14681電子教案- -第8章

第8章實(shí)例分析：Linux操作

系統(tǒng)

8.1Linux的處理機(jī)管理8.2Linux的存儲管理8.3Linux的文件管理8.4Linux的設(shè)備管理Linux操作系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是UNIX的變種，它繼承了多任務(wù)、多用戶等這樣的一些特性。

本章主要從Linux管理的角度出發(fā)，著重講述以下4個方面的內(nèi)容。（1）Linux的三種進(jìn)程調(diào)度策略及消息隊(duì)列；（2）Linux的多級頁表地址轉(zhuǎn)換機(jī)制；（3）Linux的文件系統(tǒng)Ext2和虛擬文件系統(tǒng)VFS；（4）Linux對字符設(shè)備和塊設(shè)備的管理。8.1Linux的處理機(jī)管理

8.1.1Linux的進(jìn)程1．Linux進(jìn)程的兩種運(yùn)行模式在Linux里，一個進(jìn)程既可以運(yùn)行用戶程序，又可以運(yùn)行操作系統(tǒng)程序。

當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行用戶程序時，稱其為處于“用戶模式”；當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行時出現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)用或中斷事件，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核的程序時，稱其為處于“核心模式”。

在Linux里處理機(jī)就具有兩種運(yùn)行狀態(tài)：核心態(tài)和用戶態(tài)。

在Linux里，把進(jìn)程定義為“程序運(yùn)行的一個實(shí)例”。

進(jìn)程一方面競爭并占用系統(tǒng)資源（比如設(shè)備和內(nèi)存），向系統(tǒng)提出各種請求服務(wù)；進(jìn)程另一方面是基本的調(diào)度單位，任何時刻只有一個進(jìn)程在CPU上運(yùn)行。2．Linux進(jìn)程實(shí)體的組成

Linux中，每個進(jìn)程就是一個任務(wù)（task），一般具有以下四個部分：

進(jìn)程控制塊（在Linux里，也稱為進(jìn)程描述符。下面統(tǒng)一采用“進(jìn)程描述符”這個稱謂）。

進(jìn)程專用的系統(tǒng)堆棧空間；供進(jìn)程執(zhí)行的程序段（在Linux里，稱為正文段）；進(jìn)程專用的數(shù)據(jù)段和用戶堆?？臻g。圖8-2Linux對進(jìn)程描述符的管理3．Linux的進(jìn)程控制塊——進(jìn)程描述符在Linux中，進(jìn)程的進(jìn)程描述符是一個結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：task_struct。

進(jìn)程標(biāo)識（pid）。進(jìn)程狀態(tài)（state）。進(jìn)程調(diào)度信息，包括調(diào)度策略（policy）、優(yōu)先級別（priority和rt_priority）、時間片（counter）等。接收的信號（*sig）。

進(jìn)程家族關(guān)系。進(jìn)程隊(duì)列指針。

CPU的現(xiàn)場保護(hù)區(qū)。與文件系統(tǒng)有關(guān)的信息。4．Linux的進(jìn)程狀態(tài)

Linux的進(jìn)程可以有五種不同的狀態(tài)，圖8-3給出了Linux的進(jìn)程狀態(tài)，以及狀態(tài)間的變遷原因。圖8-3Linux的進(jìn)程狀態(tài)及其變遷

可運(yùn)行狀態(tài)可中斷狀態(tài)不可中斷狀態(tài)暫停狀態(tài)僵死狀態(tài)5．進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷

Linux中的每個進(jìn)程，都有一個創(chuàng)建、調(diào)度運(yùn)行、撤銷死亡的生命期。Linux系統(tǒng)中的各個進(jìn)程，相互之間構(gòu)成了一個樹型的進(jìn)程族系。8.1.2Linux的進(jìn)程調(diào)度1．Linux的進(jìn)程調(diào)度類型在Linux中，進(jìn)程調(diào)度被分為實(shí)時進(jìn)程調(diào)度和非實(shí)時進(jìn)程調(diào)度兩種。2．Linux進(jìn)程描述符中與調(diào)度有關(guān)的字段

Linux進(jìn)程描述符中，有四個字段與進(jìn)程調(diào)度有關(guān)，它們是：policy、priority、rt_priority和counter。3．Linux的三種進(jìn)程調(diào)度策略

Linux進(jìn)程描述符中的policy字段，可以取三個值：SCHED_FIFO、SCHED_RR以及SCHED_OTHER。（1）SCHED_FIFO——實(shí)時進(jìn)程的先進(jìn)先出調(diào)度策略（2）SCHED_RR——實(shí)時進(jìn)程的輪轉(zhuǎn)調(diào)度（3）SCHED_OTHER——非實(shí)時進(jìn)程的輪轉(zhuǎn)調(diào)度圖8-4Linux實(shí)時調(diào)度的例子4．Linux的等待隊(duì)列圖8-5Linux中的等待隊(duì)列8.1.3Linux進(jìn)程間的通信——消息隊(duì)列消息隊(duì)列是進(jìn)程間的一種異步通信方法。所謂“異步”，即發(fā)送消息的進(jìn)程在消息發(fā)出之后，不必等待接收進(jìn)程做出反應(yīng)，就可以去做其他的事情了。1．“消息”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux中的每個消息，由兩個部分組成：消息頭和消息緩沖區(qū)。圖8-6Linux的消息及消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)2．“消息隊(duì)列”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux消息隊(duì)列是structmsqid_ds型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3．“消息隊(duì)列表”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)程間借助消息隊(duì)列來傳遞數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)中可以建立多個消息隊(duì)列。Linux是通過“消息隊(duì)列表”來管理所有消息隊(duì)列的。圖8-7消息管理諸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)間的邏輯關(guān)系4．有關(guān)消息隊(duì)列的系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個新的消息隊(duì)列：newque()

刪除一個消息隊(duì)列：freeque()

向一個消息隊(duì)列發(fā)送一條消息：msgsnd()

從一個消息隊(duì)列中接收一條消息：msgrcv()8.2Linux的存儲管理

8.2.1Linux的虛擬存儲空間1．Linux的虛擬存儲空間在Linux中，虛擬地址用32個二進(jìn)制位表示。這意味系統(tǒng)向每個進(jìn)程提供的虛存空間，最多可以高達(dá)232字節(jié)=4GB。Linux的內(nèi)核把這樣的4GB空間劃分為兩個部分：最高的1GB用于內(nèi)核本身，稱為“系統(tǒng)空間”，并為所有的進(jìn)程共享；將較低的3GB供進(jìn)程使用，稱為“用戶空間”。圖8-8Linux的虛擬地址空間結(jié)構(gòu)2．多級頁表的地址轉(zhuǎn)換

Linux在對虛擬地址空間進(jìn)行分頁時，采用兩級頁表的機(jī)制：先是對虛擬地址空間進(jìn)行分頁，形成頁表；再對頁表進(jìn)行分頁，形成頁表的頁表。

這樣一來，不僅虛擬地址空間里的頁，可以存放在內(nèi)存的不連續(xù)塊中；頁表中的頁，也能夠存放在不連續(xù)的內(nèi)存塊里，這就是所謂的多級頁表結(jié)構(gòu)。這種“頁表的頁表”，被稱為頁表索引。圖8-9Linux虛擬地址的劃分圖8-10Linux的二級頁表式地址轉(zhuǎn)換

當(dāng)虛擬地址用64位表示時，虛擬地址空間的頁面更多，用二級索引后的頁表仍然很大。因此，Linux還可以提供三級頁表式的分頁式結(jié)構(gòu)。8.2.2管理虛擬存儲空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux進(jìn)程的各個分區(qū)可以是不連續(xù)的，因此形成了若干個離散的虛擬區(qū)間。為了對它們加以管理，定義了vm_area_struct型及mm_struct型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖8-11Linux虛存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1．管理分區(qū)虛擬區(qū)間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)vm_area_struct（VMA）一個進(jìn)程虛擬存儲空間中的每一個虛擬區(qū)間，都對應(yīng)著一個vm_area_struct，通常被縮寫為VMA。

進(jìn)程的每個VMA，都代表著它的虛擬地址空間中的一個連續(xù)區(qū)間。一個進(jìn)程的兩個VMA絕對不會重疊。2．管理VMA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)mm_struct

一個進(jìn)程所有的VMA，都由mm_struct來管理。8.2.3管理內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在Linux存儲管理中，系統(tǒng)設(shè)置了一張存儲分塊表mem_map，它的每一個表項(xiàng)對應(yīng)著一個內(nèi)存塊，記錄著該塊的有關(guān)信息。

為了記錄內(nèi)存各塊的使用情況，Linux設(shè)置了位示圖bitmap，但是，Linux并不是用bitmap來進(jìn)行存儲分配和釋放的，而是通過所謂的“空閑區(qū)隊(duì)列表”：free_area。圖8-12Linux的空閑區(qū)隊(duì)列表8.2.4內(nèi)存區(qū)的分配和頁面淘汰策略進(jìn)程提出存儲請求或釋放時，都要與空閑區(qū)隊(duì)列表free_area進(jìn)行交往。Linux是采用所謂的“伙伴（Buddy）”算法，來進(jìn)行內(nèi)存區(qū)的分配和釋放的。

當(dāng)進(jìn)程提出存儲請求時，Linux將大于、等于這個數(shù)目的最小2n個內(nèi)存塊分配出去。圖8-13“伙伴”算法的實(shí)施過程8.3Linux的文件管理

8.3.1Linux文件系統(tǒng)的構(gòu)成所謂虛擬文件系統(tǒng)，就是基于多種不同的文件系統(tǒng)，Linux通過軟件的方法，隱去它們各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，抽象出一組標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)文件操作的系統(tǒng)調(diào)用。

把這樣的系統(tǒng)調(diào)用提供給用戶后，他們就可以使用統(tǒng)一的界面，去完成對各種不同文件系統(tǒng)中文件的操作了。

有了虛擬文件系統(tǒng)之后，Linux就可以支持多種不同的文件系統(tǒng)了。這時的文件系統(tǒng)，可以看作是由兩級構(gòu)成：上面是用戶面對的虛擬文件系統(tǒng)VFS，內(nèi)核里面則是各個不同的文件系統(tǒng)。圖8-14Linux的VFS與各文件系統(tǒng)之間的關(guān)系8.3.2Ext2對磁盤的組織1．Ext2的文件類型按照文件所含的內(nèi)容，Ext2把文件分成以下3類。（1）普通文件（2）目錄文件（3）特別文件圖8-15Ext2文件目錄項(xiàng)的格式2．Ext2對磁盤的組織

Ext2把磁盤的分區(qū)或軟盤視為一個文件卷，把其上相鄰磁道的物理塊稱為所謂的“塊組”。

一個文件卷上可能有多個塊組。在一個塊組上，可以存放普通文件的信息，存放目錄文件的信息，存放文件的inode節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然還應(yīng)該存放對塊組的管理信息。圖8-16Ext2塊組的組織結(jié)構(gòu)（1）數(shù)據(jù)區(qū)（2）索引節(jié)點(diǎn)表（3）索引節(jié)點(diǎn)位圖（4）盤塊位圖（5）組描述符（6）超級塊圖8-17Ext2索引節(jié)點(diǎn)位圖與索引節(jié)點(diǎn)表的關(guān)系8.3.3Ext2文件的物理結(jié)構(gòu)在把文件存儲到磁盤上時，Ext2采用的是索引式結(jié)構(gòu)，即通過該文件inode節(jié)點(diǎn)里的數(shù)組i_block[]，建立起文件的邏輯塊號與相應(yīng)物理塊號之間的對應(yīng)關(guān)系，形成文件存儲的索引表。1．小型文件的索引結(jié)構(gòu)當(dāng)一個文件的長度在1～12個磁盤塊之間時，在Ext2里就稱為小型文件。

這時，用文件inode節(jié)點(diǎn)里數(shù)組i_block[]的前12個元素i_block[0]～i_block[11]，直接給出文件數(shù)據(jù)存放的磁盤塊號。2．中型文件的索引結(jié)構(gòu)當(dāng)一個文件的長度超過12個磁盤塊時，在Ext2里就稱為中型文件。

這時，除了需要用到文件inode節(jié)點(diǎn)里數(shù)組i_block[]的前12個元素，直接給出12個磁盤塊外，還需要使用它的第13個元素i_block[12]，形成一次間接索引。圖8-18Ext2小型、中型文件的索引結(jié)構(gòu)3．大型和巨型文件的索引結(jié)構(gòu)當(dāng)一個文件所需磁盤塊數(shù)超過b/4+12時，就成為一個Ext2的大型文件。

這時除了用到i_block[0]～i_block[11]外，要用到i_block[12]形成一次間接索引，還要用到i_block[13]形成二次間接索引。圖8-19Ext2的大型文件索引結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個文件所需的磁盤塊數(shù)大于(b/4)*(b/4)+(b/4)+12個時，就成為Ext2的巨型文件了。

這時除了用到i_block[0]～i_block[11]外，要用到i_block[12]，要用到i_block[13]，還要用到i_block[14]，以形成三次間接索引。8.3.4虛擬文件系統(tǒng)VFS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux的VFS既然是虛擬的，因此它不是一個實(shí)際的文件系統(tǒng)，磁盤上并沒有一個VFS存在。Linux的VFS隨系統(tǒng)的初啟而建立，隨系統(tǒng)的關(guān)閉而消逝。

為了管理所有安裝的文件系統(tǒng)，VFS通過使用描述整個VFS的一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及描述實(shí)際安裝的文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來處理實(shí)際文件系統(tǒng)之間的各種差別，達(dá)到管理的目的。1．超級塊（super_block）2．索引節(jié)點(diǎn)（inode）3．file結(jié)構(gòu)4．flies_struct結(jié)構(gòu)5．vfsmount結(jié)構(gòu)圖8-20task_struct、files_struct、file、file_operations之間的關(guān)系圖8-21vfsmount單鏈表的結(jié)構(gòu)8.4Linux的設(shè)備管理

在Linux里，把I/O設(shè)備都當(dāng)作文件來處理，稱它們?yōu)樘貏e文件或設(shè)備文件。8.4.1Linux設(shè)備管理概述圖8-22Linux設(shè)備驅(qū)動的分層結(jié)構(gòu)示意1．字符設(shè)備（characterdevice）2．塊設(shè)備（blockdevice）3．網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（netdevice）8.4.2Linux對字符設(shè)備的管理

Linux為了對字符設(shè)備進(jìn)行管理，設(shè)置了如下的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。1．device_stru