UNIX系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)培訓(xùn)教材課件

第十章UNIX系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)10.1UNIX系統(tǒng)概述10.2進(jìn)程的描述和控制10.3進(jìn)程的同步與通信10.4存儲(chǔ)器管理10.5設(shè)備管理10.6文件管理1第十章UNIX系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)10.1UNIX系統(tǒng)概述10.1UNIX系統(tǒng)概述10.1.1UNIX系統(tǒng)的發(fā)展史10.1.2UNIX系統(tǒng)的特征1、開(kāi)放性2、多用戶(hù)、多任務(wù)環(huán)境3、功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)高效4、提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)功能5、支持多處理器功能210.1UNIX系統(tǒng)概述10.1.1UNIX系統(tǒng)的發(fā)展10.1.3UNIX系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖10-1UNIX核心的框圖字符設(shè)備塊設(shè)備設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件控制高速緩存文件子系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用接口進(jìn)程間通信調(diào)度存儲(chǔ)管理進(jìn)程控制子系統(tǒng)核心級(jí)硬件級(jí)硬件核心級(jí)用戶(hù)級(jí)庫(kù)函數(shù)用戶(hù)程序捕俘310.1.3UNIX系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖10-1UNIX1、進(jìn)程控制子系統(tǒng)進(jìn)程控制(2)進(jìn)程通信(3)存儲(chǔ)器管理(4)進(jìn)程調(diào)度10.1.3UNIX系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)2、文件子系統(tǒng)文件管理(2)高速緩沖機(jī)制(3)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序41、進(jìn)程控制子系統(tǒng)進(jìn)程控制10.1.3UNIX系統(tǒng)的10.2進(jìn)程的描述和控制10.2.1進(jìn)程控制塊PCB在UNIX系統(tǒng)Ⅴ中，把進(jìn)程控制塊分為四部分：(1)進(jìn)程表項(xiàng)(2)U區(qū)(3)進(jìn)程區(qū)表(4)系統(tǒng)區(qū)表510.2進(jìn)程的描述和控制10.2.1進(jìn)程控制塊PCB圖10-2進(jìn)程區(qū)表項(xiàng)、系統(tǒng)區(qū)表項(xiàng)和區(qū)的關(guān)系正文數(shù)據(jù)棧正文數(shù)據(jù)棧abcdeabcde系統(tǒng)區(qū)表A進(jìn)程區(qū)表B進(jìn)程區(qū)表4、本進(jìn)程區(qū)表(PerProcessRegionTable)6圖10-2進(jìn)程區(qū)表項(xiàng)、系統(tǒng)區(qū)表項(xiàng)和區(qū)的關(guān)系正文數(shù)據(jù)棧正圖10-3進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4、本進(jìn)程區(qū)表(PerProcessRegionTable)U區(qū)進(jìn)程表abcabc本進(jìn)程區(qū)表系統(tǒng)區(qū)表7圖10-3進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4、本進(jìn)程區(qū)表(PerPr10.2.2進(jìn)程狀態(tài)與進(jìn)程映像1、進(jìn)程狀態(tài)圖10-4進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換62379845喚醒換出換出換入內(nèi)存中睡眠睡眠且換出睡眠調(diào)度核心態(tài)執(zhí)行1搶奪被搶奪內(nèi)存中就緒內(nèi)存足內(nèi)存不足創(chuàng)建fork用戶(hù)態(tài)執(zhí)行返回到用戶(hù)態(tài)系統(tǒng)調(diào)用中斷中斷中斷返回返回僵死喚醒就緒且換出810.2.2進(jìn)程狀態(tài)與進(jìn)程映像1、進(jìn)程狀態(tài)圖10-42、進(jìn)程映像（1）用戶(hù)級(jí)上下文（2）寄存器上下文程序寄存器處理機(jī)狀態(tài)寄存器(PSR)

棧指針通用寄存器（3）系統(tǒng)級(jí)上下文靜態(tài)部分動(dòng)態(tài)部分92、進(jìn)程映像（1）用戶(hù)級(jí)上下文910.2.3進(jìn)程控制1、fork系統(tǒng)調(diào)用為新進(jìn)程分配一個(gè)進(jìn)程表項(xiàng)和進(jìn)程標(biāo)識(shí)符；(2)檢查同時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)目；(3)拷貝進(jìn)程表項(xiàng)中的數(shù)據(jù)；(4)子進(jìn)程繼承父進(jìn)程的所有文件；(5)為子進(jìn)程創(chuàng)建進(jìn)程上下文；(6)子進(jìn)程執(zhí)行。1010.2.3進(jìn)程控制1、fork系統(tǒng)調(diào)用為新進(jìn)程分配2、exec系統(tǒng)調(diào)用圖10-5execⅤ的參數(shù)組織方式trappathargvarg2parg1parg0p0文件名字符串參數(shù)字符串112、exec系統(tǒng)調(diào)用圖10-5execⅤ的參數(shù)組織方3、exit系統(tǒng)調(diào)用(1)關(guān)閉軟中斷；(2)回收資源；(3)寫(xiě)記賬信息；(4)置進(jìn)程為“僵死”狀態(tài)。4、wait系統(tǒng)調(diào)用123、exit系統(tǒng)調(diào)用(1)關(guān)閉軟中斷；4、wait10.2.4進(jìn)程調(diào)度與切換

1、引起進(jìn)程調(diào)度的原因

2、調(diào)度算法

3、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的分類(lèi)4、進(jìn)程優(yōu)先數(shù)的計(jì)算5、進(jìn)程切換1310.2.4進(jìn)程調(diào)度與切換1、引起進(jìn)程調(diào)度的原因10.3進(jìn)程的同步與通信1、sleep與wakeup同步機(jī)制2、信號(hào)（signal）機(jī)制

3、管道機(jī)制4、消息機(jī)制5、共享存儲(chǔ)區(qū)機(jī)制6、信號(hào)量集機(jī)制1410.3進(jìn)程的同步與通信1、sleep與wakeup同步10.3.4消息機(jī)制圖10-6消息機(jī)制中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)…隊(duì)列

i…隊(duì)列

n…消息首部msgh0消息首部msgh3消息首部msgh2消息緩沖區(qū)消息緩沖區(qū)消息緩沖區(qū)消息首部m消息緩沖區(qū)消息隊(duì)列頭表0321510.3.4消息機(jī)制圖10-6消息機(jī)制中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)10.3.5共享存儲(chǔ)區(qū)機(jī)制圖10-7利用共享存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行通信AB正文進(jìn)程的虛空間數(shù)據(jù)棧共享存儲(chǔ)區(qū)B正文數(shù)據(jù)B′棧內(nèi)存空間進(jìn)程的虛空間A′A1610.3.5共享存儲(chǔ)區(qū)機(jī)制圖10-7利用共享存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)圖10-8信號(hào)量集表與信號(hào)量表sem0sem1sem20sem31sem42sem53sem6sem7sem80sem91sem102sem110…信號(hào)量集表信號(hào)量表信號(hào)量集信號(hào)量集10.3.6信號(hào)量集機(jī)制17圖10-8信號(hào)量集表與信號(hào)量表sem0sem1sem10.4存儲(chǔ)器管理10.4.1請(qǐng)求調(diào)頁(yè)管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、頁(yè)表和磁盤(pán)描述表圖10-9頁(yè)表項(xiàng)和磁盤(pán)描述表項(xiàng)物理頁(yè)號(hào)年齡寫(xiě)時(shí)拷貝修改位訪(fǎng)問(wèn)位有效位保護(hù)（a）頁(yè)表項(xiàng)對(duì)換設(shè)備號(hào)設(shè)備塊號(hào)存儲(chǔ)器類(lèi)型（b）盤(pán)塊說(shuō)明1810.4存儲(chǔ)器管理10.4.1請(qǐng)求調(diào)頁(yè)管理的圖10-10頁(yè)框數(shù)據(jù)表項(xiàng)及其散列隊(duì)列2、頁(yè)框數(shù)據(jù)表和對(duì)換使用表19圖10-10頁(yè)框數(shù)據(jù)表項(xiàng)及其散列隊(duì)列2、頁(yè)框數(shù)據(jù)表和對(duì)圖10-11四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系頁(yè)表項(xiàng)頁(yè)框號(hào)794磁盤(pán)塊描述項(xiàng)對(duì)換設(shè)備1塊號(hào)2743引用數(shù)1對(duì)換設(shè)備1塊號(hào)2743物理頁(yè)794引用數(shù)1對(duì)換設(shè)備塊2743對(duì)換使用表項(xiàng)頁(yè)框數(shù)據(jù)表項(xiàng)794虛地址1493K20圖10-11四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系頁(yè)表項(xiàng)頁(yè)框號(hào)794磁10.4.2換頁(yè)進(jìn)程

1、增加有效頁(yè)的年齡2、對(duì)換出頁(yè)的幾種處理方式3、將換出頁(yè)面寫(xiě)到對(duì)換設(shè)備上10.4.3請(qǐng)求調(diào)頁(yè)1、缺頁(yè)在可執(zhí)行文件上2、缺頁(yè)在對(duì)換設(shè)備上3、缺頁(yè)在內(nèi)存頁(yè)面緩沖區(qū)中2110.4.2換頁(yè)進(jìn)程1、增加有效頁(yè)的年齡10.5設(shè)備管理10.5.1字符設(shè)備緩沖區(qū)管理1、空閑字符緩沖區(qū)隊(duì)列圖10-12空閑字符緩沖區(qū)隊(duì)列cblock[0]c_nextc_nextc_nextcblock[1]cblock[2]c_nextcblock[N-1]cfreelist…

2、空閑字符緩沖區(qū)的分配與回收3、設(shè)備的字符緩沖區(qū)隊(duì)列2210.5設(shè)備管理10.5.1字符設(shè)備緩沖區(qū)管理110.5.2塊設(shè)備緩沖區(qū)管理1、盤(pán)塊緩沖區(qū)及其首部圖10-13緩沖首部設(shè)備號(hào)塊號(hào)狀態(tài)緩沖區(qū)指針散列隊(duì)列的前向指針散列隊(duì)列的后向指針空閑表上的前向指針空閑表上的后向指針2310.5.2塊設(shè)備緩沖區(qū)管理1、盤(pán)塊緩沖區(qū)及其首部圖12、盤(pán)塊緩沖池結(jié)構(gòu)圖10-14空閑隊(duì)列(鏈)及散列隊(duì)列blkno0mod4blkno1mod4blkno2mod4blkno3mod4281798346459750103599空閑表頭標(biāo)3、盤(pán)塊緩沖區(qū)的分配

4、盤(pán)塊緩沖區(qū)的回收242、盤(pán)塊緩沖池結(jié)構(gòu)圖10-14空閑隊(duì)列(鏈)及散列隊(duì)列10.5.3內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)程序接口1、設(shè)備開(kāi)關(guān)表的作用圖10-15設(shè)備開(kāi)關(guān)表及系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序間的接口openclosereadwriteioctl字符設(shè)備開(kāi)關(guān)表openmountcloseunmountreadwrite塊設(shè)備開(kāi)關(guān)表高速緩沖調(diào)用openclosereadwriteioctl驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備中斷處理程序openclosestrategy驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備中斷處理程序中斷向量中斷向量設(shè)備中斷文件子系統(tǒng)2510.5.3內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)程序接口1、設(shè)備開(kāi)關(guān)表的作用圖110.5.4磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序1、打開(kāi)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程gdopen

2、啟動(dòng)磁盤(pán)控制器的過(guò)程

3、磁盤(pán)中斷處理過(guò)程gdintr2610.5.4磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序1、打開(kāi)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程gdop10.5.5磁盤(pán)讀、寫(xiě)程序1、磁盤(pán)的讀寫(xiě)方式2、讀過(guò)程bread和breada（1）一般讀過(guò)程bread（2）提前讀過(guò)程breada3、寫(xiě)過(guò)程bwrite、bawrite和bdwrite（1）一般寫(xiě)過(guò)程bwrite（2）異步寫(xiě)過(guò)程bawrite（3）延遲寫(xiě)過(guò)程bdwrite2710.5.5磁盤(pán)讀、寫(xiě)程序1、磁盤(pán)的讀寫(xiě)方式2、讀過(guò)程b10.6文件管理10.6.1UNIX文件系統(tǒng)概述1、UNIX文件系統(tǒng)的特點(diǎn)文件系統(tǒng)的組織是分級(jí)樹(shù)形結(jié)構(gòu)；(2)文件的物理結(jié)構(gòu)為混合索引式文件結(jié)構(gòu)；(3)采用了成組鏈接法管理空閑盤(pán)塊。2810.6文件管理10.6.1UNIX文件系統(tǒng)概2、文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖10-18UNIX文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)ibinusrdeviiibin的目錄表usr的目錄表dev的目錄表Root目錄表iilettertesttestreportWangWang292、文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖10-18UNIX文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)ib圖10-19直接尋址和間接尋址i.addr(0)i.addr(1)i.addr(2)…i.addr(9)i.addr(10)i.addr(11)i.addr(12)一次間接塊數(shù)據(jù)塊二次間接塊三次間接塊直接尋址一次間址二次間址三次間址…1、尋址方式10.6.2文件的物理結(jié)構(gòu)30圖10-19直接尋址和間接尋址i.addr(0)i.a圖10-20文件的地址映射示例2、地址轉(zhuǎn)換i.addr(0)i.addr(1)i.addr(2)…i.addr(10)i.addr(11)i.addr(12)數(shù)據(jù)塊二次間接塊直接尋址一次間址二次間址三次間址…36742891563313333952一次間接塊952331333331圖10-20文件的地址映射示例2、地址轉(zhuǎn)換i.add10.6.3索引結(jié)點(diǎn)的管理1、超級(jí)塊(Superblock)(1)文件系統(tǒng)的盤(pán)塊數(shù)目(2)空閑盤(pán)塊號(hào)棧(3)當(dāng)前空閑盤(pán)塊號(hào)數(shù)目(4)空閑磁盤(pán)i結(jié)點(diǎn)號(hào)棧(5)空閑磁盤(pán)i結(jié)點(diǎn)數(shù)目(6)空閑盤(pán)塊編號(hào)棧的鎖字段(7)空閑磁盤(pán)i結(jié)點(diǎn)棧的鎖字段(8)超級(jí)塊修改標(biāo)志(9)修改時(shí)間3210.6.3索引結(jié)點(diǎn)的管理1、超級(jí)塊(Superbloc2、磁盤(pán)索引結(jié)點(diǎn)的分配與回收（1）分配過(guò)程ialloc（2）回收過(guò)程ifree3、內(nèi)存索引結(jié)點(diǎn)的分配與回收（1）分配過(guò)程iget（2）回收過(guò)程iput332、磁盤(pán)索引結(jié)點(diǎn)的分配與回收（1）分配過(guò)程ialloc310.6.4空閑磁盤(pán)空間的管理圖10-21文件卷的組織1、文件卷的組織2、空閑盤(pán)塊的組織3、空閑盤(pán)塊的分配與