UNIX內(nèi)核分析PPT課件

1、前前 序序 UNIX系統(tǒng)1969年誕生，以其特有的簡潔性和開放性獲得贊同與青睞，已經(jīng)被移植到數(shù)十種硬件平臺上。 UNIX系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一個OS軟件所起的作用，它在方方面面潛移默化地影響著人們對軟件的設(shè)計和開發(fā)，其蘊含的設(shè)計思想至今仍然是十分值得借鑒的。第1頁/共50頁 已有技術(shù)的精選、提煉和發(fā)展，簡潔實用，短小精悍，功能強大 具有分層、可裝卸的文件卷系統(tǒng) 任何一個程序可不加改變地在前臺/后臺異步運行 將文件、目錄和設(shè)備均統(tǒng)一看作文件 提供I/O緩沖技術(shù) 提供功能完備、使用靈活的命令語言 豐富的核外系統(tǒng)程序 采用高級語言編寫，可移植性好第2頁/共50頁進程控制子系統(tǒng)進程通信調(diào) 度存儲管理文件子系

2、統(tǒng)文件子系統(tǒng)高速緩存字符設(shè)備塊設(shè)備設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)調(diào)用接口硬件控制庫函數(shù)用戶程序核心級核心級用戶級用戶級第3頁/共50頁 以UNIX V6為例，其內(nèi)核源程序約一萬行，按編譯方式大致分3類44個文件： .c文件：28個文件，190個可單獨編譯的子程序 .h文件：全局變量，14個文件 .s文件：匯編程序文件，約1000條，2個文件33個子程序第4頁/共50頁 PDP-11程序狀態(tài)字組成當(dāng)前態(tài)以前態(tài)優(yōu)先級/8級TNZVCn進程分Kernel/User 2種運行狀態(tài)，區(qū)別n進程處于不同地址空間：核心態(tài)/用戶態(tài)空間n可否執(zhí)行特權(quán)指令n使用不同的棧頂指針寄存器r6第5頁/共50頁 通用寄存器 PDP-11

3、/40有9個通用寄存器，長度16位，編號r0-r7 r0-r1：I/O參數(shù)傳遞 r2-r4：存放過程執(zhí)行時的局部變量 r5：環(huán)境指針 r6：堆棧指針，kernel/user態(tài)各1個 r7：PC第6頁/共50頁 進程是映像的執(zhí)行 映像是計算機的執(zhí)行環(huán)境，一個映像包括 存儲映像 通用寄存器的值 打開文件的狀態(tài) 當(dāng)前目錄 其他信息第7頁/共50頁 進程映像中最為關(guān)鍵的部分是存儲映像。 存儲映像由5部分組成： 進程控制塊PCB 共享正文段 數(shù)據(jù)段 共享內(nèi)存段 工作區(qū)第8頁/共50頁進程控制塊進程控制塊PCBPCB Unix為了節(jié)省PCB所占主存，PCB分為2部分 常駐內(nèi)存部分：Proc結(jié)構(gòu)。包含進程調(diào)

4、度必須的信息； 非常駐內(nèi)存部分： User結(jié)構(gòu)。包含進程運行時才要用到的更多其他信息，它隨用戶程序和數(shù)據(jù)部分換進/換出主存。 User區(qū)的字段只能由正在運行的進程存取。即只有占用CPU的進程才能訪問屬于當(dāng)前進程的私有User區(qū)。 整個系統(tǒng)有一個進程表，稱為Proc數(shù)組。Unix系統(tǒng)最多有50個進程； 每個進程有專用的User區(qū)，但核心根據(jù)進程頁表，通過地址映射機構(gòu)，可訪問當(dāng)前進程的User區(qū)。(好像系統(tǒng)中僅有一個User區(qū))第9頁/共50頁共享正文段共享正文段 是指可由多個進程共享的區(qū)域，包括 純代碼形式的程序 參數(shù) 一個進程的正文段也可以不存在第10頁/共50頁數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段 指進程執(zhí)行時用到

5、的數(shù)據(jù)，包括 外部變量 靜態(tài)局部變量 常數(shù) 如果進程執(zhí)行的程序為非共享的，也可以構(gòu)成數(shù)據(jù)段的一部分，可被用戶態(tài)進程讀、寫、執(zhí)行第11頁/共50頁工作區(qū)工作區(qū) 進程的用戶棧和核心棧分別為進程用戶態(tài)和核心態(tài)下運行的工作區(qū) 用于函數(shù)調(diào)用時的常數(shù)傳遞，現(xiàn)場保留，返回地址保存，局部變量存儲等第12頁/共50頁進程映像在存儲器中的分布進程映像在存儲器中的分布 PDP-11/40最多配置248K內(nèi)存，進程映像分為常駐/非常駐內(nèi)存部分 常駐部分：Proc，共享正文段的控制信息塊 非常駐部分：數(shù)據(jù)段，共享正文段，工作區(qū)。 Unix將除了共享正文段以外的其他部分作為一個整體處理，(結(jié)構(gòu)見下頁) 無論在主存還是在盤

6、交換區(qū)，該部分占用連續(xù)存儲區(qū) 作為整體入/出主存 Unix設(shè)置text數(shù)組(共40個元素)管理所有可共享正文段，表目內(nèi)容主要有：共享正文段外存地址，段長度，共享該段的進程數(shù)等第13頁/共50頁非常駐部分的分布結(jié)構(gòu)非常駐部分的分布結(jié)構(gòu) ppda區(qū)只有核心態(tài)進程可以訪問User結(jié)構(gòu)系統(tǒng)棧區(qū)用戶程序/數(shù)據(jù)段用戶棧區(qū)底部底部/02891024頂部頂部進程數(shù)據(jù)區(qū)/ppdaPer Process Data Area第14頁/共50頁進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Struct proc (主要部分) int p-pid; /*唯一標(biāo)識一個進程的整數(shù)：0 215-1 int p-ppid; /*父進程標(biāo)識數(shù)

7、char p-uid; /*用戶標(biāo)識符UID，由高級用戶分配 char p-stat; /*進程當(dāng)前狀態(tài) char p-flag; /*表示進程映像是否在主存/盤交換區(qū) char p-pri; /*-100+127。值越小，優(yōu)先權(quán)越高 char p-time; /*調(diào)度駐留時間：進程映像最近一次入/出主存后的時間 char p-cpu /*CPU使用情況 char p-nice; /*偏置值：計算進程優(yōu)先權(quán)時使用，可由用戶設(shè)置 char p-sig; /*進程接收的信號類型數(shù)：0 19，0 13系統(tǒng)定義 int p-addr; /*ppda區(qū)的起址(單位是字符塊數(shù))：內(nèi)存64B/塊，外存512

8、B/塊 int p-size; /*除共享正文段外，可交換映像長度 int p-wchan; /*睡眠原因：原因消失，則喚醒 int p-textp; /*指向text結(jié)構(gòu)的指針 procNproc ; /* Nproc是系統(tǒng)可容納的最大進程數(shù)/50第15頁/共50頁進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 每個進程User結(jié)構(gòu)的虛擬起始地址都是u=14000。操作系統(tǒng)通過編譯、鏈接給u變量賦值，其地址空間對應(yīng)核心空間第7頁，其物理地址可以映射到主存中各進程的user結(jié)構(gòu)。 User結(jié)構(gòu)含有當(dāng)進程換出內(nèi)存候不需要訪問的所有數(shù)據(jù)第16頁/共50頁進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Struct user (主要部

9、分) int u-rsav2; /*調(diào)度進程的正常保留區(qū)：r5，r6 int u-qsav2; /*中止系統(tǒng)調(diào)用的越級返回保留區(qū) int u-ssav2; /*fork時恢復(fù)子進程運行的保留區(qū) char u-segflg; /*I/O標(biāo)志，0/1/2分別為：用戶數(shù)據(jù)/系統(tǒng)/用戶指令空間 char u-error; /*出錯返回碼 char u-uid; /*有效用戶標(biāo)識號 char u-gid; /*有效用戶組標(biāo)識號 char u-ruid /*實際用戶標(biāo)識號 char u-rgid; /*實際用戶組標(biāo)識號 int u-procp; /*指向本進程的proc結(jié)構(gòu)指針 char *u-base;

10、 /*I/O基址，文件傳輸中表示主存地址，R/W-目標(biāo)/信息源指針 char *u-count; /* I/O字節(jié)數(shù) char *u-offset2; /*文件傳輸中表示文件內(nèi)相對位移量(字節(jié)) char *u-cdir; /*當(dāng)前目錄項i節(jié)點指針 char u-dbufDIRSIZE; /*保留當(dāng)前用到的文件路徑名 char *u-dirp; /*當(dāng)前目錄文件名指針第17頁/共50頁進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Struct int u-ino /* i結(jié)點號 /*該結(jié)構(gòu)保存一個文件目錄項 char u-nameDIRSIZE; /*該文件路徑名分量 u-dent; int *u-pdir;

11、 /*父目錄項i結(jié)點指針 char u-uisa16; /*存放本進程用戶空間地址寄存器內(nèi)容 char u-uisd16; /*存放本進程用戶空間說明寄存器內(nèi)容 char u-ofileNOFILE; /*用戶打開文件表，共15個表目 char u-arg5; /*用戶傳入的自變量 char u-tsize /*本進程正文段塊數(shù) char u-dsize; /*本進程數(shù)據(jù)段塊數(shù) int u-ssize; /*本進程堆棧段塊數(shù) char u-signalNSIG; /*軟中斷處理程序入口表，20個表目 char u-utime; /*進程用戶態(tài)下運行時間 char u-stime; /*進程核心

12、態(tài)下運行時間 char u-cutime; /*已中止子進程用戶態(tài)下運行時間總和 char u-cstime; /*已中止子進程核心態(tài)下運行時間總和 char u-intflag; /*系統(tǒng)調(diào)用是否執(zhí)行完成標(biāo)志u;第18頁/共50頁進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Struct text int x-daddr; /*共享正文段在盤交換區(qū)的起始地址 int x-caddr; /*共享正文段在內(nèi)存中的起始塊號(*64=起始地址) int x-size; /*共享正文段長度 char x-count /*共享該正文段的進程數(shù) char x-ccount; /*共享該正文段，且映像在內(nèi)存的進程數(shù) int

13、 *x-iptr; /*指向正文段所在文件的inode指針 textNTEXT; 一般NTEXT=40 如果有某正文段的共享進程映像在內(nèi)存中，則該共享正文段一定在內(nèi)存中第19頁/共50頁進程映像的基本結(jié)構(gòu)圖進程映像的基本結(jié)構(gòu)圖p-addrp-sizep-textpx-daddrx-caddrx-iptr 共享共享正文段正文段 user核心棧核心棧數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段用戶棧用戶棧ppdau-dsizeu-ssizeProctextfileinode盤交換區(qū)P-sizex-sizeProcntextm第20頁/共50頁進程的狀態(tài)進程的狀態(tài) 進程在其生命周期的不同時刻有不同狀態(tài)；同一時刻不同進程有不同狀態(tài)

14、Unix系統(tǒng)中，進城的完整狀態(tài)有9種。 (轉(zhuǎn)換圖見下一頁) 創(chuàng)建狀態(tài) 內(nèi)存就緒 就緒且換出：新創(chuàng)建/原就緒進程，因內(nèi)存緊張而換出 核心態(tài)執(zhí)行 用戶態(tài)執(zhí)行 內(nèi)存中睡眠：執(zhí)行I/O操作進程，等待 睡眠且換出：內(nèi)存緊張時，睡眠進程首先被換出 被剝奪狀態(tài)：進程被調(diào)度程序剝奪了處理機后的狀態(tài) 僵死狀態(tài)：類似于中止?fàn)顟B(tài)第21頁/共50頁進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖被剝奪被剝奪485926371內(nèi)存內(nèi)存外存外存盤交換區(qū)盤交換區(qū)內(nèi)存足內(nèi)存足內(nèi)存不足內(nèi)存不足調(diào)度調(diào)度exit中斷中斷/返回返回中斷中斷返回返回返回用戶態(tài)返回用戶態(tài)睡眠睡眠/喚醒喚醒睡眠睡眠fork調(diào)度調(diào)度調(diào)度調(diào)度喚醒喚醒被剝被剝奪態(tài)奪態(tài)第22頁/共

15、50頁進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換說明進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換說明 進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用、I/O終端、時鐘中斷后，進入核心態(tài)運行。2種不同狀態(tài)運行的主要差別： 進程訪問的內(nèi)存空間的對象受到限制。 核心態(tài)運行時，不允許被剝奪；而用戶態(tài)運行可以被剝奪(核心態(tài)運行完成，欲返回用戶態(tài)時可被剝奪)；核心態(tài)運行時，可被高優(yōu)先級核心態(tài)進程中斷。 就緒與被剝奪(preempted)狀態(tài)是等效的，他們在同一隊列等待再次調(diào)度 處于運行狀態(tài)的進程包括：正在處理機上執(zhí)行和就緒隊列進程 第23頁/共50頁進程上下文進程上下文 進程上下文由三部分組成： 用戶級上下文：正文，數(shù)據(jù)，堆棧，共享內(nèi)存段 寄存器上下文： PC,PS,SP,r0, 系統(tǒng)級上下文：

16、Proc,User,核心棧 上下文切換時，要保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的完整性和一致性。所以切換有嚴(yán)格的條件： 當(dāng)進程是自己進入睡眠時 系統(tǒng)調(diào)用/中斷完成返回用戶態(tài)而被剝奪 以exit退出時Q：進程從用戶態(tài)到核心態(tài)切換時，是否為上下文切換？第24頁/共50頁進程管理進程管理 Unix V6中進程的調(diào)度狀態(tài)有6種，由p-stat描述。 1 SSLEEP：高優(yōu)先權(quán)睡眠狀態(tài) 2 SWAIT： 低優(yōu)先權(quán)睡眠狀態(tài) 3 SRUN： 運行/可運行狀態(tài) 4 SIDL： 創(chuàng)建子進程的中間狀態(tài) 5 SZOMB：進程終止時的中間狀態(tài) 6 SSTOP： 暫停/正被跟蹤狀態(tài)第25頁/共50頁進程管理進程管理 進程標(biāo)志p-flag定義

17、為： #define SLOAD 01 映像在內(nèi)存 #define SSYS 02 系統(tǒng)進程，應(yīng)常駐內(nèi)存 #define SLOCK 04 進程不能換出 #define SSWAP 010 進程正被對換 #define STRC 020 進程正被跟蹤 #define STWED 040 另一跟蹤標(biāo)志第26頁/共50頁進程管理進程管理 當(dāng)前運行進程，特點： P-stat 為SRUN P-flag 包含SLOAD標(biāo)志 KISA6,KISD6指向該進程ppda區(qū) 可以在核心/用戶態(tài)運行，所處存儲區(qū)位置不同 就緒進程，特點： P-stat 為SRUN P-flag 可能包含SLOAD標(biāo)志，也可能不包含

18、 ppda區(qū)不是核心態(tài)第6頁 運行-就緒通過系統(tǒng)進程swtch完成，所以轉(zhuǎn)換首先一定是處于核心態(tài)第27頁/共50頁進程管理進程管理 等待時間發(fā)生而停止運行的一種狀態(tài)，特點： P-stat 為SSLEEP或SWAIT，不參與競爭處理機 P-flag 可能包含SLOAD標(biāo)志，也可能不包含 KISA6,KISD6不反映進程圖像在內(nèi)存的位置 睡眠原因：進程間同步與互斥引起 使用互斥資源無法滿足 同步等待I/O結(jié)束 同步等待出現(xiàn)處理對象，如0#進程/sched暫時沒有處理對象 進程間的其他同步操作，sleep(),wait(). 臨界區(qū)互斥第28頁/共50頁進程管理進程管理 核心態(tài)下執(zhí)行sleep進入睡

19、眠狀態(tài) P-pri由系統(tǒng)按照睡眠原因設(shè)置，-100-+127 SSLEEP: P-pri0，低優(yōu)先權(quán)睡眠 父子進程同步：40 等低速設(shè)備I/O：10-20 喚醒：wakeup程序完成，喚醒后P-pri127) p=127; if (pcurpri) runrun+; /*curpri:現(xiàn)行運行進程被調(diào)度占用處理機時的優(yōu)先數(shù) /*runrun:進程調(diào)度標(biāo)志，為0表示不要求進行切換調(diào)度 ppp-pri=p;第33頁/共50頁進程調(diào)度算法進程調(diào)度算法 P-nice反映進程具有的相對優(yōu)先程度 一般用戶可設(shè)置范圍：020；高級用戶：-12820 通過系統(tǒng)調(diào)用nice(priority)完成設(shè)置，代碼：

20、register n; n=u.uar0R0; /* u.uar0R0保存系統(tǒng)調(diào)用參數(shù) if (n20) n=20; if (n0低優(yōu)先權(quán) 主要工作： 設(shè)置欲睡眠進程的p-whan/原因,p-stat,p-pri，并調(diào)用swtch進行調(diào)度 rpp-wchan=chan; rpp-stat=SSLEEP/SWAIT; rpp-pri=pri 設(shè)置過程執(zhí)行語句為臨界區(qū)，執(zhí)行前處理既優(yōu)先級提高為6級(避免中斷)第41頁/共50頁進程睡眠進程睡眠sleep() 說明 若進程欲進入低優(yōu)先權(quán)睡眠，首先應(yīng)檢測是否收到不可忽略的信號p-flag。如果收到，先轉(zhuǎn)去執(zhí)行信號處理程序； 系統(tǒng)設(shè)置runrun標(biāo)志，說

21、明是否有在盤交換區(qū)的進程準(zhǔn)備就緒而因內(nèi)存不足無法進入。 若runrun已經(jīng)設(shè)置，則將低優(yōu)先級睡眠進程入盤交換區(qū)，并調(diào)用sched.第42頁/共50頁睡眠喚醒睡眠喚醒wakeup() wakeup(chan)喚醒因chan原因睡眠的進程，并將其狀態(tài)置為SRUN 主要工作：搜索proc區(qū)，由setrun喚醒所有因chan睡眠的進程：p-wchan=0;p-stat=SRUN 說明： 系統(tǒng)設(shè)置runout標(biāo)志，表示盤交換區(qū)無進程圖像可入內(nèi)存。若runout=1,則執(zhí)行sched的0#進程睡眠，否則喚醒。第43頁/共50頁進程圖像在內(nèi)存進程圖像在內(nèi)存/盤交換區(qū)間傳遞盤交換區(qū)間傳遞 圖像傳遞由0#進程調(diào)

22、用sched完成 圖像入內(nèi)存算法：sched按照盤交換區(qū)中就緒進程p-time，從長到短逐個調(diào)入內(nèi)存，直到全部調(diào)入，或者無足夠內(nèi)存 圖像出內(nèi)存算法：若調(diào)入進程因內(nèi)存不足無法調(diào)入時，sched試圖從內(nèi)存調(diào)出一進程，然后再次執(zhí)行調(diào)入操作。第44頁/共50頁調(diào)出算法考慮因素調(diào)出算法考慮因素 某些進程不應(yīng)該被調(diào)出： P-flag為SSYS和SLOCK的進程 優(yōu)先調(diào)出：p-stat為SWAIT和SSTOP的進程。 若上述優(yōu)先進程，則優(yōu)先考慮： p-stat為SSLEEP或SRUN中在內(nèi)存駐留時間最長/p-time的進程。 同時要求：內(nèi)存被選中進程p-time2s 盤交換區(qū)欲入內(nèi)存進程p-time3s 否則，不執(zhí)行調(diào)出操作第45頁/共50頁進程的創(chuàng)建進程的創(chuàng)建 Unix進程創(chuàng)建有2種方式 預(yù)置方式：系統(tǒng)初啟時預(yù)置0 # ， 0 #進程創(chuàng)建1 #進程，1 #進程又為每個終端生成一個子進程(p20、p21、p2m) 創(chuàng)建方式：由newproc/ fork創(chuàng)建