）和页表（PTE：Page Table）。,Linu的三级页表结构,进程虚拟空间管理使用的数据结构 及其关系示意图,导致页面异常的