《UNIX内核分析》课件.ppt

UNIX 内核分析,参考教材： UNIX操作系统教程 尤晋元 西安电子科技大学出版社,前 序,UNIX系统1969年诞生，以其特有的简洁性和开放性获得赞同与青睐，已经被移植到数十种硬件平台上。 UNIX是通用的，交互式的分时系统。 UNIX系统已远远超出一个OS软件所起的作用，它在方方面面潜移默化地影响着人们对软件的设计和开发，其蕴含的设计思想至今仍然是十分值得借鉴的。,UNIX系统特点,已有技术的精选、提炼和发展，简洁实用，短小精悍，功能强大 具有分层、可装卸的文件卷系统 任何一个程序可不加改变地在前台/后台异步运行 将文件、目录和设备均统一看作文件 提供I/O缓冲技术 提供功能完备、使用灵活的命令语言 丰富的核外系统程序 采用高级语言编写，可移植性好,UNIX系统结构,UNIX核心源程序结构,以UNIX V6为例，其内核源程序约一万行，按编译方式大致分3类44个文件： .c文件：28个文件，190个可单独编译的子程序 .h文件：全局变量，14个文件 .s文件：汇编程序文件，约1000条，2个文件33个子程序,进程描述 程序状态字和通用寄存器,PDP-11程序状态字组成,进程分Kernel/User 2种运行状态，区别 进程处于不同地址空间：核心态/用户态空间 可否执行特权指令 使用不同的栈顶指针寄存器r6,进程描述 程序状态字和通用寄存器,通用寄存器 PDP-11/40有9个通用寄存器，长度16位，编号r0-r7 r0-r1：I/O参数传递 r2-r4：存放过程执行时的局部变量 r5：环境指针 r6：堆栈指针，kernel/user态各1个 r7：PC,进程描述 进程与映像(Process & Image),进程是映像的执行 映像是计算机的执行环境，一个映像包括 存储映像 通用寄存器的值 打开文件的状态 当前目录 其他信息,进程描述 进程的存储影响,进程映像中最为关键的部分是存储映像。 存储映像由5部分组成： 进程控制块PCB 共享正文段 数据段 共享内存段 工作区,进程控制块PCB,Unix为了节省PCB所占主存，PCB分为2部分 常驻内存部分：Proc结构。包含进程调度必须的信息； 非常驻内存部分： User结构。包含进程运行时才要用到的更多其他信息，它随用户程序和数据部分换进/换出主存。 User区的字段只能由正在运行的进程存取。即只有占用CPU的进程才能访问属于当前进程的私有User区。 整个系统有一个进程表，称为Proc数组。Unix系统最多有50个进程； 每个进程有专用的User区，但核心根据进程页表，通过地址映射机构，可访问当前进程的User区。(好像系统中仅有一个User区),共享正文段,是指可由多个进程共享的区域，包括 纯代码形式的程序 参数 一个进程的正文段也可以不存在,数据段,指进程执行时用到的数据，包括 外部变量 静态局部变量 常数 如果进程执行的程序为非共享的，也可以构成数据段的一部分，可被用户态进程读、写、执行,工作区,进程的用户栈和核心栈分别为进程用户态和核心态下运行的工作区 用于函数调用时的常数传递，现场保留，返回地址保存，局部变量存储等,进程映像在存储器中的分布,PDP-11/40最多配置248K内存，进程映像分为常驻/非常驻内存部分 常驻部分：Proc，共享正文段的控制信息块 非常驻部分：数据段，共享正文段，工作区。 Unix将除了共享正文段以外的其他部分作为一个整体处理，(结构见下页) 无论在主存还是在盘交换区，该部分占用连续存储区 作为整体入/出主存 Unix设置text数组(共40个元素)管理所有可共享正文段，表目内容主要有：共享正文段外存地址，段长度，共享该段的进程数等,非常驻部分的分布结构,ppda区只有核心态进程可以访问,进程的数据结构 进程的基本控制块/Proc结构,Struct proc (主要部分) int p-pid; /*唯一标识一个进程的整数：0 215-1 int p-ppid; /*父进程标识数 char p-uid; /*用户标识符UID，由高级用户分配 char p-stat; /*进程当前状态 char p-flag; /*表示进程映像是否在主存/盘交换区 char p-pri; /*-100+127。值越小，优先权越高 char p-time; /*调度驻留时间：进程映像最近一次入/出主存后的时间 char p-cpu /*CPU使用情况 char p-nice; /*偏置值：计算进程优先权时使用，可由用户设置 char p-sig; /*进程接收的信号类型数：0 19，0 13系统定义 int p-addr; /*ppda区的起址(单位是字符块数)：内存64B/块，外存512B/块 int p-size; /*除共享正文段外，可交换映像长度 int p-wchan; /*睡眠原因：原因消失，则唤醒 int p-textp; /*指向text结构的指针 procNproc ; /* Nproc是系统可容纳的最大进程数/50,进程的数据结构 进程的扩充控制块/User结构(1),每个进程User结构的虚拟起始地址都是u=14000。操作系统通过编译、链接给u变量赋值，其地址空间对应核心空间第7页，其物理地址可以映射到主存中各进程的user结构。 User结构含有当进程换出内存候不需要访问的所有数据,进程的数据结构 进程的扩充控制块/User结构(2),Struct user (主要部分) int u-rsav2; /*调度进程的正常保留区：r5，r6 int u-qsav2; /*中止系统调用的越级返回保留区 int u-ssav2; /*fork时恢复子进程运行的保留区 char u-segflg; /*I/O标志，0/1/2分别为：用户数据/系统/用户指令空间 char u-error; /*出错返回码 char u-uid; /*有效用户标识号 char u-gid; /*有效用户组标识号 char u-ruid /*实际用户标识号 char u-rgid; /*实际用户组标识号 int u-procp; /*指向本进程的proc结构指针 char *u-base; /*I/O基址，文件传输中表示主存地址，R/W-目标/信息源指针 char *u-count; /* I/O字节数 char *u-offset2; /*文件传输中表示文件内相对位移量(字节) char *u-cdir; /*当前目录项i节点指针 char u-dbufDIRSIZE; /*保留当前用到的文件路径名 char *u-dirp; /*当前目录文件名指针,进程的数据结构 进程的扩充控制块/User结构(3),Struct int u-ino /* i结点号 /*该结构保存一个文件目录项 char u-nameDIRSIZE; /*该文件路径名分量 u-dent; int *u-pdir; /*父目录项i结点指针 char u-uisa16; /*存放本进程用户空间地址寄存器内容 char u-uisd16; /*存放本进程用户空间说明寄存器内容 char u-ofileNOFILE; /*用户打开文件表，共15个表目 char u-arg5; /*用户传入的自变量 char u-tsize /*本进程正文段块数 char u-dsize; /*本进程数据段块数 int u-ssize; /*本进程堆栈段块数 char u-signalNSIG; /*软中断处理程序入口表，20个表目 char u-utime; /*进程用户态下运行时间 char u-stime; /*进程核心态下运行时间 char u-cutime; /*已中止子进程用户态下运行时间总和 char u-cstime; /*已中止子进程核心态下运行时间总和 char u-intflag; /*系统调用是否执行完成标志 u;,进程的数据结构 共享正文段/text结构,Struct text int x-daddr; /*共享正文段在盘交换区的起始地址 int x-caddr; /*共享正文段在内存中的起始块号(*64=起始地址) int x-size; /*共享正文段长度 char x-count /*共享该正文段的进程数 char x-ccount; /*共享该正文段，且映像在内存的进程数 int *x-iptr; /*指向正文段所在文件的inode指针 textNTEXT; 一般NTEXT=40 如果有某正文段的共享进程映像在内存中，则该共享正文段一定在内存中,进程映像的基本结构图,进程的状态,进程在其生命周期的不同时刻有不同状态；同一时刻不同进程有不同状态 Unix系统中，进城的完整状态有9种。 (转换图见下一页) 创建状态 内存就绪 就绪且换出：新创建/原就绪进程，因内存紧张而换出 核心态执行 用户态执行 内存中睡眠：执行I/O操作进程，等待 睡眠且换出：内存紧张时，睡眠进程首先被换出 被剥夺状态：进程被调度程序剥夺了处理机后的状态 僵死状态：类似于中止状态,进程状态转换图,进程状态转换说明,进程执行系统调用、I/O终端、时钟中断后，进入核心态运行。2种不同状态运行的主要差别： 进程访问的内存空间的对象受到限制。 核心态运行时，不允许被剥夺；而用户态运行可以被剥夺(核心态运行完成，欲返回用户态时可被剥夺)；核心态运行时，可被高优先级核心态进程中断。 就绪与被剥夺(preempted)状态是等效的，他们在同一队列等待再次调度 处于运行状态的进程包括：正在处理机上执行和就绪队列进程,进程上下文,进程上下文由三部分组成： 用户级上下文：正文，数据，堆栈，共享内存段 寄存器上下文： PC,PS,SP,r0, 系统级上下文：Proc,User,核心栈 上下文切换时，要保证内部数据的完整性和一致性。所以切换有严格的条件： 当进程是自己进入睡眠时 系统调用/中断完成返回用户态而被剥夺 以exit退出时 Q：进程从用户态到核心态切换时，是否为上下文切换？,进程管理 Unix进程的各种调度状态(1),Unix V6中进程的调度状态有6种，由p-stat描述。 1 SSLEEP：高优先权睡眠状态 2 SWAIT： 低优先权睡眠状态 3 SRUN： 运行/可运行状态 4 SIDL： 创建子进程的中间状态 5 SZOMB：进程终止时的中间状态 6 SSTOP： 暂停/正被跟踪状态,进程管理 Unix进程的各种调度状态(2),进程标志p-flag定义为： #define SLOAD 01 映像在内存 #define SSYS 02 系统进程，应常驻内存 #define SLOCK 04 进程不能换出 #define SSWAP 010 进程正被对换 #define STRC 020 进程正被跟踪 #define STWED 040 另一跟踪标志,进程管理 运行状态(运行/就绪),当前运行进程，特点： P-stat 为SRUN P-flag 包含SLOAD标志 KISA6,KISD6指向该进程ppda区 可以在核心/用户态运行，所处存储区位置不同 就绪进程，特点： P-stat 为SRUN P-flag 可能包含SLOAD标志，也可能不包含 ppda区不是核心态第6页 运行-就绪通过系统进程swtch完成，所以转换首先一定是处于核心态,进程管理睡眠状态,等待时间发生而停止运行的一种状态，特点： P-stat 为SSLEEP或SWAIT，不参与竞争处理机 P-flag 可能包含SLOAD标志，也可能不包含 KISA6,KISD6不反映进程图像在内存的位置 睡眠原因：进程间同步与互斥引起 使用互斥资源无法满足 同步等待I/O结束 同步等待出现处理对象，如0#进程/sched暂时没有处理对象 进程间的其他同步操作，sleep(),wait() 临界区互斥,进程管理 高低优先权睡眠状态,核心态下执行sleep进入睡眠状态 P-pri由系统按照睡眠原因设置，-100-+127 SSLEEP: P-pri0，低优先权睡眠 父子进程同步：40 等低速设备I/O：10-20 唤醒：wakeup程序完成，唤醒后P-pri100。有时还要由sched完成内存/盘交换区的交换,进程调度算法 动态优先权法,Unix采用动态优先权法，采用的策略有： 核心态运行时，除非自动放弃，不重新调度，保证高速； 进程睡眠唤醒后，较其他就绪进程有高的优先权。因为该类进程将继续执行OS程序； 进程睡眠唤醒后，按照等待事件的紧迫程度，赋予不同优先权。即同一程序不同段有不同优先权； 高级用户进程较一般用户进程有较高的优先级； 使用处理机程度低、交互作用平凡的进程赋予较高优先权，以获得比较合理的响应时间。,进程调度算法 进程优先数计算方法(1),优先数确定的两种方法 设置方式：用于高/低优先权睡眠进程 计算方式：包括计算方法和计算时机 进程正在/即将转入用户态运行时，用计算方式确定其优先权 对于一般用户进程来说，用计算方式获得的优先数大于设置获得的优先数,进程调度算法 进程优先数计算方法(2),算式： p-pri=min127,(p-cpu/16+PUSER+p-nice) 说明： P-pri:字符型变量，-128+127，最低-100 PUSER:固定偏置值。设置目的是：为了使被唤醒的睡眠进程应具有的优先数相衔接。被唤醒进程优先数：-100100 V6:PUSER=100; S5:PUSER=60,进程调度算法 进程优先数计算程序,Setpri(up) /*up是proc结构指针 register *pp,p; pp=up; p=(ppp-cpu ,进程调度算法关于p-nice,P-nice反映进程具有的相对优先程度 一般用户可设置范围：020；高级用户：-12820 通过系统调用nice(priority)完成设置，代码： register n; n=u.uar0R0; /* u.uar0R0保存系统调用参数 if (n20) n=20; if (n0 ,进程调度算法关于p-cpu,P-cpu反映进程使用cpu程度 每个时钟周期+1 rt=tu/tl=tu/(tu+tnu) 其中:rt :进程使用cpu的时间比 tu:进程生成后使用cpu时间的累计值 tl:进程生成后所经时间 tnu:进程生成候不占用cpu的时间累计值,进程调度算法 计算进程优先数的3个时机,时钟中断处理程序中，每隔一秒，对所有优先数大于PUSER的进程复算优先数； 陷入处理结束前，重新计算本进程优先数； 现进程执行时钟中断处理程序时，如果中断前为用户态，每隔一秒，重新计算本进程优先数。,进程调度算法 进程切换调度的2个时机(1),当前运行进程不再具备运行条件，自动放弃CPU 进程结束 进程等待 子进程进入暂停状态，等待父进程处理 执行进程申请扩充主存，无法满足，入盘交换区 执行进程要求调入某一共享正文段，则先将该进程图像调出，等到适当时机按下列顺序调入： 共享正文段，ppda，数据段，用户栈段,进程调度算法 进程切换调度的2个时机(2),系统中存在较当前执行进程更适宜占用CPU的进程，于是系统在中断/陷入处理末尾强迫当前运行进程放弃CPU 强迫调度标志是runrun，它的设置时机为： 睡眠进程被唤醒，或被暂停运行进程变为运行状态时，发现其优先权高于现运行进程 Setpri程序中，发现计算所的进程优先数高于当前运行进程被调度运行时的优先数/curpri。下列2种情况现运行进程计算所的优先数大于原先值： 进程由核心态变为用户态 用户态下运行进程已占用了一段处理机时间，使p-cpu增大,进程调度算法 进程切换调度程序swtch,Swtch任务：选择进程占用CPU，保存/恢复现场 Swtch执行可能涉及三个处于核心态的进程 原运行进程，即调用swtch的进程，保存现场，恢复0# 系统调度进程0# ：从内存就绪队列选一个进程占用CPU 新选中运行进程：1) 设置UISA,UISD寄存器组 2) 从核心栈中恢复PC，返回原核心态,进程的睡眠和唤醒,进程间实施互斥、同步机制时，需要进入睡眠状态 睡眠原因消失，进程被唤醒,进程睡眠sleep(),Sleep(chan,pri)可使进程进入高/低优先权睡眠 Chan：睡眠原因 Pri：睡眠后预置的优先数，0低优先权 主要工作： 设置欲睡眠进程的p-whan/原因,p-stat,p-pri，并调用swtch进行调度 rpp-wchan=chan; rpp-stat=SSLEEP/SWAIT; rpp-pri=pri 设置过程执行语句为临界区，执行前处理既优先级提高为6级(避免中断),进程睡眠sleep(),说明 若进程欲进入低优先权睡眠，首先应检测是否收到不可忽略的信号p-flag。如果收到，先转去执行信号处理程序； 系统设置runrun标志，说明是否有在盘交换区的进程准备就绪而因内存不足无法进入。 若runrun已经设置，则将低优先级睡眠进程入盘交换区，并调用sched.,睡眠唤醒