Linux操作系統(tǒng)課件

第8章操作系統(tǒng)實例二：Linux教學目標：本章的重點：了解Linux操作系統(tǒng)的特點、進程通信和調(diào)度、三級頁式虛擬存儲器管理、VFS和ext2文件系統(tǒng)以及Linux的安全機制等內(nèi)容。

教學提示：Linux是可免費獲得的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，是可以自由使用的UNIX兼容產(chǎn)品，這就是學習Linux的主要原因。了解Linux操作系統(tǒng)的特點、核心技術(shù)和實現(xiàn)方法有助于該系統(tǒng)進一步的開發(fā)和應(yīng)用。1ppt課件.第8章操作系統(tǒng)實例二：Linux教學目標：本章的重點：8.1Linux概述

8.1.1學習Linux操作系統(tǒng)的意義8.1.2Linux系統(tǒng)的特點8.1.3Linux系統(tǒng)的發(fā)展2ppt課件.8.1Linux概述8.1.1學習Linux操作系8.1.4Linux體系結(jié)構(gòu)

3ppt課件.8.1.4Linux體系結(jié)構(gòu)3ppt課件.8.1.5Linux的用戶界面4ppt課件.8.1.5Linux的用戶界面4ppt課件.8.2Linux的進程管理

8.2.1Linux進程的組成Linux系統(tǒng)中的進程都具有以下4個要素。(1)有一個程序正文段供其執(zhí)行。(2)有進程專用的系統(tǒng)堆?？臻g。(3)有一個進程描述符，即在內(nèi)核中的一個task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有了這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進程才能成為內(nèi)核調(diào)度的一個基本單位，接受內(nèi)核的調(diào)度。同時，該結(jié)構(gòu)還記錄著進程所占用的各項資源。(4)有一個獨立的地址空間，即擁有專有的用戶空間和專用的用戶空間堆棧。

5ppt課件.8.2Linux的進程管理8.2.1Linux進程8.2.2Linux進程的狀態(tài)

Linux的進程狀態(tài)共有6種。(1)TASK_RUNNING：正在運行(己獲得CPU)或準備運行(就緒態(tài)——等待獲得CPU)的進程。(2)TASK_INTERRUPTIBLE：可中斷等待狀態(tài)。進程處于等待隊列中，一旦資源可用時被喚醒，也可以由其他進程通過信號(SIGNAL)或中斷喚醒。(3)TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中斷等待狀態(tài)。進程處于等待隊列中，一旦資源可用時被喚醒，但不可以由其他進程通過信號(SIGNAL)或中斷喚醒。(4)TASK_ZOMBIE：進程僵死狀態(tài)。進程停止運行但是尚未釋放PCB。(5)TASK_STOPPED：進程停止狀態(tài)?？赡鼙惶囟ㄐ盘柦K止，也可能是受其他進程的跟蹤調(diào)用而暫時將CPU出讓給跟蹤它的進程。(6)TASK_SWAPPING：頁面被交換出內(nèi)存的進程。6ppt課件.8.2.2Linux進程的狀態(tài)Linux的進程狀態(tài)共有7ppt課件.7ppt課件.8.2.3進程狀態(tài)的切換時機第一類是隱式地主動放棄CPU。這往往是因為需要的資源目前不能獲取，如執(zhí)行read()、selec()等系統(tǒng)調(diào)用的過程中。第二類是進程顯式地主動放棄CPU，如系統(tǒng)調(diào)用sched_yield()、sched_setscheduler()及pause()均會導致當前進程讓出CPU。

8ppt課件.8ppt課件.8.2.4Linux的進程控制進程的創(chuàng)建

Linux操作系統(tǒng)中，除初始化進程外，其他進程都是用系統(tǒng)調(diào)用fork()和clone()創(chuàng)建的，調(diào)用fork()和clone()的進程是父進程，被生成的進程是子進程。9ppt課件.8.2.4Linux的進程控制9ppt課件.2.進程的等待父進程可用系統(tǒng)調(diào)用wait3()等待它的任何一個子進程終止，也可以用系統(tǒng)調(diào)用wait4()等待某個特定的子進程終止。10ppt課件.10ppt課件.3.進程的終止當命令執(zhí)行完，希望終止自己時，可在其程序末尾使用系統(tǒng)調(diào)用exit()。11ppt課件.3.進程的終止11ppt課件.4.進程上下文切換改變進程上下文的工作很復雜，是由系統(tǒng)調(diào)用execve()實現(xiàn)的。它用一個可執(zhí)行文件的副本覆蓋該進程的內(nèi)存空間。12ppt課件.4.進程上下文切換12ppt課件.8.2.5Linux線程

Linux并不確切區(qū)分進程與線程，或者說沒有真正意義上的線程概念，但通過clone()系統(tǒng)調(diào)用，可以支持輕量級進程(LightweightProcess)。13ppt課件.8.2.5Linux線程13ppt課件.8.2.6PCB(進程控制塊)

Linux內(nèi)核利用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(task_struct)標志一個進程的存在。task_struct也就是Linux進程控制塊PCB14ppt課件.8.2.6PCB(進程控制塊)14ppt課件.8.2.7進程的調(diào)度

Linux中實現(xiàn)了3種進程調(diào)度策略。

SCHED_FIFO：先進先出(FirstInFirstOut)策略。

SCHED_RR：輪轉(zhuǎn)調(diào)度(RoundRobin)策略。

SCHED_OTHER：其他策略。15ppt課件.8.2.7進程的調(diào)度15ppt課件.8.8.2.8Linux進程通信信號是UNIX系統(tǒng)中最古老的進程間通信機制，它主要用來向進程發(fā)送異步的事件信號。

Linux中，信號種類的數(shù)目和具體的平臺有關(guān)，因為內(nèi)核用一個字代表所有的信號，因此字的位數(shù)就是信號種類的最多數(shù)目。對32位的i386平臺而言，一個字為32位，因此信號有32。16ppt課件.8.8.2.8Linux進程通信16ppt課件.8.2.9信號量與PV操作信號量也用來保護關(guān)鍵代碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(即臨界資源)。Linux利用信號量實現(xiàn)對關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)的互斥訪問。

Linux信號量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含的信息主要有。

count(計數(shù))waking(等待喚醒計數(shù))3)等待隊列4)lock(鎖)17ppt課件.8.2.9信號量與PV操作17ppt課件.8.2.10管道管道是Linux中最常用的進程間通信IPC機制。利用管道時，一個進程的輸出可成為另外一個進程的輸入。當輸入輸出的數(shù)據(jù)量特別大時，這種IPC機制非常有用。18ppt課件.8.2.10管道18ppt課件.8.2.11共享存儲區(qū)與消息隊列通信機制

1.Linux進程間的共享存儲區(qū)通信19ppt課件.8.2.11共享存儲區(qū)與消息隊列通信機制19ppt課件2.Linux進程間的消息隊列進行通信

Linux進程間的通信也可以通過消息隊列進行。消息隊列可以是單消息隊列，也可以是多消息隊列(按消息類型)；既可以單向，也可以雙向通信；既可以僅和兩個進程有關(guān)，也可以被多個進程使用。20ppt課件.2.Linux進程間的消息隊列進行通信20ppt課件.8.3.1Linux的虛擬內(nèi)存管理

Linux的虛擬內(nèi)存管理功能可以概括為以下幾點。(1)地址空間擴充。(2)進程保護。(3)內(nèi)存映射。(4)物理內(nèi)存分配。8.3Linux存儲器管理

21ppt課件.8.3.1Linux的虛擬內(nèi)存管理8.3Linux8.3.2Linux系統(tǒng)采用三級頁表22ppt課件.8.3.2Linux系統(tǒng)采用三級頁表22ppt課件.8.3.3內(nèi)存頁的分配與釋放

Linux系統(tǒng)的物理內(nèi)存頁分配采用鏈表和位圖相結(jié)合的方法。23ppt課件.8.3.3內(nèi)存頁的分配與釋放23ppt課件.8.3.4內(nèi)存交換當系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)存不足時，Linux內(nèi)存管理子系統(tǒng)就要釋放一些內(nèi)存頁，從而增加系統(tǒng)中空閑內(nèi)存頁的數(shù)量。此任務(wù)是由內(nèi)核的交換守護進程kswapd完成的。24ppt課件.8.3.4內(nèi)存交換24ppt課件.8.3.5內(nèi)存的共享和保護Linux中內(nèi)存共享是以頁共享的方式實現(xiàn)的Linux可以對虛存段中的任一部分加鎖或保護。25ppt課件.8.3.5內(nèi)存的共享和保護25ppt課件.8.3.6缺頁中斷磁盤中的可執(zhí)行文件映像一旦被映射到一個進程的虛擬空間，它就開始執(zhí)行。由于一開始只有該映像區(qū)的開始部分被調(diào)入內(nèi)存，因此，進程遲早會執(zhí)行那些未被裝入內(nèi)存的部分。當一個進程訪問了一個還沒有有效頁表項的虛擬地址時，處理器將產(chǎn)生缺頁中斷，通知操作系統(tǒng)，并把缺頁的虛擬地址(保存在CR2寄存器中)和缺頁時訪問虛存的模式一并傳給Linux的缺頁中斷處理程序。26ppt課件.8.3.6缺頁中斷26ppt課件.8.4Linux文件管理

8.4.1Linux文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)

Linux采用的是樹型目錄結(jié)構(gòu)管理文件。最上層是根目錄，其他的所有目錄都是從根目錄出發(fā)而生成的。27ppt課件.8.4Linux文件管理8.4.1Linux文件系8.4.2Linux文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

Linux支持多種不同類型的文件系統(tǒng)，包括EXT、EXT2、MINIX、UMSDOS、NCP、IS09660、HPFS、MSDOS、NTFS、XIA、VFAT、PROC、NFS、SMB、SYSV、AFFS以及UFS等。由于每一種文件系統(tǒng)都有自己的組織結(jié)構(gòu)和文件操作函數(shù)，并且相互之間的差別很大，Linux文件系統(tǒng)的實現(xiàn)有一定的難度。為支持上述的各種文件系統(tǒng)，Linux在實現(xiàn)文件系統(tǒng)時采用了兩層結(jié)構(gòu)。第一層是虛擬文件系統(tǒng)(VirtualFileSystem，VFS)，它把各種實際文件系統(tǒng)的公共結(jié)構(gòu)抽象出來，建立統(tǒng)一的以i_node為中心的組織結(jié)構(gòu)，為實際文件系統(tǒng)提供兼容性。它的作用是屏蔽各類文件系統(tǒng)的差異，給用戶、應(yīng)用程序和Linux的其他管理模塊提供統(tǒng)一的接口。第二層是Linux支持的各種實際文件系統(tǒng)。28ppt課件.8.4.2Linux文件系統(tǒng)的實現(xiàn)28ppt課件.8.4.3虛擬文件系統(tǒng)虛擬文件系統(tǒng)(VFS)是物理文件系統(tǒng)與服務(wù)之間的一個接口層，它對每一個具體的文件系統(tǒng)的所有細節(jié)進行抽象，使得Linux用戶能夠用同一個接口使用不同的文件系統(tǒng)。29ppt課件.8.4.3虛擬文件系統(tǒng)29ppt課件.8.4.4EXT2文件系統(tǒng)擴展文件系統(tǒng)EXT和第二代擴展文件系統(tǒng)EXT2是專門為Linux設(shè)計可擴展的文件系統(tǒng)。30ppt課件.8.4.4EXT2文件系統(tǒng)30ppt課件.8.4.5Linux的文件操作系統(tǒng)調(diào)用

1.文件的打開主要函數(shù)有sys_open()和sys_creat()。

2.文件的關(guān)閉

3.文件指針移動

4.讀寫文件操作

5.文件屬性控制

6.文件上鎖

7.文件的I/O控制

8.各種其他文件操作31ppt課件.8.4.5Linux的文件操作系統(tǒng)調(diào)用31ppt課件.8.5Linux設(shè)備管理

8.5.1Linux設(shè)備驅(qū)動程序

Linux核心具體負責I/O設(shè)備的操作，這些管理和控制硬件設(shè)備控制器的程序代碼稱為設(shè)備驅(qū)動程序，它們是常駐內(nèi)存的底層硬件處理子程序，具有控制和管理I/O設(shè)備的作用。32ppt課件.8.5Linux設(shè)備管理8.5.1Linux設(shè)備驅(qū)8.5.2設(shè)備的管理在Linux操作系統(tǒng)中，輸入輸出設(shè)備可以分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。33ppt課件.