第9章操作系統(tǒng)接口

1、1 1第九章 操作系統(tǒng)接口第九章第九章 操作系統(tǒng)接口操作系統(tǒng)接口9.1 用戶接口9.2 Shell 命令語(yǔ)言9.3 聯(lián)機(jī)命令接口的實(shí)現(xiàn)9.4 系統(tǒng)調(diào)用的概念和類型9.5 UNIX系統(tǒng)調(diào)用9.6 系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)2 2第九章 操作系統(tǒng)接口9.4 系統(tǒng)調(diào)用的概念和類型通常，在OS的核心中都設(shè)置了一組用于實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的子程序(過(guò)程)，它們是OS系統(tǒng)本身程序模塊中的一部分。為了保護(hù)操作系統(tǒng)程序不被用戶程序破壞，一般都不允許用戶程序訪問(wèn)操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，所以也不允許應(yīng)用程序采用一般的過(guò)程調(diào)用方式來(lái)直接調(diào)用系統(tǒng)過(guò)程系統(tǒng)過(guò)程，而是向應(yīng)用程序提供了一系列的系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用命令，讓應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用去調(diào)

2、用所需的系統(tǒng)過(guò)程。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用(system call)構(gòu)成了用戶程序和操作系統(tǒng)之間的接口，即程序接口程序接口。它是操作系統(tǒng)專門為用戶程序設(shè)置的，提供給程序員在編程時(shí)使用的，也用戶程序取得OS服務(wù)的唯一途徑。它是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成的。 3 3第九章 操作系統(tǒng)接口9.4.1 系統(tǒng)調(diào)用的基本概念 1. 系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行著兩類程序：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序?yàn)楸ＷC系統(tǒng)程序不被應(yīng)用程序破壞，計(jì)算機(jī)設(shè)置了兩種狀態(tài)：系統(tǒng)態(tài)(也稱為管態(tài)或核心態(tài))和用戶態(tài)(也稱為目態(tài))。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，處理機(jī)會(huì)在兩種裝態(tài)間切換。相應(yīng)地，現(xiàn)代多數(shù)操作系統(tǒng)將CPU的指令集分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令兩類。 4 4第九章

3、 操作系統(tǒng)接口(1) 特權(quán)指令所謂特權(quán)指令，就是在系統(tǒng)態(tài)時(shí)運(yùn)行的指令，是關(guān)系到系統(tǒng)全局的指令。其對(duì)內(nèi)存空間的訪問(wèn)范圍基本不受限制，不僅能訪問(wèn)用戶存儲(chǔ)空間，也能訪問(wèn)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間，如啟動(dòng)各種外部設(shè)備、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間、關(guān)中斷、清主存、修改存儲(chǔ)器管理寄存器、執(zhí)行停機(jī)指令、轉(zhuǎn)換執(zhí)行狀態(tài)等。特權(quán)指令只允許操作系統(tǒng)使用，不允許應(yīng)用程序使用，否則會(huì)引起系統(tǒng)混亂。 5 5第九章 操作系統(tǒng)接口(2) 非特權(quán)指令非特權(quán)指令是在用戶態(tài)時(shí)運(yùn)行的指令。一般應(yīng)用程序所使用的都是非特權(quán)指令，它只能完成一般性的操作和任務(wù)，不能對(duì)系統(tǒng)中的硬件和軟件直接進(jìn)行訪問(wèn)，其對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)范圍也局限于用戶空間。這樣，可以防止應(yīng)用程序的運(yùn)行異

4、常對(duì)系統(tǒng)造成的破壞。這種限制是由硬件實(shí)現(xiàn)的，如果在應(yīng)用程序中使用了特權(quán)指令，就會(huì)發(fā)出權(quán)限出錯(cuò)信號(hào)，操作系統(tǒng)捕獲到這個(gè)信號(hào)后，將轉(zhuǎn)入相應(yīng)的錯(cuò)誤處理程序，并將停止該應(yīng)用程序的運(yùn)行，重新調(diào)度。6 6第九章 操作系統(tǒng)接口2. 系統(tǒng)調(diào)用如上所述，應(yīng)用程序不能直接調(diào)用操作系統(tǒng)的過(guò)程。為此，操作系統(tǒng)提供了系統(tǒng)調(diào)用，使應(yīng)用程序可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方法，間接調(diào)用操作系統(tǒng)的相關(guān)過(guò)程，取得相應(yīng)的服務(wù)。當(dāng)應(yīng)用程序中需要操作系統(tǒng)提供服務(wù)時(shí)，如請(qǐng)求I/O資源或執(zhí)行I/O操作，應(yīng)用程序必須使用系統(tǒng)調(diào)用命令。由操作系統(tǒng)捕獲到該命令后，便將CPU的狀態(tài)從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)態(tài)，然后執(zhí)行操作系統(tǒng)中相應(yīng)的子程序(例程)，完成所需的功能。

5、執(zhí)行完成后，系統(tǒng)又將CPU狀態(tài)從系統(tǒng)態(tài)轉(zhuǎn)換到用戶態(tài)，再繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用程序。 7 7第九章 操作系統(tǒng)接口可見(jiàn)，系統(tǒng)調(diào)用在本質(zhì)上是應(yīng)用程序請(qǐng)求OS內(nèi)核完成某功能時(shí)的一種過(guò)程調(diào)用，但它是一種特殊的過(guò)程調(diào)用。它與一般的過(guò)程調(diào)用有下述的明顯差別差別：(1)運(yùn)行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)。一般的過(guò)程調(diào)用，其調(diào)用程序和被調(diào)用程序都運(yùn)行在相同的狀態(tài)系統(tǒng)態(tài)或用戶態(tài)；而系統(tǒng)調(diào)用與一般調(diào)用的最大區(qū)別就在于：調(diào)用程序是運(yùn)行在用戶態(tài)，而被調(diào)用程序是運(yùn)行在系統(tǒng)態(tài)。 8 8第九章 操作系統(tǒng)接口(2)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換通過(guò)軟中斷軟中斷進(jìn)入。由于一般的過(guò)程調(diào)用并不涉及到系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可直接由調(diào)用過(guò)程轉(zhuǎn)向被調(diào)用過(guò)程。但在運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，由于調(diào)用和

6、被調(diào)用過(guò)程是工作在不同的系統(tǒng)狀態(tài)，通常通過(guò)軟中斷機(jī)制，先由用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)態(tài)，經(jīng)核心分析后，才能轉(zhuǎn)向相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用處理子程序。(3)返回問(wèn)題。在采用了搶占式調(diào)度方式的系統(tǒng)中，在被調(diào)用過(guò)程執(zhí)行完后，要對(duì)系統(tǒng)中所有要求運(yùn)行的進(jìn)程做優(yōu)先權(quán)分析。當(dāng)調(diào)用進(jìn)程仍具有最高優(yōu)先級(jí)時(shí)，才返回到調(diào)用進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則，將引起重新調(diào)度，以便讓優(yōu)先權(quán)最高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。此時(shí)，將把調(diào)用進(jìn)程放入就緒隊(duì)列。 9 9第九章 操作系統(tǒng)接口(4)嵌套調(diào)用。像一般過(guò)程一樣，系統(tǒng)調(diào)用也可以嵌套進(jìn)行，即在一個(gè)被調(diào)用過(guò)程的執(zhí)行期間，還可以利用系統(tǒng)調(diào)用命令去調(diào)用另一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)然，每個(gè)系統(tǒng)對(duì)嵌套調(diào)用的深度都有一定的限制，例如最大深度為6

7、。但一般的過(guò)程對(duì)嵌套的深度則沒(méi)有什么限制。圖9-6示出了沒(méi)有嵌套及有嵌套的兩種系統(tǒng)調(diào)用情況。10 10第九章 操作系統(tǒng)接口圖9-6 系統(tǒng)功能的調(diào)用11 11第九章 操作系統(tǒng)接口3. 中斷機(jī)制系統(tǒng)調(diào)用是通過(guò)中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，并且一個(gè)操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)調(diào)用都通過(guò)同一個(gè)中斷入口來(lái)實(shí)現(xiàn)。如MS-DOS提供了INT 21H，應(yīng)用程序通過(guò)該中斷獲取操作系統(tǒng)的服務(wù)。對(duì)于擁有保護(hù)機(jī)制的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中斷機(jī)制本身也是受保護(hù)的，在IBM PC上，Intel提供了多達(dá)255 個(gè)中斷號(hào)，但只有授權(quán)給應(yīng)用程序保護(hù)等級(jí)的中斷號(hào)，才是可以被應(yīng)用程序調(diào)用的。對(duì)于未被授權(quán)的中斷號(hào)，如果應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用，同樣會(huì)引起保護(hù)異常，而導(dǎo)致

8、自己被操作系統(tǒng)停止。如Linux 僅僅給應(yīng)用程序授權(quán)了4 個(gè)中斷號(hào)：3、4、5以及80h，前三個(gè)中斷號(hào)是提供給應(yīng)用程序調(diào)試所使用的，而80h正是系統(tǒng)調(diào)用(system call)的中斷號(hào)。 12 12第九章 操作系統(tǒng)接口9.4.2 系統(tǒng)調(diào)用的類型 1. 進(jìn)程控制類系統(tǒng)調(diào)用主要用于對(duì)進(jìn)程控制的系統(tǒng)調(diào)用有：(1) 創(chuàng)建和終止進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。(2) 獲得和設(shè)置進(jìn)程屬性的系統(tǒng)調(diào)用。(3) 等待某事件出現(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)用。 13 13第九章 操作系統(tǒng)接口2. 文件操縱類系統(tǒng)調(diào)用對(duì)文件進(jìn)行操縱的主要系統(tǒng)調(diào)用如下：(1) 創(chuàng)建和刪除文件。(2) 打開(kāi)和關(guān)閉文件的系統(tǒng)調(diào)用。(3) 讀和寫文件的系統(tǒng)調(diào)用。 14 14

9、第九章 操作系統(tǒng)接口3. 進(jìn)程通信類系統(tǒng)調(diào)用在單處理機(jī)系統(tǒng)中，OS經(jīng)常采用消息傳遞方式和共享存儲(chǔ)區(qū)方式。當(dāng)采用消息傳遞方式時(shí)，在通信前需先打開(kāi)一個(gè)連接。為此，應(yīng)由源進(jìn)程發(fā)出一條打開(kāi)連接的系統(tǒng)調(diào)用，而目標(biāo)進(jìn)程則應(yīng)利用接受連接的系統(tǒng)調(diào)用表示同意進(jìn)行通信；然后，在源和目標(biāo)進(jìn)程之間便可開(kāi)始通信?？梢岳冒l(fā)送消息的系統(tǒng)調(diào)用或者用接收消息的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)交換信息。通信結(jié)束后，還須再利用關(guān)閉連接的系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束通信。除這三類外，還有設(shè)備管理類設(shè)備管理類系統(tǒng)調(diào)用和信息維護(hù)類信息維護(hù)類系統(tǒng)調(diào)用。15 15第九章 操作系統(tǒng)接口9.4.3 POSIX標(biāo)準(zhǔn)目前許多操作系統(tǒng)都提供了上面所介紹的各種類型的系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)的功能相

10、類似，但在實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)和形式方面卻相差很大，這種差異給實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)平臺(tái)的無(wú)關(guān)性帶來(lái)了很大的困難。為解決這一問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO給出的有關(guān)系統(tǒng)調(diào)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) POSIX1003.1(Portable Operating System IX)，也稱為“基于UNIX的可移植操作系統(tǒng)接口”。16 16第九章 操作系統(tǒng)接口圖9-7 UNIX/Linux系統(tǒng)程序、庫(kù)函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用的分層關(guān)系17 17第九章 操作系統(tǒng)接口9.5 UNIX系統(tǒng)調(diào)用9.5.1 進(jìn)程控制該類系統(tǒng)調(diào)用包括創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用fork、終止進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用exit、等待子進(jìn)程結(jié)束的系統(tǒng)調(diào)用wait等十多條。18 18第九章

11、操作系統(tǒng)接口1. 進(jìn)程的創(chuàng)建和終止(1) 創(chuàng)建進(jìn)程(fork)。(2) 終止進(jìn)程(exit)。 19 19第九章 操作系統(tǒng)接口2. 改變進(jìn)程映像和等待(1) 執(zhí)行一個(gè)文件(exec)。(2) 等待子進(jìn)程結(jié)束(wait)。 2020第九章 操作系統(tǒng)接口3. 其它進(jìn)程調(diào)用(1) 獲得進(jìn)程ID。(2) 獲得用戶ID。(3) 進(jìn)程暫停(pause)。 21 21第九章 操作系統(tǒng)接口9.5.2 文件操縱用于對(duì)文件進(jìn)行操縱的系統(tǒng)調(diào)用是數(shù)量最多的一類系統(tǒng)調(diào)用，其中包括創(chuàng)建文件、 打開(kāi)文件、關(guān)閉文件、讀文件及寫文件等二十多條。2222第九章 操作系統(tǒng)接口1. 文件的創(chuàng)建和刪除(1) 創(chuàng)建文件(creat)。

12、(2) 刪除文件。 2323第九章 操作系統(tǒng)接口2. 文件的打開(kāi)和關(guān)閉(1) 打開(kāi)文件(open)。(2) 關(guān)閉文件(close)。 2424第九章 操作系統(tǒng)接口3. 文件的讀和寫讀和寫文件的系統(tǒng)調(diào)用是read和write。僅當(dāng)用戶利用open打開(kāi)指定文件后，方可調(diào)用read或write對(duì)文件執(zhí)行讀或?qū)懖僮?。兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都要求用戶提供三個(gè)輸入?yún)?shù)： 文件描述符fd。 buf緩沖區(qū)首址。對(duì)讀而言，這是用戶所要求的信息傳送的目標(biāo)地址；對(duì)寫而言，則是信息傳送的源地址。 用戶要求傳送的字節(jié)數(shù)nbyte。2525第九章 操作系統(tǒng)接口4. 建立與文件的連接和去連接(1) 連接(link)。 (2) 去連接(unlink)。 2626第九章 操作系統(tǒng)接口9.5.3 進(jìn)程通信和信息保護(hù) 1. 進(jìn)程通信(1) 消息機(jī)制。(2) 共享存儲(chǔ)器機(jī)制。(3) 信號(hào)量機(jī)制。 2727第九章 操作