第8章实例分析：Linux操作系统知识分享

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1、8.1 Linux的处理机管理 8.2 Linux的存储管理 8.3 Linux的文件管理 8.4 Linux的设备管理,第8章 Linux操作系统,Linux操作系统实质上是UNIX的变种，它继承了多任务、多用户等这样的一些特性。,Linux 操作系统特点,本章主要内容,1、Linux的三种进程调度策略及消息队列； 2、Linux的多级页表地址转换机制； 3、Linux的文件系统Ext2和虚拟文件系统VFS； 4、Linux对字符设备和块设备的管理。,8.1.1 Linux的进程,1Linux进程的两种运行模式 在Linux里，一个进程既可以运行用户程序，又可以运行操作系统程序。 当进程运行

2、用户程序时，称其为处于“用户模式”；当进程运行时出现了系统调用或中断事件，转而去执行操作系统内核的程序时，称其为处于“核心模式”。,2、处理机状态类型,在Linux里处理机就具有两种运行状态：核心态和用户态。,3、进程概念及特征,（1）、在Linux里，把进程定义为“程序运行的一个实例” （2）、进程一方面竞争并占用系统资源（比如设备和内存），向系统提出各种请求服务；进程另一方面是基本的调度单位，任何时刻只有一个进程在CPU上运行。,4、Linux进程实体的组成,Linux中，每个进程就是一个任务（task），一般具有以下四个部分： （1）进程控制块（在Linux里，也称为进程描述符。下面统一

3、采用“进程描述符”这个称谓）。 （2）进程专用的系统堆栈空间； （3）供进程执行的程序段（在Linux里，称为正文段）； （4） 进程专用的数据段和用户堆栈空间,图8-2 Linux对进程描述符的管理,5、Linux的进程控制块进程描述符,在Linux中，进程的进程描述符是一个结构类型的数据结构：task_struct。,（1）、进程描述符组成内容,进程标识（pid）； 进程状态（state）； 进程调度信息，包括调度策略（policy）、优先级别（priority和rt_priority）、时间片（counter）等； 接收的信号（*sig）； 进程家族关系； 进程队列指针； CPU的现场保

4、护区； 与文件系统有关的信息。,6、Linux的进程状态,Linux的进程可以有五种不同的状态，图8-3给出了Linux的进程状态，以及状态间的变迁原因。,图8-3 Linux的进程状态及其变迁,7、Linux的进程状态, 可运行状态 可中断状态 不可中断状态 暂停状态 僵死状态,8、进程的创建与撤销,Linux中的每个进程，都有一个创建、调度运行、撤销死亡的生命期。 Linux系统中的各个进程，相互之间构成了一个树型的进程族系。,8.1.2 Linux的进程调度,1Linux的进程调度类型 在Linux中，进程调度被分为实时进程调度和非实时进程调度两种。,2Linux进程描述符中与调度有关的

5、字段,Linux进程描述符中，有四个字段与进程调度有关，它们是：policy、priority、rt_priority和counter。,3Linux的三种进程调度策略,Linux进程描述符中的policy字段，可以取三个值：SCHED_FIFO、SCHED_RR以及SCHED_OTHER。,（1）SCHED_FIFO实时进程的先进先出调度策略 （2）SCHED_RR实时进程的轮转调度 （3）SCHED_OTHER非实时进程的轮转调度,3Linux的三种进程调度策略,4Linux的等待队列,图8-5 Linux中的等待队列,8.1.3 Linux进程间的通信 消息队列,消息队列是进程间的一种异

6、步通信方法。所谓“异步”，即发送消息的进程在消息发出之后，不必等待接收进程做出反应，就可以去做其他的事情了。,1“消息”的数据结构,Linux中的每个消息，由两个部分组成：消息头和消息缓冲区。,图8-6 Linux的消息及消息队列结构,2“消息队列”的数据结构,Linux消息队列是struct msqid_ds型的数据结构。,3“消息队列表”的数据结构,进程间借助消息队列来传递数据，因此系统中可以建立多个消息队列。Linux是通过“消息队列表”来管理所有消息队列的。,图8-7 消息管理诸数据结构间的逻辑关系,4有关消息队列的系统调用, 创建一个新的消息队列：newque() 删除一个消息队列：

7、freeque() 向一个消息队列发送一条消息：msgsnd() 从一个消息队列中接收一条消息：msgrcv(),8.2 Linux的存储管理,8.2.1 Linux的虚拟存储空间 1Linux的虚拟存储空间 在Linux中，虚拟地址用32个二进制位表示。这意味系统向每个进程提供的虚存空间，最多可以高达232 字节= 4GB。,1、存储空间分类,Linux的内核把这样的4GB空间划分为两个部分：最高的1GB用于内核本身，称为“系统空间”，并为所有的进程共享；将较低的3GB供进程使用，称为“用户空间”。,图8-8 Linux的虚拟地址空间结构,2多级页表的地址转换,Linux在对虚拟地址空间进行

8、分页时，采用两级页表的机制：先是对虚拟地址空间进行分页，形成页表；再对页表进行分页，形成页表的页表。,2多级页表的地址转换,这样一来，不仅虚拟地址空间里的页，可以存放在内存的不连续块中；页表中的页，也能够存放在不连续的内存块里，这就是所谓的多级页表结构。这种“页表的页表”，被称为页表索引。,图8-9 Linux虚拟地址的划分,图8-10 Linux的二级页表式地址转换,3、多级索引结构,当虚拟地址用64位表示时，虚拟地址空间的页面更多，用二级索引后的页表仍然很大。因此，Linux还可以提供三级页表式的分页式结构。,8.2.2 管理虚拟存储空间的数据结构,Linux进程的各个分区可以是不连续的，

9、因此形成了若干个离散的虚拟区间。为了对它们加以管理，定义了vm_area_struct型及mm_struct型数据结构。,图8-11 Linux虚存管理的数据结构,1管理分区虚拟区间的数据结构,vm_area_struct（VMA） 一个进程虚拟存储空间中的每一个虚拟区间，都对应着一个vm_area_struct，通常被缩写为VMA。,进程的每个VMA，都代表着它的虚拟地址空间中的一个连续区间。一个进程的两个VMA绝对不会重叠。,2管理VMA的数据结构mm_struct,一个进程所有的VMA，都由mm_struct来管理。,8.2.3 管理内存空间的数据结构,在Linux存储管理中，系统设置了

10、一张存储分块表mem_map，它的每一个表项对应着一个内存块，记录着该块的有关信息。,为了记录内存各块的使用情况，Linux设置了位示图bitmap，但是，Linux并不是用bitmap来进行存储分配和释放的，而是通过所谓的“空闲区队列表”：free_area。,图8-12 Linux的空闲区队列表,8.2.4 内存区的分配和页面淘汰策略,进程提出存储请求或释放时，都要与空闲区队列表free_area进行交往。Linux是采用所谓的“伙伴（Buddy）”算法，来进行内存区的分配和释放的。 当进程提出存储请求时，Linux将大于、等于这个数目的最小2n个内存块分配出去。,图8-13 “伙伴”算法

11、的实施过程,8.3 Linux的文件管理,8.3.1 Linux文件系统的构成,所谓虚拟文件系统，就是基于多种不同的文件系统，Linux通过软件的方法，隐去它们各自的实现细节，抽象出一组标准的有关文件操作的系统调用。 把这样的系统调用提供给用户后，他们就可以使用统一的界面，去完成对各种不同文件系统中文件的操作了。,1、虚拟文件系统特点,有了虚拟文件系统之后，Linux就可以支持多种不同的文件系统了。这时的文件系统，可以看作是由两级构成：上面是用户面对的虚拟文件系统VFS，内核里面则是各个不同的文件系统。,图8-14 Linux的VFS与各文件系统之间的关系,8.3.2 Ext2对磁盘的组织,1

12、Ext2的文件类型 按照文件所含的内容，Ext2把文件分成以下3类。,1Ext2的文件类型,（1）普通文件 （2）目录文件 （3）特别文件,图8-15 Ext2文件目录项的格式,2Ext2对磁盘的组织,（1）Ext2把磁盘的分区或软盘视为一个文件卷，把其上相邻磁道的物理块称为所谓的“块组”。 （2）一个文件卷上可能有多个块组。在一个块组上，可以存放普通文件的信息，存放目录文件的信息，存放文件的inode节点，当然还应该存放对块组的管理信息。,图8-16 Ext2块组的组织结构,2Ext2对磁盘的组织,（1）数据区 （2）索引节点表 （3）索引节点位图 （4）盘块位图 （5）组描述符 （6）超级

13、块,图8-17 Ext2索引节点位图与索引节点表的关系,8.3.3 Ext2文件的物理结构,在把文件存储到磁盘上时，Ext2采用的是索引式结构，即通过该文件inode节点里的数组i_block ，建立起文件的逻辑块号与相应物理块号之间的对应关系，形成文件存储的索引表。,1小型文件的索引结构,当一个文件的长度在112个磁盘块之间时，在Ext2里就称为小型文件。 这时，用文件inode节点里数组i_block 的前12个元素i_block0i_block11，直接给出文件数据存放的磁盘块号。,2中型文件的索引结构,当一个文件的长度超过12个磁盘块时，在Ext2里就称为中型文件。 这时，除了需要用到

14、文件inode节点里数组i_block 的前12个元素，直接给出12个磁盘块外，还需要使用它的第13个元素i_block12，形成一次间接索引。,图8-18 Ext2小型、中型文件的索引结构,3大型和巨型文件的索引结构,当一个文件所需磁盘块数超过b/4+12时，就成为一个Ext2的大型文件。 这时除了用到i_block0i_block11外，要用到i_block12 形成一次间接索引，还要用到i_block13形成二次间接索引。,图8-19 Ext2的大型文件索引结构,3大型和巨型文件的索引结构,当一个文件所需的磁盘块数大于(b/4)*(b/4)+(b/4)+12个时，就成为Ext2的巨型文件

15、了。 这时除了用到i_block0i_block11外，要用到i_block12，要用到i_block13，还要用到i_block14，以形成三次间接索引。,8.3.4 虚拟文件系统VFS的数据结构,Linux的VFS既然是虚拟的，因此它不是一个实际的文件系统，磁盘上并没有一个VFS存在。Linux的VFS随系统的初启而建立，随系统的关闭而消逝。 为了管理所有安装的文件系统，VFS通过使用描述整个VFS的一组数据结构，以及描述实际安装的文件系统的数据结构，来处理实际文件系统之间的各种差别，达到管理的目的。,8.3.4 虚拟文件系统VFS的数据结构,1超级块（super_block） 2索引节点

16、（inode） 3file结构 4flies_struct结构 5vfsmount结构,图8-20 task_struct、files_struct、file、file_operations之间的关系,图8-21 vfsmount单链表的结构,8.4 Linux的设备管理,在Linux里，把I/O设备都当作文件来处理，称它们为特别文件或设备文件。,8.4.1 Linux设备管理概述,图8-22 Linux设备驱动的分层结构示意,外部设备分类,1字符设备（character device） 2块设备（block device） 3网络设备（net device）,8.4.2 Linux对字符设备的管理,Linux为了对字符设备进行管理，设置了如下的一些数据结构。 1device_struct结构 2chrdevs结构数组,图8-23 字符设备数据结构间的关系示意,8.4.3 Linux对块设备的管理,1块设备管理的数据结构 （1）device_struct结构 （2）blkdevs结构数组,2对块设备输入/输出请