【正文】 4．程序運(yùn)行時(shí)核心與硬件（存儲(chǔ)管理部件 MMU）一起建立虛地址到物理地址的映射。 例如： ps e | grep student3 | wc l 查看當(dāng)前系統(tǒng)中與用戶 student3相關(guān)的進(jìn)程有多少 A進(jìn)程的輸出 B進(jìn)程的輸入 ? 操作系統(tǒng)服務(wù) UNIX操作系統(tǒng)提供五種主要的服務(wù)（也是 UNIX核心的五個(gè)重要組成部分）： 1．進(jìn)程管理 建立、終止、掛起、通信等 2．時(shí)鐘管理 分時(shí)共享 cpu，時(shí)間片，調(diào)度 3．存儲(chǔ)管理 二級(jí)存貯器（內(nèi)存和對(duì)換區(qū)），分配主存 4．文件系統(tǒng)管理 二級(jí)存貯結(jié)構(gòu)。 wait((int *)0)。 } copy(int old, int new) { int count。 } fdold = open(argv[1], O_RDONLY)。2021年 6月 15日 UNIX_Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu) 電子科技大學(xué)信軟學(xué)院 教 師 介 紹 劉玓 教授 大型主機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)主任 大型主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全工程系主任 Email： 主要研究方向：操作系統(tǒng)、大型主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 課 程 概 述 一．課程內(nèi)容簡(jiǎn)介 講授范圍 具體的技術(shù)系統(tǒng)及其算法和實(shí)現(xiàn)流程，而不是操作系統(tǒng)基本原理； 通用操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀和分類 DOS類 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、效率低、安全性低 UNIX類 運(yùn)行高效、結(jié)構(gòu)通用、安全可靠、適應(yīng)能力強(qiáng)、系統(tǒng)較復(fù)雜 MVS類 功能強(qiáng)大、處理能力巨大、系統(tǒng)復(fù)雜、較封閉 大巨型機(jī) + z/OS 小中型機(jī) + UNIX 微型機(jī) + Windows 功能強(qiáng)大 簡(jiǎn)單易用 根本特點(diǎn) 分時(shí)多用戶、開放性 分時(shí)多用戶： 多個(gè)用戶多個(gè)進(jìn)程同時(shí)在一個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行 系統(tǒng)資源高度共享、有效協(xié)調(diào) 開放性： 標(biāo)準(zhǔn)化 —— 結(jié)構(gòu)上的一致性 可移植性 —— 應(yīng)用軟件的編碼及系統(tǒng)應(yīng)用接口 可互操作性 —— 可保持用戶原來(lái)的使用習(xí)慣 異種機(jī)之間的互操作 教學(xué)難點(diǎn) 多用戶多進(jìn)程 —— 同步 /互斥、數(shù)據(jù)一致性、訪問安全性 開放性 —— 硬件依賴性、結(jié)構(gòu)伸縮性、廣泛適應(yīng)性 二、教學(xué)目的 了解主流操作系統(tǒng)的發(fā)展方向 低端操作系統(tǒng) VS 高端操作系統(tǒng) 掌握 UNIX類操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要算法 文件、文件系統(tǒng)、進(jìn)程、時(shí)鐘、輸入輸出 學(xué)習(xí)大型程序設(shè)計(jì)的方法和理念 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能流程、數(shù)據(jù)安全、思維模式 奠定系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ) 功能選擇、層次劃分、應(yīng)用系統(tǒng)模式的確定 三、教材 《 UNIX操作系統(tǒng)設(shè)計(jì) 》 （ The Design of the UNIX Operating System） （美） Maurice 著 陳葆玨 王旭 柳純錄 馮雪山 譯 機(jī)械工業(yè)出版社 2021年 10月出版 四、考核說(shuō)明 本課程為 “ 考查 ” ，請(qǐng)以選 “ 考試 ” 的同學(xué)進(jìn)行更正。 exit(1)。 exit(0)。 程序入口點(diǎn) 文件頭 正文段 數(shù)據(jù)段 工作變量段 BSS （符號(hào)表、重定位信息等） 進(jìn)程： 程序的一次執(zhí)行實(shí)例 一個(gè)程序可同時(shí)有多個(gè)實(shí)例；系統(tǒng)中可同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程 父進(jìn)程： 調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 fork的進(jìn)程 子進(jìn)程： 由系統(tǒng)調(diào)用 fork產(chǎn)生的新進(jìn)程 執(zhí)行程序： 調(diào)用 execl, 用被執(zhí)行程序的內(nèi)容覆蓋本進(jìn)程地址空間 abc 執(zhí)行 abc xyz 用 xyz覆蓋 abc 執(zhí)行 xyz xyz 例子： 執(zhí)行可運(yùn)行文件 copy，其功能是拷貝文件，其運(yùn)行格式為： copy oldfile newfile 另一個(gè)名為 cpfile的程序具體調(diào)用 copy，其源程序如下： main(int argc, char *argv[ ]) { if (fork() == 0) execl(“ copy” , argv[1], argv[2]], 0)。 構(gòu)件原語(yǔ) “軟件復(fù)用”和“模塊組裝”理念 程序內(nèi)部： 簡(jiǎn)單功能劃分；純代碼設(shè)計(jì) 程序外部： 使用構(gòu)件原語(yǔ)進(jìn)行功能重疊和組裝 UNIX包含兩種構(gòu)件原語(yǔ)： ① 輸入輸出重定向 ② 管道 I/O重定向（ I/O redirect）： 一個(gè)進(jìn)程通常 (default)打開三個(gè)文件： 標(biāo)準(zhǔn)輸入文件（ fd=0） 標(biāo)準(zhǔn)輸出文件（ fd=1） 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出文件（ fd=2） 例如： grep abc grep abc file1 grep abc file1 file2 grep abc file1 file2 2 file3 管道（ pipe）： A進(jìn)程將標(biāo)準(zhǔn)輸出重新定向到管道中去； B進(jìn)程將標(biāo)準(zhǔn)輸入重新定向從管道中來(lái)。 處理機(jī)執(zhí)行級(jí) 用一組特權(quán)指令給處理機(jī)設(shè)置一個(gè)執(zhí)行級(jí) ，以屏蔽同級(jí)和低級(jí)的中斷，最大限度地減少其它事件的干擾，使當(dāng)前任務(wù)順利執(zhí)行并盡快完成；但開放更高級(jí)的中斷，以響應(yīng)更緊迫的請(qǐng)求。 每個(gè)鏈接名可以放在不同的目錄下（同一個(gè)文件系統(tǒng)下）； ? “普通鏈結(jié)”中各名字必須在同一文件系統(tǒng)中，“符號(hào)鏈結(jié)” 可在不同的文件系統(tǒng)中。 A進(jìn)程 B進(jìn)程 file表 活動(dòng) inode表 用戶打開文件表 系統(tǒng)打開文件表 活動(dòng) i節(jié)點(diǎn)表 為什么要單獨(dú)設(shè)立一個(gè) file表來(lái)存放讀寫指針呢？ 由于可能有多個(gè)進(jìn)程要共享一個(gè)被打開文件的inode，而每個(gè)進(jìn)程的 讀寫指針都不相同 ，故不能放在 inode表中。它包括存儲(chǔ)器映象、通用寄存器映像，地址映射空間、打開文件狀態(tài)等。 程序入口點(diǎn) 正文段 —— 程序的功能代碼 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)段 —— 標(biāo)識(shí)未初始化的數(shù)據(jù)要占用的空間大小 其它信息段 —— 主要用于存放符號(hào)表 2. 程序的執(zhí)行 一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用 exec時(shí)，把可執(zhí)行文件裝入本進(jìn)程的三個(gè)區(qū)域中： 正文區(qū) ：對(duì)應(yīng)可執(zhí)行文件的正文段 數(shù)據(jù)區(qū) ：對(duì)應(yīng)可執(zhí)行文件的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)段 堆棧區(qū) ：新建立的進(jìn)程工作區(qū) 堆棧主要用于 傳遞參數(shù)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，存放返回地址以及為局部動(dòng)態(tài)變量 提供存儲(chǔ)區(qū)。 int temp。 運(yùn)行 睡眠 就緒 喚醒 中斷 5. 在 UNIX環(huán)境下，進(jìn)程有如下特征： ① 每個(gè)進(jìn)程在 核心進(jìn)程表 （ proc數(shù)組）都占有一項(xiàng)，在其中保留相應(yīng)的狀態(tài)信息。 緩沖區(qū)首部 緩沖區(qū)首部的定義 : struct buf { 緩沖區(qū)標(biāo)志 標(biāo)識(shí)緩沖區(qū)狀態(tài) 緩沖區(qū)鏈接指針 向前向后串成鏈表 空閑緩沖區(qū)鏈表指針 聯(lián)結(jié)空閑緩沖區(qū) 設(shè)備號(hào) 標(biāo)識(shí)緩沖區(qū) 塊號(hào) union{ 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)塊 超級(jí)塊 柱面塊 i節(jié)點(diǎn)塊 }b_un 其它控制信息 } 緩沖池的結(jié)構(gòu) 最近最少使用（ LRU）算法： Least Recently Used ① 程序設(shè)計(jì)采用模塊化和層次化結(jié)構(gòu)，盡量避免使用 goto語(yǔ)句，程序跳轉(zhuǎn)少，適應(yīng)“流水線（ pipeline）”體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)； ② 特定時(shí)間段內(nèi)，程序在一個(gè)相對(duì)集中空間（代碼段）內(nèi)運(yùn)行，涉及的數(shù)據(jù)（廣義的：文件名、變量、指針和數(shù)組等）的個(gè)數(shù)相對(duì)較少； ③ 當(dāng)前使用過(guò)的數(shù)據(jù)，馬上還要使用的可能性最大，較長(zhǎng)時(shí)間未用過(guò)的數(shù)據(jù)，即將使用的可能性最小。只有當(dāng)該空閑緩沖區(qū)所裝數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)才掛到鏈頭。 hashno = ((diskno + blkno) / RND) % BUFHSZ diskno： 設(shè)備號(hào) blkno： 塊號(hào) BUFHSZ： 最大 hash值，通常為 63。不存在脫離 hash鏈表的另一個(gè)空閑的緩沖區(qū)鏈表。本進(jìn)程不再關(guān)心該緩沖區(qū)實(shí)際被寫出的時(shí)間和結(jié)果，而直接返回去作其它事情。 每個(gè)文件都是由一個(gè)索引節(jié)點(diǎn) i節(jié)點(diǎn)來(lái)表示的，每個(gè) i節(jié)點(diǎn)由其 i節(jié)點(diǎn)號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。 系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出來(lái)的邏輯塊號(hào)判斷是否包含在直接索引表中，如果是，則取出直接索引表中的文件系統(tǒng)塊號(hào)；如不是，則看是否包含在一次間接索引塊中，否則再尋找二次和三次間接索引塊。具有相同 hash值的活動(dòng) i節(jié)點(diǎn)鏈接在同一個(gè) hash鏈表中，這樣內(nèi)存中就有 64個(gè) hash鏈表，每個(gè)hash鏈表都是由 hash鏈頭開始的雙向鏈表（與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)鏈表不同的是此處的空閑和非空閑鏈表都是非循環(huán)的） 。文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是二維的。 文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊 在文件系統(tǒng)中，按存儲(chǔ)單位來(lái)劃分，由大到小可有下列層次： 文件系統(tǒng) (file system) 柱面組 (cylinder group) 柱面 (cylinder) 磁道 (track) 扇區(qū) (sector) DEV_BSIZE 512字節(jié) 文件系統(tǒng)的邏輯塊大?。? DEV_BSIZE * 2? 即 1k、 2k、 4k、 8k、 16k … 目的：提高傳輸速度，減少 overhead 文件系統(tǒng)的邏輯片大?。? DEV_BSIZE * 2? 即 1k、 2k、 4k、 8k、 16k … 目的：減少文件尾的碎片浪費(fèi)。 2 。 /*目錄項(xiàng) i節(jié)點(diǎn)號(hào) */ char d_name [MAXNAMELEN]。前一個(gè)目錄項(xiàng)釋放時(shí)，把該目錄項(xiàng)的空間全部合并到前一個(gè)目錄項(xiàng)中，形成前面一個(gè)目錄項(xiàng)占用空間大于實(shí)際使用的空間。