十章UNIX系统内核结构教学提纲

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1、第十章 UNIX系统内核结构,10.1 UNIX系统概述 10.2 进程的描述和控制 10.3 进程的同步与通信 10.4 存储器管理 10.5 设备管理 10.6 文件管理,10.1 UNIX系统概述,10.1.1 UNIX系统的发展史,10.1.2 UNIX系统的特征,开放性 2) 多用户、 多任务环境 3) 功能强大， 实现高效 4) 提供了丰富的网络功能 5) 支持多处理器功能,10.1.3 UNIX系统的内核结构,图 10-1 UNIX核心的框图,2. 文件子系统,文件管理。 (2) 高速缓冲机制。 (3) 设备驱动程序。,10.2 进程的描述和控制,10.2.1 进程控制块PCB,

2、在UNIX系统中， 把进程控制块分为四部分： (1) 进程表项。 (2) U区。 (3) 进程区表。 (4) 系统区表。,1. 进程表项(Process Table Entry),进程标识符(PID)。 (2) 用户标识符(UID)。 (3) 进程状态。 (4) 事件描述符。 (5) 进程和U区在内存或外存的地址。 (6) 软中断信息。 (7) 计时域。 (8) 进程的大小。 (9) 偏置值nice。 (10) P-Link指针。 (11) 指向U区进程正文、 数据及栈在内存区域的指针。,2. U区(U Area),进程表项指针。 (2) 真正用户标识符u-ruid(real user ID)

3、。 (3) 有效用户标识符u-euid(effective user ID)。 (4) 用户文件描述符表。 (5) 当前目录和当前根。 (6) 计时器。 (7) 内部I/O参数。 (8) 限制字段。 (9) 差错字段。 (10) 返回值。 (11) 信号处理数组。,3. 系统区表(System Region Table),区的类型和大小。 (2) 区的状态。 (3) 区在物理存储器中的位置。 (4) 引用计数。 (5) 指向文件索引结点的指针。,4. 本进程区表(Per Process Region Table),图 10-2 进程区表项、系统区表项和区的关系,图 10-3 进程的数据结构,1

4、0.2.2 进程状态与进程映像,1. 进程状态,图 10-4 进程的状态转换,2. 进程映像,用户级上下文 2) 寄存器上下文 程序寄存器。 (2) 处理机状态寄存器(PSR)。 (3) 栈指针。 (4) 通用寄存器。 3) 系统级上下文 静态部分。 (2) 动态部分。,10.2.3 进程控制,1. fork系统调用,为新进程分配一个进程表项和进程标识符。 (2) 检查同时运行的进程数目。 (3) 拷贝进程表项中的数据。 (4) 子进程继承父进程的所有文件。 (5) 为子进程创建进程上下文。 (6) 子进程执行。,2. exec系统调用,图 10-5 exec 的参数组织方式,3. exit系

5、统调用,通常，父进程在创建子进程时，应在进程的末尾安排一条exit，使子进程能自我终止。内核须为exit完成以下操作： (1) 关闭软中断。 (2) 回收资源。 (3) 写记账信息。 (4) 置进程为“僵死”状态。,4. wait系统调用,wait系统调用用于将调用进程挂起， 直至其子进程因暂停或终止而发来软中断信号为止。如果在wait调用前，已有子进程暂停或终止，则调用进程做适当处理后便返回。核心对wait调用做以下处理：核心查找调用进程是否还有子进程， 若无，便返回出错码；如果找到一个处于“僵死”状态的子进程，便将子进程的执行时间加到其父进程的执行时间上， 并释放该子进程的进程表项； 如果

6、未找到处于“僵死”状态的子进程，则调用进程便在可被中断的优先级上睡眠，等待其子进程发来软中断信号时被唤醒。,10.2.4 进程调度与切换,1. 引起进程调度的原因 首先，由于UNIX系统是分时系统，因而其时钟中断处理程序须每隔一定时间，便对要求进程调度程序进行调度的标志runrun予以置位，以引起调度程序重新调度。其次，当进程执行了wait、exit及sleep等系统调用后要放弃处理机时， 也会引起调度程序重新进行调度。此外，当进程执行完系统调用功能而从核心态返回到用户态时，如果系统中又出现了更高优先级的进程在等待处理机时，内核应抢占当前进程的处理机， 这也会引起调度。,2. 调度算法 进程调

7、度，在此是采用动态优先数轮转调度算法。 调度程序在进行调度时，首先从处于“内存就绪”或“被抢占”状态的进程中，选择一个其优先数最小(优先级最高)的进程。若此时系统中(同时)有多个进程都具有相同的最高优先级，则内核将选择其中处于就绪状态或被抢占状态最久的进程，将它从其所在队列中移出，并进行进程上下文的切换， 恢复其运行。,3. 进程优先级的分类 UNIX系统把进程的优先级分成两类，第一类是核心优先级，又可进一步把它分为可中断和不可中断两种。当一个软中断信号到达时，若有进程正在可中断优先级上睡眠，该进程将立即被唤醒；若有进程处于不可中断优先级上， 则该进程继续睡眠。对诸如“对换”、“等待磁盘I/O

8、”、“等待缓冲区”等几个优先级，都属于不可中断优先级；而“等待输入”、“等待终端输出”、“等待子进程退出”的几个优先级， 都是可中断优先级。另一类是用户优先级，它又被分成n+1级， 其中第0级为最高优先级，第n级的优先级最低。,4. 进程优先数的计算,其中，基本用户优先数即proc结构中的偏移值nice，可由用户将它设置成040中的任一个数。一旦设定后， 用户仅能使其值增加， 特权用户才有权减小nice的值。而最近使用CPU的时间，则是指当前占有处理机的进程本次使用CPU的时间。内核每隔16.667 ms，便对该时间做加1操作，这样，占有CPU的进程其优先数将会随着它占有CPU时间的增加而加大

9、，相应地，其优先级便随之降低。,5. 进程切换,在OS中， 凡要进行中断处理和执行系统调用时， 都将涉及到进程上下文的保存和恢复问题， 此时系统所保存或恢复的上下文都是属于同一个进程的。而在进程调度之后， 内核所应执行的是进程上下文的切换，即内核是把当前进程的上下文保存起来，而所恢复的则是进程调度程序所选中的进程的上下文，以使该进程能恢复执行。,10.3 进程的同步与通信,10.3.1 sleep与wakeup同步机制,1. sleep过程,进入sleep过程后，核心首先保存进入睡眠时的处理机运行级， 再提高处理机的运行优先级，来屏蔽所有的中断，接着将该进程置为“睡眠”状态，将睡眠地址保存在进

10、程表项中，并将该进程放入睡眠队列中。如果进程的睡眠是不可中断的，做了进程上下文的切换后，进程便可安稳地睡眠。 当进程被唤醒并被调度执行时，将恢复处理机的运行级为进入睡眠时的值， 此时允许中断处理机。,2. wakeup过程 该过程的主要功能，是唤醒在指定事件队列上睡眠的所有进程，并将它们放入可被调度的进程队列中。 如果进程尚未被装入内存，应唤醒对换进程； 如果被唤醒进程的优先级高于当前进程的优先级，则应重置调度标志。最后， 在恢复处理机的运行级后返回。,10.3.2 信号(signal)机制,1. 信号机制的基本概念 信号机制主要是作为在同一用户的诸进程之间通信的简单工具。 信号本身是一个11

11、9中的某个整数，用来代表某一种事先约定好的简单消息。信号机制是对硬中断的一种模拟。,信号机制与中断机制之间的相似之处表现为： 信号和中断都同样采用异步通信方式，在检测出有信号或有中断请求时，两者都是暂停正在执行的程序而转去执行相应的处理程序，处理完后都再返回到原来的断点；再有是两者对信号或中断都可加以屏蔽。 信号与中断两机制之间的差异是：中断有优先级，而信号机制则没有，即所有的信号都是平等的；再者是信号处理程序是在用户态下运行的，而中断处理程序则是在核心态下运行；还有，中断响应是及时的，而对信号的响应通常都有较长的时间延迟。,2. 信号机制的功能,1）发送信号 2) 设置对信号的处理方式 (1

12、) func=1时， 进程对sig类信号不予理睬， 亦即屏蔽了该信号。 (2) func=0， 即为缺省值时， 进程在收到sig信号后应自我终止。 (3) func为非0、 非1类整数时， 就把func的值作为指向某信号处理程序的指针。 3) 对信号的处理 ,10.3.3 管道机制,管道的类型 无名管道(Unnamed Pipes) 2) 有名管道(Named Pipes),2. 对无名管道的读写,对pipe文件大小的限制 2) 进程互斥 3) 进程写管道 4) 进程读管道,10.3.4 消息机制,1. 消息和消息队列 1) 消息(message),图 10-6 消息机制中的数据结构,2) 消

13、息队列,当一个进程收到由其它多个进程发来的消息时， 可将这些消息排成一个消息队列， 每个消息队列有一个称为关键字key的名称， 它是由用户指定的。 每个消息队列还有一个消息队列描述符， 其作用与用户文件描述符一样， 以方便用户和系统对消息队列的访问。 在一个系统中可能有若干个消息队列， 由所有的消息队列的头标组成一个头标数组。,2. 消息队列的建立与操作,1) 消息队列的建立 在一个进程要利用消息机制与其它进程通信之前， 应利用系统调用msgget( )先建立一个指名的消息队列。对于该系统调用，核心将搜索消息队列头标表， 确定是否有指定名字的消息队列。若无，核心将分配一个新的消息队列头标， 并

14、对它进行初始化，然后给用户返回一个消息队列描述符； 否则，它只是检查该消息队列的许可权后便返回。,2) 消息队列的操纵,(1) 用于查询有关消息队列的情况， 如队列中的消息数目、 队列中的最大字节数、 最后一个发送消息的进程的标识符、 发送时间等。 (2) 用于设置和改变有关消息队列的属性， 如改变消息队列的用户标识符、 或用户组标识符、 消息队列的许可权等。 (3) 消除消息队列的标识符。,3. 消息的发送和接收 1) 消息的发送 当进程要与其它进程通信时，可利用msgsnd( )系统调用来发送消息。 对于msgsnd( )系统调用， 核心检查消息队列描述符和许可权是否合法、消息长度是否超过

15、系统规定的长度。通过检查后，核心为消息分配消息数据区，并将消息从用户消息缓冲区拷贝到消息数据区。 分配消息首部，将它链入消息队列的末尾；在消息首部中填写消息的类型、 大小以及指向消息数据区的指针等；还要修改消息队列头标中的数据(如消息队列中的消息数、字节数等。然后，唤醒在等待消息到来的睡眠进程。,2) 消息的接收 进程可利用msgrcv( )系统调用， 从指定消息队列中读一个消息。对于msgrcv( )系统调用， 是先由核心检查消息队列标识符和许可权， 继而根据用户指定的消息类型做相应的处理。消息类型msgtyp的参数可能有三种情况：当msgtyp=0时，核心寻找消息队列中的第一个消息，并将它

16、返回给调用进程；当msgtyp为正整数时，核心返回指定类型的第一个消息；当msgtyp为负整数时，核心应在其类型值小于或等于msgtyp绝对值的所有消息中，选出类型值最低的第一个消息返回。 如果所返回消息的大小等于或小于用户的请求，核心便将消息正文拷贝到用户区，再从队列中删除该消息，并唤醒睡眠的发送进程；如果消息长度比用户要求的大， 则系统返回出错信息。,10.3.5 共享存储区机制,1. 共享存储区,图 10-7 利用共享存储区进行通信,2. 共享存储区的建立与操纵,1) 共享存储区的建立 当进程要利用共享存储区与另一进程进行通信时， 须先利用系统调用shmget( )建立一块共享存储区，并提供该共享存储区的名字key和共享存储区以字节为单位的长度size等参数。 若系统中已经建立了指名的共享存储区，则该系统调用将返回该共享存储区的描述符shmid；若尚未建立，便为进程建立一个指定大小的共享存储区。,2) 共享存储区的操纵 如同消息机制一样，可以用shmctl( )系统调用对共享存储区的状态信息进行查询，如