《UNIX内核分析》课件2

UNIX内核分析深入探索UNIX操作系统内核的奥秘。从系统启动、内存管理、进程管理等方面进行全面解析。UNIX操作系统简介起源与历史UNIX起源于20世纪70年代，由贝尔实验室的肯·汤普森和丹尼斯·里奇开发，最初是用于小型机。多任务和多用户UNIX支持多任务和多用户，允许多个用户同时访问系统资源，并运行多个程序。命令行界面UNIX使用命令行界面，用户通过输入命令来控制系统，提供灵活性和强大的功能。内核的概念及作用内核是操作系统的核心，管理硬件资源并为应用提供服务。内核直接与硬件交互，控制CPU、内存、磁盘等资源。内核负责处理网络连接，实现进程间通信，保障系统安全。内核提供系统调用接口，供应用程序调用以访问底层资源。内核的基本组成进程管理创建、终止、挂起、恢复进程。负责进程调度，分配处理器时间。内存管理分配、回收内存空间。负责地址空间管理，虚拟内存管理，页面置换算法。文件系统管理文件和目录，组织、存储和检索数据。负责文件控制块管理、目录管理。设备管理管理系统中的各种硬件设备。负责设备驱动程序、缓冲区管理、中断处理。进程管理1创建进程使用fork()函数创建新的进程2调度进程操作系统选择并执行一个进程3终止进程使用exit()函数终止进程4通信进程进程之间相互交换信息5同步进程协调多个进程之间的执行顺序进程状态1运行状态进程正在使用CPU资源执行代码。2就绪状态进程已准备好运行，但目前没有可用CPU资源。3阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成。4终止状态进程已经完成执行并被系统清除。进程控制块进程控制块进程控制块（PCB）是操作系统用于管理进程的重要数据结构。它包含了进程运行所需的所有信息，例如进程ID、进程状态、内存地址、CPU寄存器等。进程状态PCB中记录了进程的当前状态，例如就绪、运行、阻塞、终止等。操作系统根据进程状态来调度进程。内存地址PCB包含了进程在内存中的地址信息，以便操作系统可以访问进程的数据和代码。其他信息PCB还包含了其他一些信息，例如进程优先级、进程创建和终止时间等。进程调度1调度目标最大化系统吞吐量最小化平均响应时间保证实时进程的及时响应2调度算法先到先服务(FCFS)最短作业优先(SJF)优先级调度时间片轮转3调度策略抢占式调度非抢占式调度内存管理1物理内存计算机系统中的实际内存2虚拟内存通过硬盘空间扩展物理内存3内存分配为进程分配内存空间4内存回收释放不再使用的内存操作系统负责管理计算机系统的内存资源。虚拟内存是通过将硬盘空间用作内存扩展的一种技术。内存分配是将可用内存分配给不同的进程，内存回收则负责释放不再使用的内存。虚拟内存概念虚拟内存是一种内存管理技术，它将物理内存和磁盘空间组合在一起，为应用程序提供更大的地址空间。通过这种技术，操作系统可以允许程序使用比物理内存更多的内存，从而提高系统效率和资源利用率。机制虚拟内存利用了分页机制，将程序的虚拟地址空间划分为固定大小的页面，并将这些页面映射到物理内存和磁盘空间上的页面帧。当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会检查该地址对应的页面是否在物理内存中。如果不在，就会将该页面从磁盘空间加载到物理内存中。页面置换算法时间局部性程序在一段时间内倾向于访问最近访问过的页面。空间局部性程序在一段时间内倾向于访问与最近访问过的页面相邻的页面。页面置换算法当内存不足时，选择哪个页面替换出内存。文件系统组织文件文件系统管理着操作系统中所有文件和目录，提供对这些文件的存储和访问。层次结构文件系统以树形结构组织文件，每个目录都包含子目录和文件。数据管理它负责创建、读取、写入、删除文件，以及其他文件操作，确保数据安全和一致性。命名空间通过为每个文件提供唯一的名称，文件系统帮助用户方便地管理和访问各种文件。文件组织形式线性文件结构文件以连续的线性地址空间组织，文件以字节为单位存储，数据按照顺序排列。索引文件结构文件存储在磁盘上的多个分散的块中，索引节点记录文件数据块的地址。链接文件结构每个文件块包含指向下一个数据块的指针，形成链表结构，允许文件分散存储。混合文件结构结合多种文件结构的优点，例如，使用索引节点记录文件信息，但采用链接方式管理文件块。文件控制块11.文件信息包含文件名、文件大小、文件类型、访问权限等信息。22.文件位置记录文件在磁盘上的物理地址，方便系统快速定位和访问。33.文件状态表示文件当前的状态，如打开、关闭、被修改等。44.文件指针指向文件内容的当前位置，用于控制文件读取和写入操作。目录管理树形结构文件系统采用树形结构组织目录和文件，每个目录都是一个节点，根目录是树的根节点。目录操作内核提供了一组目录管理函数，允许用户创建、删除、重命名和访问目录。目录条目每个目录条目包含文件名、文件类型、文件大小、文件访问权限等信息。设备管理1设备抽象统一接口，屏蔽设备差异。2设备驱动为特定设备提供控制和管理。3设备分配为进程分配和管理设备资源。4设备独立性应用程序无需关注设备细节。设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和控制各种硬件设备。设备驱动程序是设备管理的核心，它为特定设备提供控制和管理功能，并与操作系统内核交互。缓冲区高速缓存提高效率缓冲区高速缓存用于存储最近访问的磁盘数据，减少磁盘访问次数，提升系统性能。减少延迟通过缓存数据，减少了从磁盘读取数据的时间，降低了应用程序的延迟。优化数据管理缓冲区高速缓存管理磁盘数据的读写操作，提高了数据访问效率。输入输出系统1设备驱动程序设备驱动程序为内核提供与硬件设备进行交互的接口。2缓冲区管理缓冲区用于在内核和设备之间传递数据，提高数据传输效率。3中断处理中断处理机制允许设备向内核发送信号，通知内核设备已完成操作。4系统调用系统调用提供用户程序与内核交互的接口，例如文件读写、网络通信等。系统调用1用户程序用户程序发起系统调用请求。2系统调用接口提供系统调用函数库，供用户程序使用。3内核代码内核代码执行系统调用请求。4硬件执行系统调用相关的硬件操作。系统调用是用户程序与操作系统内核之间的接口，提供了一套标准的机制，允许用户程序访问内核的资源和服务。系统调用在程序执行过程中，如果需要访问内核资源或执行内核功能，例如文件读写、进程创建或内存分配，用户程序就会通过系统调用请求操作系统内核执行相应的操作。信号机制信号处理程序进程可以设置信号处理程序来响应特定信号。当信号到来时，进程可以执行相应的处理逻辑，例如终止进程、忽略信号或执行自定义操作。信号阻塞进程可以暂时阻止某些信号，防止它们中断当前执行的代码。这允许进程完成关键操作，避免意外行为。信号传递信号可以从一个进程传递到另一个进程，例如使用kill命令或管道通信。这允许进程之间相互发送信号，实现进程间的协作。锁机制互斥锁互斥锁是一种常见的同步机制，可以确保在任何时间只有一个线程可以访问共享资源。自旋锁自旋锁是一种非阻塞同步机制，线程在获取锁时会不断循环检查锁状态，直到成功获得锁。读写锁读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只有单个线程可以写入。条件变量条件变量用于线程之间的通信，可以使线程在等待特定条件发生时阻塞，直到条件满足。同步原语互斥锁互斥锁用于保护共享资源，同一时间只允许一个线程访问。当一个线程获取锁后，其他线程必须等待锁释放才能访问。互斥锁是常用的同步原语，可有效防止竞争条件。条件变量条件变量用于线程之间的通信，允许线程等待特定条件满足后再继续执行。条件变量必须与互斥锁配合使用，用于通知等待线程条件已经改变。死锁原因及预防资源竞争多个进程竞争有限的资源，例如内存、CPU时间或打印机，会导致死锁。循环等待进程A等待进程B持有的资源，进程B等待进程C持有的资源，以此类推，最终形成循环等待，导致死锁。互相排斥每个资源只能由一个进程使用，其他进程需要等待，否则无法获取该资源，可能会导致死锁。中断处理硬件中断硬件中断由硬件设备触发，例如磁盘完成读写操作、键盘输入或网络接口收到数据包。软件中断软件中断由操作系统或应用程序触发，用于执行系统调用或模拟硬件中断。中断处理程序中断发生时，CPU会保存当前状态，并跳转到相应的中断处理程序，执行特定操作。中断返回处理完中断后，中断处理程序恢复之前保存的CPU状态，并返回到中断发生前的程序继续执行。系统引导过程1加电自检系统加电后，首先进行自检，检查硬件是否正常工作。2引导加载程序从硬盘或其他存储设备加载引导加载程序，它负责初始化系统并加载内核。3内核加载引导加载程序将内核加载到内存并启动内核，内核开始执行系统初始化，并进入用户模式。启动文件系统文件系统初始化加载文件系统相关的模块并初始化数据结构，如文件系统类型、超级块、目录树等。挂载文件系统将文件系统挂载到指定目录，使系统能够访问文件系统中的数据。根文件系统根文件系统是系统启动后第一个被挂载的文件系统，包含引导程序和基本系统文件。内核编译与配置1配置内核使用makemenuconfig命令进入配置界面，选择需要的功能模块2编译内核使用make命令编译内核，生成可启动的内核镜像3安装内核将编译好的内核镜像安装到目标系统，完成内核的更新或升级Linux内核源码分析内核源码结构Linux内核代码由多个子系统组成，例如进程管理、内存管理、文件系统等。每个子系统由多个模块组成，模块之间相互依赖，共同完成内核的功能。代码阅读方法从核心模块入手，例如进程调度、内存管理等。使用调试工具，例如gdb和kprobe，跟踪内核代码执行流程。常用工具make：编译内核源码，生成内核镜像。gdb：调试内核代码，跟踪代码执行流程。内核调试技术1内核调试工具GDB、KGDB、KDB是常用的内核调试工具，用于跟踪内核代码执行过程，定位错误。2调试方法单步执行、断点设置、变量查看、堆栈跟踪等调试方法，帮助分析内核行为，排查问题。3调试技巧利用系统日志、内核模块信息、调试符号等信息