【正文】 4．程序運行時核心與硬件（存儲管理部件 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)的進程有多少 A進程的輸出 B進程的輸入 ? 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核心的五個重要組成部分）： 1．進程管理 建立、終止、掛起、通信等 2．時鐘管理 分時共享 cpu，時間片，調(diào)度 3．存儲管理 二級存貯器（內(nèi)存和對換區(qū)），分配主存 4．文件系統(tǒng)管理 二級存貯結(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 大型主機教學(xué)團隊主任 大型主機與網(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、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 課 程 概 述 一．課程內(nèi)容簡介 講授范圍 具體的技術(shù)系統(tǒng)及其算法和實現(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)簡單、使用方便、效率低、安全性低 UNIX類 運行高效、結(jié)構(gòu)通用、安全可靠、適應(yīng)能力強、系統(tǒng)較復(fù)雜 MVS類 功能強大、處理能力巨大、系統(tǒng)復(fù)雜、較封閉 大巨型機 + z/OS 小中型機 + UNIX 微型機 + Windows 功能強大 簡單易用 根本特點 分時多用戶、開放性 分時多用戶： 多個用戶多個進程同時在一個系統(tǒng)中運行 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 —— 可保持用戶原來的使用習(xí)慣 異種機之間的互操作 教學(xué)難點 多用戶多進程 —— 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)、進程、時鐘、輸入輸出 學(xué)習(xí)大型程序設(shè)計的方法和理念 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 》 （ The Design of the UNIX Operating System） （美） Maurice 著 陳葆玨 王旭 柳純錄 馮雪山 譯 機械工業(yè)出版社 2021年 10月出版 四、考核說明 本課程為 “ 考查 ” ，請以選 “ 考試 ” 的同學(xué)進行更正。 exit(1)。 exit(0)。 程序入口點 文件頭 正文段 數(shù)據(jù)段 工作變量段 BSS （符號表、重定位信息等） 進程： 程序的一次執(zhí)行實例 一個程序可同時有多個實例；系統(tǒng)中可同時有多個進程 父進程： 調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 fork的進程 子進程： 由系統(tǒng)調(diào)用 fork產(chǎn)生的新進程 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)行可運行文件 copy，其功能是拷貝文件，其運行格式為： copy oldfile newfile 另一個名為 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 “軟件復(fù)用”和“模塊組裝”理念 程序內(nèi)部： 簡單功能劃分；純代碼設(shè)計 程序外部： 使用構(gòu)件原語進行功能重疊和組裝 UNIX包含兩種構(gòu)件原語： ① 輸入輸出重定向 ② 管道 I/O重定向（ I/O redirect）： 一個進程通常 (default)打開三個文件： 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進程將標(biāo)準(zhǔn)輸出重新定向到管道中去； B進程將標(biāo)準(zhǔn)輸入重新定向從管道中來。 處理機執(zhí)行級 用一組特權(quán)指令給處理機設(shè)置一個執(zhí)行級 ，以屏蔽同級和低級的中斷，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；但開放更高級的中斷，以響應(yīng)更緊迫的請求。 每個鏈接名可以放在不同的目錄下（同一個文件系統(tǒng)下）； ? “普通鏈結(jié)”中各名字必須在同一文件系統(tǒng)中，“符號鏈結(jié)” 可在不同的文件系統(tǒng)中。 A進程 B進程 file表 活動 inode表 用戶打開文件表 系統(tǒng)打開文件表 活動 i節(jié)點表 為什么要單獨設(shè)立一個 file表來存放讀寫指針呢？ 由于可能有多個進程要共享一個被打開文件的inode，而每個進程的 讀寫指針都不相同 ，故不能放在 inode表中。它包括存儲器映象、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 正文段 —— 程序的功能代碼 數(shù)據(jù)標(biāo)識段 —— 標(biāo)識未初始化的數(shù)據(jù)要占用的空間大小 其它信息段 —— 主要用于存放符號表 2. 程序的執(zhí)行 一個進程在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用 exec時，把可執(zhí)行文件裝入本進程的三個區(qū)域中： 正文區(qū) ：對應(yīng)可執(zhí)行文件的正文段 數(shù)據(jù)區(qū) ：對應(yīng)可執(zhí)行文件的數(shù)據(jù)標(biāo)識段 堆棧區(qū) ：新建立的進程工作區(qū) 堆棧主要用于 傳遞參數(shù)，保護現(xiàn)場，存放返回地址以及為局部動態(tài)變量 提供存儲區(qū)。 int temp。 運行 睡眠 就緒 喚醒 中斷 5. 在 UNIX環(huán)境下，進程有如下特征： ① 每個進程在 核心進程表 （ proc數(shù)組）都占有一項，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 標(biāo)識緩沖區(qū) 塊號 union{ 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)塊 超級塊 柱面塊 i節(jié)點塊 }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)計采用模塊化和層次化結(jié)構(gòu)，盡量避免使用 goto語句，程序跳轉(zhuǎn)少，適應(yīng)“流水線（ pipeline）”體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)； ② 特定時間段內(nèi)，程序在一個相對集中空間（代碼段）內(nèi)運行，涉及的數(shù)據(jù)（廣義的：文件名、變量、指針和數(shù)組等）的個數(shù)相對較少； ③ 當(dāng)前使用過的數(shù)據(jù)，馬上還要使用的可能性最大，較長時間未用過的數(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)出錯時才掛到鏈頭。 hashno = ((diskno + blkno) / RND) % BUFHSZ diskno： 設(shè)備號 blkno： 塊號 BUFHSZ： 最大 hash值，通常為 63。不存在脫離 hash鏈表的另一個空閑的緩沖區(qū)鏈表。本進程不再關(guān)心該緩沖區(qū)實際被寫出的時間和結(jié)果，而直接返回去作其它事情。 每個文件都是由一個索引節(jié)點 i節(jié)點來表示的，每個 i節(jié)點由其 i節(jié)點號來標(biāo)識。 系統(tǒng)根據(jù)計算出來的邏輯塊號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；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 i節(jié)點鏈接在同一個 hash鏈表中，這樣內(nèi)存中就有 64個 hash鏈表，每個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，按存儲單位來劃分，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。 2 。 /*目錄項 i節(jié)點號 */ char d_name [MAXNAMELEN]。前一個目錄項釋放時，把該目錄項的空間全部合并到前一個目錄項中，形成前面一個目錄項占用空間大于實際使用的空間。