UNIX操作系統(tǒng) 廣西大學計算機與電子信息學院

1、UNIX操作系統(tǒng)主講：陳笑蓉貴州大學計算機科學與技術(shù)學院1.UNIX操作系統(tǒng)是一個功能很強而且是十分靈活的操作系統(tǒng)和計算機環(huán)境 ；是使用非常方便的軟件開發(fā)環(huán)境； 是當代最有代表性的多用戶多任務分時系統(tǒng)。 2.主要內(nèi)容UNIX操作系統(tǒng)的發(fā)展和特點 UNIX的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) UNIX進程管理 進程調(diào)度 進程通信 UNIX存儲管理 UNIX設備管理 UNIX操作系統(tǒng)的文件管理 3.9.1 UNIX操作系統(tǒng)的發(fā)展和特點 20世紀6070年代，AT&T的Bell實驗室的Ken Thompson和Dennis Ritchie(1983 ACM TURING AWARD);C語言的誕生，為了寫UNIX1978年U

2、NIX V7產(chǎn)生,1982年UNIX System III（V7+PWB+UNIX/RT）1978年Berkeley分校發(fā)布3BSD（虛擬存儲器支持、按需分頁支持），1979年4BSD（internet支持），1993年4.4BSD（新文件系統(tǒng)）4.4.3BSD4.3BSD4.3BSD TahoeSVR3.1SVR3.04.4BSDSVR3.2SVR4POSIX.1ANSI CXPG31986198719881989199019911992SVR: SYSTEM V5.UNIX標準化80年代UNIX版本的劇增以及各種UNIX版本之間的差別不斷擴大導致了許多用戶（例如美國政府）要求對其標準化，以

3、增強各種應用程序在這些UNIX操作系統(tǒng)之間的可移植性。其中幾個重要的標準包括：ANSI C、IEEE POSIX以及X/Open XPG。所有這些標準只是界面的規(guī)格說明（例如，網(wǎng)絡界面，進程間的通信，系統(tǒng)管理等），而具體實施則留給制造商。 6.UNIX的基本特點 多用戶多任務的分時系統(tǒng) 良好的界面 可移植性強 配置靈活 具有一個可裝卸的分層樹型結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng) 安全機制完善 豐富的網(wǎng)絡功能 7.UNIX 的界面 UNIX有兩種界面，一個是命令控制界面，一個是編程界面。命令控制界面是通過Shell提供給用戶使用。編程界面是UNIX系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用以標準實用子程序形式提供給用戶編程中使用，從而減少用戶程

4、序設計和編程難度，節(jié)省用戶的程序設計和編程時間。 8.基本命令控制界面包括：系統(tǒng)訪問命令，例如 login ，logout 等。編輯和文件管理命令，例如 vi ,emacs , cp ,rm 和ls 等。 編程、鏈接命令，例如 cc , link 等。 維護、管理命令，例如 adduser , chown 等調(diào)試命令，例如 dbx 等。記帳、日期等命令，例如 date 等。網(wǎng)絡通信命令，例如 mailx 等。9.特殊命令包括 ：后臺命令“&” 文件名生成符號“*”和“？” 輸入輸出重定向符號“”、“”和“” 管道命令 “” 進程1 pipe進程2 圖9 1 unix 的管道機制10.編程界面：

5、 文件操作類：open();fopen();write();read();close();fclose()進程控制類: fork();wait();kill();signal();pipe();sleep();信號與時間類:time();stime();date(); 具體使用請用man 幫助。如man fopen11.9.2 UNIX的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：最內(nèi)層是UNIX操作系統(tǒng)核心，它包括文件控制系統(tǒng)和進程控制系統(tǒng)兩大部分。中間層是shelll命令解釋層、實用程序、庫函數(shù)。該層中的shell解釋程序是用戶和UNIX操作系統(tǒng)的界面。最外層是用戶程序，包括許多應用軟件。UNIX

6、的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖（ 9-2） 所示 12.13.UNIX 系統(tǒng)核心的體系結(jié)構(gòu) 在UNIX操作系統(tǒng)的核心部分有兩個子系統(tǒng)：文件子系統(tǒng)進程控制子系統(tǒng)核外程序通過引用兩組被明確定義的系統(tǒng)調(diào)用與核心交往，其中一組用于與文件系統(tǒng)的交互作用，另一組與進程控制子系統(tǒng)的交互作用。如圖9 3 所示.。 14. 系 統(tǒng) 調(diào) 用 接 口文 件 子 系 統(tǒng)進 程 控 制子 系 統(tǒng)進程內(nèi)部信進程調(diào)度內(nèi)存管理高速緩沖字符設備 塊設備 設備驅(qū)動器 硬 件 控 制圖 93 UNIX系統(tǒng)內(nèi)核框圖 內(nèi)核層硬 件硬件層內(nèi)核層用戶程序用戶層15.系統(tǒng)調(diào)用接口 ：系統(tǒng)調(diào)用接口是操作系統(tǒng)提供給編程人員的接口。編程人員通過系統(tǒng)調(diào)用使用操作

7、系統(tǒng)內(nèi)核提供的各種功能。系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行不同于一般用戶程序的執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行是在核心態(tài)下執(zhí)行系統(tǒng)子程序，而用戶程序則是在用戶態(tài)下執(zhí)行。 16.UNIX的系統(tǒng)調(diào)用由一條訪管指令陷阱或陷阱指令實現(xiàn)（trap）。該指令是一條機器指令，其操作數(shù)部分對應于系統(tǒng)調(diào)用的編號。另外，在系統(tǒng)中有一張系統(tǒng)調(diào)入口表，用來指示各系統(tǒng)調(diào)用處理程序的入口地址。17.文件子系統(tǒng) 文件管理 ：用于為文件分配存儲空間，管理空閑盤塊，控制對文件的存取，以及為用戶檢索數(shù)據(jù)。 高速緩沖機制 ：緩沖機制與I/O設備驅(qū)動程序間交互作用，以控制各種外設到核心的數(shù)據(jù)傳送和核心到外設的數(shù)據(jù)傳送。 設備驅(qū)動程序 ：用以控制I/O 設備進行操作的

8、核心模塊 18.進程控制子系統(tǒng) 進程控制：fork，exec，exit， 進程通信 ：原語，軟中斷，管道，socket，存儲器管理：采用了段頁存儲管理方式;進程調(diào)度：多級反饋輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。 19.9.3 UNIX進程管理 整個UNIX系統(tǒng)就是一個進程家族，有一個最高的祖先。一般情況下，UNIX系統(tǒng)的進程家族樹如下圖9-4所示，0進程和1進程是UNIX系統(tǒng)中兩個最重要的進程，其中0進程是UNIX系統(tǒng)中唯一只在核心態(tài)下運行的進程。它有三種功能：調(diào)度分配處理器、管理進程交換和創(chuàng)建1進程，所有其他進程都由1進程直接或間接創(chuàng)建。 20.交換進程 0#init進程 1#inetd進程syslog進程終端登

9、錄進程(login)用戶shell進程用戶子進程用戶子進程圖94 UNIX系統(tǒng)進程樹結(jié)構(gòu)21.進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在UNIX系統(tǒng)V中，把PCB 分成兩部分，一是進程表項，稱為proc結(jié)構(gòu)。其中含有最常用的信息，由核心對它們進行存??；另一部分是U區(qū)，稱為user結(jié)構(gòu)。存放進程表項的一些擴充信息，它只能被運行在核心態(tài)的進程所存取。 22.UNIX系統(tǒng)把一個進程的虛擬地址空間劃分為若干個連續(xù)的邏輯區(qū)，有正文區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)等。為了對區(qū)進行管理，在核心中設置了一個系統(tǒng)區(qū)表（簡稱區(qū)表），各表項中記錄了描述活動區(qū)的有關(guān)信息。進程區(qū)表中每一項記錄一個區(qū)的起始虛地址及指向系統(tǒng)區(qū)表中對應的區(qū)表項。23.存儲盤區(qū)表A

10、BC物理盤區(qū)本進程區(qū)表虛地址（正文）1虛地址（數(shù)據(jù)）2虛地址（棧）3進程控制表PCBU區(qū) 進程表ABC系統(tǒng)區(qū)表 擴充信息表項區(qū)24.進程的狀態(tài) 用戶態(tài)運行 在CPU上執(zhí)行用戶程序；核心態(tài)運行 在CPU上執(zhí)行核心程序；在內(nèi)存就緒 具備運行條件，只要內(nèi)核調(diào)度就能執(zhí)行；在內(nèi)存睡眠 進程處于內(nèi)存中，只有等到某事件發(fā)生后才能執(zhí)行；在外存就緒 進程處于就緒狀態(tài)，但是在其被內(nèi)核調(diào)度去執(zhí)行之前必須被交換進內(nèi)存；在外存上睡眠 進程在等待某事件發(fā)生，并被交換到外存上；被剝奪狀態(tài) 被調(diào)度程序剝奪了處理機后的進程狀態(tài)；創(chuàng)建態(tài) 新進程被創(chuàng)建，還不能運行；終止態(tài) 進程終止自己。 25.返回用戶消失睡眠系統(tǒng)調(diào)用，中斷喚醒喚

11、醒交換出交換出交換進436527198重新調(diào)度進程返回內(nèi)核運行搶占有足夠內(nèi)存fork睡眠，交換出睡眠，交換出用戶運行創(chuàng)建（內(nèi)存不夠）僵死被搶占中斷，中斷返回26.進程上下文 用戶級上下文:由進程的用戶程序段部分編譯而成的用戶正文段、用戶數(shù)據(jù)、用戶段和共享存儲器組成。共享存儲區(qū)用于實現(xiàn)進程間的通信. 寄存器上下文；系統(tǒng)級上下文 :靜態(tài)級上下文和動態(tài)級兩部分。靜態(tài)部分包括：PCB 結(jié)構(gòu)（proc結(jié)構(gòu)和user結(jié)構(gòu)）、進程區(qū)表項、系統(tǒng)區(qū)表項和頁表以及核心棧，區(qū)表和頁表用于實現(xiàn)進程的虛地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，核心棧主要用來裝載進程中所使用系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用序列。動態(tài)部分包括：進程在執(zhí)行時使用的核心棧、若干層

12、寄存器上下文 27.用戶級上下文進程正文用戶數(shù)據(jù)用戶棧 寄存器上下文PC的值PSW的值棧指針通用寄存器的值 系 統(tǒng) 級 上 下 文 靜態(tài)部分 動態(tài)部分 靜態(tài)部分proc結(jié)構(gòu)user結(jié)構(gòu)進程區(qū)表頁表核心棧第3層保護第2層的寄存器上下文核心棧第2層保護第1層的寄存器上下文核心棧第1層保護第0層的寄存器上下文第0層寄存器上下文28.9.4 進程調(diào)度UNIX系統(tǒng)是分時系統(tǒng)，因而未設置作業(yè)調(diào)度。對進程的調(diào)度采用多級反饋隊列輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式。相應地，在系統(tǒng)中便為就緒進程設置了多個就緒隊列。調(diào)度程序在進行調(diào)度時，總是先從最高優(yōu)先級隊列中，取出排在隊列最前面的進程。僅當最高優(yōu)先隊列中沒有進程時,才從次高優(yōu)先級隊列

13、中找出其隊首進程，令他執(zhí)行一個時間片后，又剝奪該進程的執(zhí)行，將該進程放到下一個優(yōu)先級隊列的末尾，再從優(yōu)先級最高的隊列中取出下一個就緒進程投入運行。 29.9.5 進程通信 UNIX System V的進程通信有三種方式：信號:是對硬件中斷的一種模擬，也稱為軟中斷。這種方式是利用軟中斷信號實現(xiàn)同一用戶的各進程之間的通信。這種通信的目的是通知對方發(fā)生了異步事件。 管道:一個管道的執(zhí)行將用到兩個file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們其中一個進程可以向管道寫，而另一個進程從管道讀. IPC機制（進程間通信）:IPC機制包括消息隊列、共享內(nèi)存和信號量三種. 30.9.6 UNIX存儲管理 UNIX系統(tǒng)V中采用了請求分

14、頁存儲管理機制和對換機制。這樣，當進程運行時不必整個進程的映象都在內(nèi)存，而只需在內(nèi)存保留當前用到的頁面。當進程訪問到某些尚未在內(nèi)存的頁面時，就由核心把這些頁面裝入內(nèi)存。 31.緩存技術(shù) UNIX 采用了一系列涉及到高速緩存的內(nèi)存管理技術(shù)。緩沖區(qū)緩存 頁緩存 交換緩存 硬件緩存 32.UNIX使用最近最少使用策略（LRU）決定把哪個頁面換出。頁面的“年齡”變量表示頁面的被訪問次數(shù)。初始值默認為3，每訪問一次，值增加3，直到最大值20；每當交換進程嘗試換出一頁時，年齡值減1，直到0。變量“年齡”值越小，頁面越“老”，老的頁面，首先被換出。 33.9.7 UNIX設備管理 UNIX系統(tǒng)中也將設備分為

15、兩類，塊設備和字符設備。對這些設備管理的目的之一是使特定硬件設備的特性與用戶無關(guān)，這種特征稱為透明性，在UNIX中，大部分I/O設備的特性由于I/O系統(tǒng)的緣故甚至對內(nèi)核也是透明的。I/O系統(tǒng)是由一個超高速緩存系統(tǒng)、一般設備的驅(qū)動程序和特殊設備的驅(qū)動程序構(gòu)成的、現(xiàn)又增加了一種網(wǎng)絡界面，主要用于支持網(wǎng)絡的I/O操作。 34.設備驅(qū)動程序 UNIX系統(tǒng)中每類設備都有一個驅(qū)動程序，設備驅(qū)動程序是驅(qū)動物理設備和DMA控制器或I/O控制器等直接進行I/O操作的子程序集合。它們負責設置相應設備有關(guān)寄存器的值，啟動設備進行I/O操作，指定操作的類型和數(shù)據(jù)流向等。 35.9.8 文件管理 UNIX文件系統(tǒng)具有四

16、個顯著特點：1有層次的多級樹型目錄結(jié)構(gòu)，而且還是可以靈活裝卸的文件系統(tǒng)；2把輸入/輸出的硬件和特別文件連接起來；3對I/O設備的存取和對普通磁盤文件的存取一樣看待，統(tǒng)一化為文件處理，從而簡化了用戶的操作；4對文件提供了良好的保護機構(gòu)。36.文件系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu) 索引點是指在UNIX的文件系統(tǒng)中，每一個文件都有一個且僅有一個主結(jié)點，簡稱i結(jié)點。i結(jié)點中包含的是對應文件的特征參數(shù)，如文件類型，文件長度，文件存放位置等。所有文件的i結(jié)點組成系統(tǒng)的i結(jié)點表，它存放了該文件系統(tǒng)中的所有i結(jié)點，主結(jié)點從0號開始依次向后編號.37.38.文件的尋址 1直接尋址方式2一次間接尋址方式3多次間接尋址方式（二次間接尋址、三次間接尋址） 39.40.空閑盤塊的管理 UNIX系統(tǒng)采用成組鏈接法對空閑磁盤加以組織，系統(tǒng)將若干空閑塊組成一個組，將每組中的盤 .41.目錄文件 /dev/bin/lib/etc/usr/mnt