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操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 第9章 Linux系统概述 Linux系统的发展和特性 Linux系统的用户接口 Linux系统的进程管理 Linux进程的同步与通信 Linux存储器管理 Linux设备管理 Linux文件管理 Linux系统安全性 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 9.1 Linux系统的发展和特性 Linux诞生的故事 Linux与UNIX之间的渊源 什么是GUN，什么是GPL 什么是自由软件 Linux的发展历程 Linux目前的应用情况 Linux在我们国内发展和应用的情况 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 到底什么是 Linux Linux是类UNIX的操作系统，诞生于1990 年。它可运行于多种硬件平台、支持多种系统 软件和应用软件，支持所有标准因特网协议， 网络功能相当强。Linux继承了UNIX的许多优 点，且在许多方面进行了改进，适合应用在中 低档服务器领域，是目前因特网服务商（ISP， Internet Service Provider）所推荐的最流行的网 络操作系统。 Linux功能强大，且源代码开放，免去了使 用者对系统是否存在后门的担心，另外它还属 于自由软件，可以从某些网站或者其它途径免 费获得。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux的版本 Linux系统有内核版和发行版两种版本。 内核版本是指在Linus领导下的开发小组开 发出的系统内核的版本号，最近有Linux- 2.3.28和Linux-2.4。 发行版本可以理解为以Linux为核心的操作 系统软件包。一些组织机构或系统软件开发公 司将Linux内核同应用软件和相关文档包装起 来，并提供一些安装界面和系统设置管理工具 ，从而构成了一个Linux发行版本。如：Red Hat Linux、Mandrake Linux、Xteam Linux、 中软Linux、红旗Linux等。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux系统的功能特性 （1）开放性 （2）多用户多任务 （3）良好的用户界面 （4）设备独立性 （5）提供了丰富的网络功能 （6）良好的可移植性 （7）可靠的系统安全性 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 9.2 Linux系统的用户接口 Linux系统给用户提供了方便的使用 界面，它的用户接口形式有： （1）命令用户接口 （2）图形用户接口 （3）系统调用接口 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 9.3 Linux系统的 进程管理 Linux系统的PCB包括很多参数，每个 PCB约占1KB多的内存空间。用于表示PCB的 task_struct结构简要描述如下： 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM struct task_struct unsigned short uid; int pid; int processor; volatile long state; long priority; unsigned long rt_priority; long counter; unsigned long flags; unsigned long policy; struct task_struct *next_task, *prev_task ; struct task_struct *next_run, *prev_run ; struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_ptr ; ; 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux的进程共有六种状态 （1）可运行状态(TASK_RUNNING) （2）可中断阻塞状态(TASK_INTERRUPTIBLE) （3）不可中断阻塞状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE （4）僵死状态(TASK_ZOMBIE) （5）暂停状态(TASK_STOPPED) （6）交换状态(TASK_SWAPPING) 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux进程状态及状态转换 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 进程的创建 Linux启动时系统运行于核心态，此时仅创建一个pid号为0的idle进 程。该进程会创建一个内核线程，该线程进行一系列初始化动作后最终 会执行/sbin/init文件。文件init运行的结果使系统的运行模式从核心 态切换到了用户态，然后该线程演变为用户进程init，其pid为1。此 init进程是一个非常重要的进程，以后系统中的一切进程都是它的后代 进程。init进程启动后系统进人空闲等待状态。 init进程可以通过执行fork( )创建新进程。新进程的创建是通过复 制老进程或当前进程来实现的。fork( )函数的代码在/kernel/fork.c 中。如果fork( )执行成功，当前进程就拥有了一个子进程。创建进程 的另一种方式是通过系统调用。此类系统调用有三个：sys_clone( )、 sys_vfork( )和sys_fork( )。 进程的创建主要是完成进程基本情况的复制，生成子进程的 task_struct结构，并且复制或共享父进程的其它资源，如内存、文件 、信号等。进程实现结构复制后，若想执行与父进程不同的代码，如执 行某一个可执行文件，那就要放弃父进程的正文代码段，形成自己的执 行代码段，该工作由系统调用execve( )来完成。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 进程的撤销 当进程执行完毕即正常结束时，它调用exit( )终止自己。当进程受 到某信号如SIGKILL的作用时，也是通过执行exit( )而撤销，exit( ) 代码在/kernel/exit. c中，其主要函数为do_exit( )。同样，终止进 程的系统调用sys_exit( )也是通过调用函数do_exit( )来实现的。 进程撤销时，一方面要回收进程所占的资源，同时也要通知其父进程 。do_exit( )先释放进程所占的大部分资源，然后进人TASK_ZOMBIE状 态。进程自身只能释放那些外部资源，如内存、文件，无法释放其自身 （即task_struct结构）的。task_struct结构是由该进程的父进程或内 核初始进程调用exit_notify( )来完成的。exit_notify( )函数的工作 主要是：将进程的状态改成僵死状态；通知父进程料理后事；将退出进 程从目录树中删除。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux的线程机制 Linux是一种多线程、多任务操作系统，它符合 IEEE POXIS标准。 其线程分为两种：用户线程和内核线程，在Linux 中，这两种线程分别使用在 usr/include/asm_i386/processor.h中所定义的结 构struct thread_struct和在 usr/include/pthread/init/pthread.h中所定义的 结构struct pthread进行描述。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux调度方式 Linux内核的调度方式基本上采用“抢占式优先级 ”方式，即当进程在用户态运行时，不管是否自愿， 在一定条件下(如时间片用完或等待I/O)，核心就可 以暂时剥夺其运行而调 度其它进程进入运行。但是 ，一旦进程切换到核心态运行，就不受以上限制而一 直运行下 去，直至又回到用户态前才会发生进程调 度。 Linux系统中的调度策略基本上是以优先级为基础 的调度策略。就是说，核心为系统中每个进程计算出 一个优先权，该优先权反映了一个进程获得CPU使用 权的资格，即高优先权的进程优先得到运行。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux调度时机 通常引起Linux系统中进程调度的原因有如下几种： （1）CPU执行的进程发生状态转换 （2）就绪队列中增加了新进程。 （3）正在执行的进程所分配的时间片用完。 （4）执行系统调用的进程返回到用户态。 （5）系统内核结束中断处理返回到用户态。 （6）直接执行调度程序。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux调度算法 Linux的进程控制块PCB（task_struct）中有四个成 员：policy、priority、rt_priority和counter，其 中unsigned long policy的值表示不同类型进程的调 度策略，其取值范围为： l SCHED_OTHER（值为0）：对应普通进程优先级 轮转法(round robin)； l SCHED_FIFO（值为1）：对应实时进程先来先 服务算法； l SCHED_RR（值为2）：对应实时进程优先级轮 转算法。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux进程切换的方式 （1）自动请愿方式。即通过系统调用，将自己转换成 阻塞、僵死、暂停等状态。这样的系统调用有 sys_wait4( )、sys_nanosleep( )、sys_pause( )和 sys_exit( )等，它们都是通过直接调用schedule( )函 数来进行进程切换的。这种切换方式是可以预见的。 （2）非主动方式。进程由系统空间返回到用户空间， 即从中断、系统调用或异常返回到用户空间执行时，其 可执行的时间片已经用完，系统将转入schedule( )函 数重新调度。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux进程的通信机制 管道 (pipe)及有名管道 (namedpipe) 信号(signal) 消息队列 (message) 信号量(semaphore) 共享内存 套接字(sockets) 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 管道通信的实现方式是由内核通过共享数据页来完成的 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 无名管道的特点是： （1）管道是半双工的，数据只能向一个方向流动。管道只能用于父 子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程)的通信。 （2）单独构成一种独立的文件系统。对于管道两端的进程而言，管 道就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统， 而是自立门户，单独构成一种文件系统，并只存在于内存中。 （3）数据的读出和写入在管道的两端进行，一个进程向管道的一端 写入的内容被管道另一端的进程读出。 有名管道的特点是： 不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联。这样，即使不 存在亲缘关系的进程，也可以使用访问路径，通过有名管道相互通 信。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 从信号发送到信号处理函数的执行完毕，一个完整的 信号生命周期可由四个重要事件来刻画： l 信号的诞生。指的是触发信号的事件发生，如检测到硬件异 常、定时器超时及调用信号发送函数kill( )。 l 信号在目标进程中注册。指的是信号值加入到进程的等待 处理信号集中，只要信号在进程的等待处理信号集中，表明进程已 经知道这些信号的存在，但还没来得及处理，或者该信号被进程阻 塞。 l 信号在进程中的注销。在目标进程执行过程中，会检测是 否有信号等待处理。如果存在待处理信号且该信号没有被进程阻塞 ，则在运行相应的信号处理函数前，要把信号在进程中注销。 l 信号生命终止。进程注销信号后，立即执行相应的信号处理 函数，执行完毕后，信号的本次发送对进程的影响彻底结束。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux把信号量、消息和共享内存定义为 System V的IPC对象。 struct ipc_perm key_t key; /*整型，为0时表示private，非0时表示public*/ ushort uid; /*资源拥有者的有效标识*/ ushort gid; /*资源拥有者所在组的有效标识*/ ushort cuid; /*资源创建者的有效标识*/ ushort cgid; /*资源创建者所在组的有效标识*/ ushort mode; /*访问模式，其含义同文件访问模式*/ ushort seq; /*序列号*/ ; 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux中表示消息的结构中含有指向下一条 消息的指针msg_next，每个消息队列均为一个 单向链表。消息队列的组织形式如图 。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux信号量数据结构如图 。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux 共享内存结构 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux物理内存地组织示意图 9.5 存储器管理 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux虚拟内存 每个进程空间通过进程的页目录和页表实现与物理 内存间的映射。进程需要空间时并不开始分配物理内存 ，而是分配一块虚拟空间，直到真正需要对物理内存进 行操作时才通过请求调入页面机制分配物理内存。 虚拟内存以页为基本单位，大小与物理页帧相等。 386下进程的线性地址为32位，分为图示的三个 部分。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 线性地址到物理地址的转换 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 对进程虚拟空间的管理，Linux采用了请求页式技术 。标准Linux的虚拟页表应为三级页表，依次为页目表 （PGD，Page Directory）、中间页表（PMD：Page Middle Directory）和页表（PTE：Page Table）。 Linux的三级页表结构 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 进程虚拟空间管理使用的数据结构 及其关系示意图 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 导致页面异常的原因主要有： （1）编程错误：可分为内核程序错误和用户程 序错误。 （2）操作系统故意引发的异常：操作系统合理 利用硬件机制在适当时间触发异常，使得该异 常的处理程序被调用以达到预期目的。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux虚存的保护 （1）多任务及保护 Linux允许每个用户最多可运行256个任务。Linux使用了四级保护 机制：0级供操作系统内核使用；1级供系统调用使用；2级供共享 库用；3级供应用程序使用。Linux内核由系统内的所有任务共享。 每个任务有各自私有代码及数据区，存储在用户空间，因而对系统 中的其他任务不可见。 （2） 同一任务内的保护 在一个任务之内，定义有四种执行特权级别，用来限制对任务中 的段进行访问。这些任务按照包含在段中的数据的敏感性及任务中 不同部分的程序，按可信任的程度进行分区。最敏感的数据分配最 高的特权级别；特权级别用数字03表示，数字0表示最高特权级 别。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 9.6 设备管理 （1）Linux沿用了UNIX处理设备的做法，把设备作为文 件来处理，用户使用设备如同使用文件一样。 （2）Linux系统将设备分为字符设备、块设备和网络设 备。 （3）字符设备有终端、打印机、鼠标、声卡和内存等 ；块设备有软盘、硬盘、光盘和其他可移动存储设备等 。 （4）字符设备一般只允许顺序访问。而块设备可以随 机访问，任何对块设备的读写都是通过系统内存的缓冲 区进行。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 在Linux中，设备驱动程序是一组相关函数的集合，含设 备服务子程序和中断处理程序。设备服务子程序包含了所 有与设备相关的代码。设备驱动程序利用结构 file_operations与文件系统联系，因为对设备的各种操作的 入口参数都放在file_operations中。对于一些特定的设备， 其入口为NULL。 Linux的设备驱动程序的主要功能有： 对设备进行初始化； 使设备投入运行和退出； 从设备接收数据并将其送入内核； 从内核将数据送到外设； 检测和处理设备完成任务和出错情况。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM Linux的设备驱动程序与外设的接口与DDI/DKI 规范相似，可分为如下三部分： （1）驱动程序与系统引导的接口。这是通过数据结构 file_operations完成。 （2）驱动程序与设备引导的接口。这部分利用驱动程序 对设备进行初始化。 （3）驱动程序与设备的接口。这部分描述了驱动程序如 何与设备进行交互，这与具体设备相关。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 块设备驱动程序与缓冲区 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 内核中设置了一个结构数组blk_dev，该数组中的元素是 blk_dev_struct数据结构。blk_dev_struct结构中含有一个设 备驱动程序请求函数的地址和一个指向request数据结构的 指针。每一个request数据结构代表一个数据块缓冲区的读 写请求，都含有一个指向一个或多个buffer_head的数据结 构的指针。每一个buffer_head表示一个读写请求及相应的 数据块缓冲区，其中包含了驱动程序读写所需要的所有信 息，如图9-13所示。在等待数据时， buffer_head结构是被 锁住的，直到设备驱动程序请求完成才解锁。因此，可能 有进程等待这个数据块缓冲区操作的完成。如果有一个请 求（request）被加在一个空的请求队列上，设备驱动程序 的请求函数将立即被调用来处理这个请求队列。否则，驱 动程序将顺序地处理请求队列中的所有请求。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 9.7 文件管理 Linux为了支持多种不同的文件系统，引人了纯软件 中间层VFS，即虚拟文件系统(VFS，Virtual File System)，使文件子系统的可扩展性、可维护性变得更 好。 Linux支持多种文件系统，如EXT2、VFAT、ISO9660等 。VFS是内核软件层。它为用户空间的程序提供了诸如 open( )、read( )之类的统一编程接口，同时屏蔽了不 同文件系统之间的差别，如图所示。 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 操 作 系 统 二十一世纪计算机本科教育 OPERATING SYSTERM VFS中的主要数据结构 （1）超级块（super_block）：存储已安装文件系统的信息，通常 对应磁盘文件系统的文件系统控制块。 struct super_block struct list_head s_list; /*将所有的超级块链接起来*/ kdev_t s_dev; /*所在设备的标识*/ unsigned long s_blocksize; /