Linux操作系統(tǒng)與應用 第一章

第一章操作系統(tǒng)概述認識操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展開放源代碼的Unix/Linux操作系統(tǒng)Linux內核Linux內核源代碼

Linux

內核模塊編程入門Linux

內核中鏈表的實現(xiàn)及應用不同角度看到的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)整體看操作系統(tǒng)設計者使用者普通開發(fā)者認識操作系統(tǒng)打開計算機，首先跳入眼簾的是什么？要拷貝一個文件，具體的拷貝操作是誰完成的？你需要知道文件存放在何處嗎？柱面、磁道、扇區(qū)描述什么？數(shù)據(jù)的搬動過程怎樣進行繁瑣留給自己，簡單留給用戶

操作系統(tǒng)穿上華麗的外衣－圖形界面操作系統(tǒng)穿上樸素的外衣－字符界面<>認識操作系統(tǒng)－從使用者的角度看拷貝命令的C語言實現(xiàn)片斷<>inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);do{l=read(inf,buf,4096);write(outf,buf,l);}while(l);close(outf);close(inf);認識操作系統(tǒng)－從程序開發(fā)者的角度看

<>瀏覽器信息管理文件管理系統(tǒng)游戲

編譯程序編輯程序命令解釋程序

操作系統(tǒng)

CPU、內存、I/O接口硬件內核認識操作系統(tǒng)－從所處位置看操作系統(tǒng)是其它所有用戶程序運行的基礎。

<>#include<stdio.h>main(){printf(“Helloworld\n”)}用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行test程序操作系統(tǒng)通過文件名找到該程序檢查其類型,檢查程序首部，找出代碼和數(shù)據(jù)存放的地址文件系統(tǒng)找到第一個磁盤塊操作系統(tǒng)建立程序的執(zhí)行環(huán)境操作系統(tǒng)把程序從磁盤裝入內存，并跳到程序開始處執(zhí)行該程序的執(zhí)行過程簡述如下:操作系統(tǒng)檢查字符串的位置是否正確操作系統(tǒng)找到字符串被送往的設備操作系統(tǒng)將字符串送往輸出設備窗口系統(tǒng)確定這是一個合法的操作，然后將字符串轉換成像素窗口系統(tǒng)將像素寫入存儲映像區(qū)視頻硬件將像素表示轉換成一組模擬信號控制顯示器（重畫屏幕）顯示器發(fā)射電子束。你在屏幕上看到Helloworld。從中看到什么認識操作系統(tǒng)－從程序執(zhí)行看從操作系統(tǒng)設計者的角度看操作系統(tǒng)的設計目標是什么？盡可能地方便用戶使用計算機讓各種軟件資源和硬件資源高效而協(xié)調地運轉起來。計算機的硬件資源和軟件資源各指什么？假設在一臺計算機上有三道程序同時運行，并試圖在一臺打印機上輸出運算結果，必須考慮哪些問題?從操作系統(tǒng)設計者的角度考慮，一個操作系統(tǒng)必須包含以下幾部分操作系統(tǒng)接口CPU管理內存管理設備管理文件管理<>認識操作系統(tǒng)－從設計者角度看操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，是一些程序模塊的集合——它們能以盡量有效、合理的方式組織和管理計算機的軟硬件資源，合理的組織計算機的工作流程，控制程序的執(zhí)行并向用戶提供各種服務功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效的使用計算機，使整個計算機系統(tǒng)能高效、順暢地運行。<>認識操作系統(tǒng)－定義<>操作系統(tǒng)的組成(1)

通常意義上的操作系統(tǒng)被認為是整個系統(tǒng)中負責完成最基本的功能和系統(tǒng)管理的部分。除了內核，這些部分還應該包括啟動引導程序、命令行shell或者其他種類的用戶界面、基本的文件管理工具和系統(tǒng)工具等。實際上，人們在得到操作系統(tǒng)的同時，更需要的是構架于其上的應用軟件，從而完成所需的實際功能。為此，操作系統(tǒng)一般要和應用軟件綁定發(fā)行和出售。這樣的軟件包在linux領域被稱作發(fā)布版。

<>操作系統(tǒng)的組成(2)

從開發(fā)者的角度看，操作系統(tǒng)本質上是大型軟件包，因此結構組織不會與其它大型軟件迥異：操作系統(tǒng)的設計采用分層結構，越向上層抽象程度越高，越接近用戶；越向下層，越靠近硬件，抽象也越接近硬件。上層軟件依靠下層軟件提供的服務，而且上層軟件自身還提供附加服務。因此，操作系統(tǒng)的結構整體總體呈現(xiàn)倒金字塔形。用一組簡單的公式描述操作系統(tǒng)的組成要素：操作系統(tǒng)=內核+系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序=編譯環(huán)境+API(應用程序接口)+AUI(用戶接口)編譯環(huán)境=編譯程序+鏈接程序+裝載程序API=shell+系統(tǒng)服務例程+應用程序對于整個軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)=操作系統(tǒng)+AUI操作系統(tǒng)的演變單道批處理系統(tǒng)

串行執(zhí)行預先組織好的一組任務

提高了系統(tǒng)效率。多道批處理系統(tǒng)可以交錯運行多個程序再次提高系統(tǒng)效率。分時系統(tǒng)將處理器的運行時間分成數(shù)片，均分或依照一定權重派發(fā)給系統(tǒng)中的用戶使用

快速響應

<>操作系統(tǒng)的發(fā)展硬件角度下的操作系發(fā)展軌跡年

代

硬

件

特點

操作系統(tǒng)特點

背

景

機械計算機時代17世紀~20世紀初

1）純機械結構，低速

2）只能進行簡單的數(shù)學運算

純手工操作

從計算尺至差分機到分析機發(fā)展了數(shù)百年第一代計算機

1946年~50年代末電子管計算機

1)體積大、能耗高、故障多、價格貴

2)難以普及應用

無操作系統(tǒng)

（程序按機器碼編寫，載體從插件板到卡片與紙帶）

1906年發(fā)明電子管

1946ENIAC研制成功

(第一臺電子管計算機)年

代

硬

件

特點

操作系統(tǒng)特點

背

景

第二代計算機

50年代末~60年代中期

晶體管計算機

1)采用印刷電路

2)穩(wěn)定性與可靠性大大提高

3)批量生產(chǎn)成為可能

4)進入實際應用領域但數(shù)量有限1）單道批處理系統(tǒng)

2）操作系統(tǒng)以監(jiān)督軟件形式出現(xiàn)

3）任務按順序方式處理

1947年發(fā)明晶體管

第三代計算機

60年代中期~70年代初

集成電路計算機

1)體積減小，性價比迅速提高

2)小型計算機發(fā)展迅速

3)進入商業(yè)應用

4)尚不適合家庭應用的需求1)涌現(xiàn)大批操作系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)

2）奠定了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本框架

1958年發(fā)明集成電路

1971年INTEL發(fā)明微處理器

硬件角度下的操作系統(tǒng)發(fā)展軌跡分析在硬件的性價比較低的時候，操作系統(tǒng)設計追求什么？

在硬件性價比越來越高后，操作系統(tǒng)的設計開始追求的目標是什么？計算機開始普及后，操作系統(tǒng)的設計開始追求？從第三代到第四代計算機，操作系統(tǒng)的發(fā)展逐漸擺脫追隨硬件發(fā)展的狀況，形成自己的理論體系進入第四代系統(tǒng)后，分布式系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)雖然極大的擴充了操作系統(tǒng)理論，但系統(tǒng)結構并沒有變化，只是各功能模塊得以進一步完善。<>操作系統(tǒng)的發(fā)展硬件角度下操作系統(tǒng)發(fā)展的分析<>主流操作系統(tǒng)

系統(tǒng)特點

計算機語言背

景

無

手工操作

無編程語言直接使用機器代碼

1936年圖靈提出圖靈機

單道批處理系統(tǒng)

作業(yè)運行的監(jiān)督程序

編程語言雛形期

1957年FORTRAN語言開發(fā)成功多道批處理

分時系統(tǒng)

實時系統(tǒng)

多處理系統(tǒng)

操作系統(tǒng)結構確立，分為處理機管理、內存管理、設備管理、文件管理等模塊

1）編程語言大量涌現(xiàn)

2）結構化程序設計

3）C語言逐漸

60年代的軟件危機導致軟件工程的發(fā)展

1969年Unix誕生

1972年C語言推出

主流操作系統(tǒng)

系統(tǒng)特點

計算機語言背

景

類Unix系列

WINDOWS系列

人機交互成為主題

1）可視化界面

2）多媒體技

面向對象語言成為主流

80年代中期開始面向對象技術逐步發(fā)展網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

分布式操作系統(tǒng)微內核技術興起

1）JAVA語言

2）腳本語言興起1995年JAVA推出

嵌入式系統(tǒng)

單內核與微內核競爭激烈編程工具向跨平臺方向發(fā)

1991年免費的操作系統(tǒng)Linux發(fā)布

軟件角度下的操作系統(tǒng)發(fā)展軌跡

分析程序設計理論約束著操作系統(tǒng)設計。操作系統(tǒng)的發(fā)展滯后于計算機語言的發(fā)展，從結構化設計到對象化設計，操作系統(tǒng)總是最后應用新編程理論的軟件之一。至今操作系統(tǒng)對于是否需要徹底對象化（即微內核化），還處于徘徊時期，仍在探索單內核與微內核的最佳結合方式。人機交互技術主要是為用戶考慮，這是對操作系統(tǒng)設計進行的變革。以Linux為代表的開源軟件的出現(xiàn)，打破了帶有神秘色彩的傳統(tǒng)的封閉式開發(fā)模式。<>軟件角度下的操作系統(tǒng)發(fā)展軌跡分析

<>講究效率的單模塊操作系統(tǒng)進程管理內存管理設備管理文件管理模塊之間可以互相調用的單模塊結構<>講究效率的單模塊操作系統(tǒng)模塊之間直接調用函數(shù)，除了函數(shù)調用的開銷外，沒有額外開銷。龐大的操作系統(tǒng)有數(shù)以千計的函數(shù)復雜的調用關系勢必導致操作系統(tǒng)維護的困難<>追求簡潔的微內核操作系統(tǒng)客戶進程進程服務器內存服務器文件服務器…微內核<>追求簡潔的微內核操作系統(tǒng)內核與各個服務器之間通過通信機制進行交互，這使得微內核結構的效率大大折扣。內核發(fā)出請求，服務器做出應答為各個服務器模塊的相對獨立性，使得其維護相對容易<>歷史悠久的Unix在MULTICS（1969）的肩上制研制者KenThompson和DennisM.Ritchie

Unix的誕生還伴有C語言呱呱落地Unix是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的代表：安全、可靠、強大的計算能力Unix的商業(yè)化是一把雙刃劍

<>自由而奔放的黑馬－Linux誕生于學生之手成長于Internet壯大于自由而開放的文化<>Linux之父-LinusTorvalds芬蘭、赫爾辛基大學、1990起始于寫兩個進程然后寫驅動程序、文件系統(tǒng)、任務切換程序，從而形成一個操作系統(tǒng)鄒形<>Linux得以流行的原因之一

－遵循POSIX標準POSIX表示可移植操作系統(tǒng)接口（PortableOperatingSystemInterface）

POSIX是在Unix標準化過程中出現(xiàn)的產(chǎn)物。

POSIX1003.1標準定義了一個最小的Unix操作系統(tǒng)接口

任何操作系統(tǒng)只有符合這一標準，才有可能運行Unix程序

<>Linux的肥沃土壤－GNUGNU是GNUIsNotUnix的遞歸縮寫，是自由軟件基金會的一個項目

。

GNU項目產(chǎn)品包括emacs編輯器、著名的GNUC和Gcc編譯器等，這些軟件叫做GNU軟件。GNU軟件和派生工作均適用GNU通用公共許可證，即GPL（GeneralPublicLicense

）Linux的開發(fā)使用了眾多的GUN工具<>GPL－開源軟件的法律GPL允許軟件作者擁有軟件版權但GPL規(guī)定授予其他任何人以合法復制、發(fā)行和修改軟件的權利。<>Linux系統(tǒng)或發(fā)布版

符合POSIX標準的操作系統(tǒng)內核、Shell和外圍工具。C語言編譯器和其他開發(fā)工具及函數(shù)庫XWindow窗口系統(tǒng)各種應用軟件，包括字處理軟件、圖象處理軟件等。<>開放與協(xié)作的開發(fā)模式

世界各地軟件愛好者集體智慧的結晶提供源代碼，遵守GPL。經(jīng)歷了各種各樣的測試與考驗，軟件的穩(wěn)定性好。開發(fā)人員憑興趣去開發(fā)，熱情高，具有創(chuàng)造性。<>Linux內核

Linus領導下的開發(fā)小組開發(fā)出的系統(tǒng)內核

是所有Linux發(fā)布版本的核心

內核開發(fā)人員一般在百人以上，任何自由程序員都可以提交自己的修改工作。

采用郵件列表來進行項目管理、交流、錯誤報告有大量的用戶進行測試，正式發(fā)布的代碼質量高

<>Linux內核的技術特點

linux內核被設計成單內核結構，這是相對微內核而言的

2.6版本以前的linux內核是單線程結構，是非搶占式的內核結構linux內核支持動態(tài)加載內核模塊

Linux內核被動地提供服務linux內核采用了虛擬內存技術，使得內存空間達到4GBlinux文件系統(tǒng)實現(xiàn)了一種UNIX風格的抽象文件模型——虛擬文件系統(tǒng)(VirtualFilesystermSwitch,VFS)linux提供了一套很有效的延遲機制——下半部分、軟中斷tasklet和2.6版本新引進的工作隊列等。<>整個系統(tǒng)的核心－內核

硬件系統(tǒng)調用接口應用程序進程1應用程序進程2應用程序進程3Linux內核用戶進程

內核子系統(tǒng)系統(tǒng)調用<>整個系統(tǒng)的核心－內核

用戶進程—運行在Linux內核之上的一個龐大軟件集合。系統(tǒng)調用—內核的出口，用戶程序通過它使用內核提供的功能。

Linux內核—操作系統(tǒng)的靈魂，負責管理磁盤上的文件、內存，負責啟動并運行程序，負責從網(wǎng)絡上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包等等。硬件—包括了Linux安裝時需要的所有可能的物理設備。例如，CPU、內存、硬盤、網(wǎng)絡硬件等等。<>內核子系統(tǒng)<>內核子系統(tǒng)進程調度－控制著進程對CPU的訪問。內存管理－允許多個進程安全地共享主內存區(qū)域虛擬文件系統(tǒng)－隱藏各種不同硬件的具體細節(jié)，為所有設備提供統(tǒng)一的接口。網(wǎng)絡－提供了對各種網(wǎng)絡標準協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡硬件的支持。進程間通信(IPC)－支持進程間各種通信機制，包括共享內存、消息隊列及管道等。Linux內核版本樹

0.01

Linux（第一版）

0.13版

|

產(chǎn)品化版本

實驗版本

1.0.0

1.1.0(1.0.0的拷貝)

1.0.X(修改)

1.1.X(增加新功能，進行測試)

…

1.1.95(成為1.2.0)內核源代碼結構Linux內核源代碼分析工具

Linux超文本交叉代碼檢索工具

http://lxr.linux.no/

Windows平臺下的源代碼閱讀工具SourceInsightLinux內核模塊編程入門

認識內核模塊

內核模塊是linux內核向外部提供的一個插口，是內核的一部分，但是并沒有被編譯到內核里面去，其全稱為動態(tài)可加載內核模塊(LoadableKernelModule,LKM)，簡稱模塊。為什么要使用模塊？

linux內核之所以提供模塊機制，是因為它本身是一個單內核。而單內核的最大優(yōu)點就是效率高，因為所有的內容都集成在一起，但其缺點是可擴展性和可維護性相對較差，模塊機制就是為了彌補這一缺陷。Linux內核模塊編程入門

模塊的定義

模塊是具有獨立功能的程序，它可以被單獨編譯，但不能獨立運行。它在運行時被鏈接到內核作為內核的一部分在內核空間運行，這與運行在用戶空間的進程是不同的。模塊通常由一組函數(shù)和數(shù)據(jù)結構組成，用來實現(xiàn)一種文件系統(tǒng)、一個驅動程序或者其他內核上層的功能。編寫簡單的內核模塊

模塊和內核都在內核空間運行，模塊編程在一定意義上說就是內核編程。一個內核模塊應該至少有兩個函數(shù)，第一個為module_init()，是模塊加載函數(shù)，當模塊被插入到內核時調用它；第二個為module_exit()，是模塊卸載函數(shù)，當模塊從內核移走時調用它。Linux內核模塊編程入門

簡單的內核模塊實例：

任何模塊都要包含的三個頭文件：#include<linux/module.h>#include<linux/kernel.h>#incldue<linux/init.h>說明：module.h頭文件包含了對模塊的版本控制；kernel.h包含了常用的內核函數(shù)；init.h包含了宏__init和__exit，宏__init告訴編譯程序相關的函數(shù)和變量僅用于初始化，編譯程序將標有__init的所有代碼存儲到特殊的內存段中，初始化結束就釋放這段內存。在此使用了printk()函數(shù)，該函數(shù)是由內核定義的，功能和C庫中的printf()類似，它把要打印的日志輸出到終端或系統(tǒng)日志。字符串中的<1>是輸出的級別，表示立即在終端輸出。Linux內核模塊編程入門

內核模塊的Makefile文件

內核模塊不是獨立的可執(zhí)行文件，但在運行時其目標文件被鏈接到內核中。只有超級用戶才能加載和卸載模塊。給前面的程序起名叫module_example.c，那么其對應的Makefile文件的基本內容如下：obj-m:=這個賦值語句的含義是說明要使用目標文件module_example.o建立一個模塊，最后生成的模塊名為module_example.ko。.o文件是經(jīng)過編譯和匯編，而沒有經(jīng)過鏈接的中間文件。注：makefile文件中，若某一行是命令，則它必須以一個Tab鍵開頭。Linux內核模塊編程入門

運行代碼當編譯好模塊，就可以用insmod命令將新的模塊插入到內核中，如：

insmodmodule_example.ko然后，可以用lsmod命令查看模塊是否正確地插入到了內核中。模塊的輸出由printk()產(chǎn)生。該函數(shù)默認打印系統(tǒng)文件/var/log/messages的內容。卸載模塊時，使用rmmod命令加上在insmod中看到的模塊名，就可以從內核中移除該模塊：

rmmodmodule_exampleLinux內核模塊編程入門

應用程序與內核模塊的比較

C語言應用程序內核模塊程序使用函數(shù)Libc庫內核函數(shù)運行空間用戶空間內核空間運行權限普通用戶超級用戶入口函數(shù)main()module_init()出口函數(shù)exit()module_cleanup()編譯gcc–cmake連接gccinsmod運行直接運行insmod調試gdbkdbug,kdb,kgdb等Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用為什么要用鏈表？①與數(shù)組相比，鏈表中可以動態(tài)插入或刪除元素，在編譯時不必知道要創(chuàng)建的元素個數(shù)。②在內存無需占用連續(xù)的內存單元。③每個元素都包含一個指向下一個元素的指針，當有元素加入鏈表或者從鏈表中刪除元素時，只需要調整下一個節(jié)點的指針就可以了。Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用通過前趨（prev）和后繼（next）兩個指針域，就可以從兩個方向遍歷雙鏈表，這使得遍歷鏈表的代價減少。鏈表的演化

在C語言中，一個基本的雙向鏈表定義如下：structmy_list{ void*mydata; structmy_list*next; structmy_list*prev; };Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用鏈表的定義linux內核對鏈表的實現(xiàn)方式與眾不同，不是在鏈表中包含數(shù)據(jù)，而是在數(shù)據(jù)結構中包含鏈表。其具體的定義如下：

structlist_head{

structlist_head*next,*prev;

};這個不含數(shù)據(jù)結構的通用雙向鏈表可以嵌入到任何結構中。說明：1.list域隱藏了鏈表的指針特性2.structlist_head可以位于結構的任何位置，可以給其起任何名字3.在一個結構中可以有多個list域

以structlist_head為基本對象，可以對鏈表進行插入、刪除、合并以及遍歷等各種操作。

Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用鏈表的聲明和初始化structlist_head只定義了鏈表節(jié)點，并沒有專門定義鏈表頭，那么一個鏈表結構是如何建立起來的？內核代碼list.h中定義了兩個宏：#defineLIST_HEAD_INIT(name){&(name),&(name)}/*僅初始化*/#defineLIST_HEAD(name)structlist_headname= LIST_HEAD_INIT(name)

/*聲明并初始化*/

當我們調用LIST_HEAD(name)聲明一個名為name的鏈表頭時，它的next和prev指針都初始化指向自己。這樣，我們就有了一個空鏈表，因為linux用頭指針的next是否指向自己來判斷鏈表是否為空：staticinlineintlist_empty(conststructlist_head*head){

returnhead->next==head;}Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用在鏈表中增加一個節(jié)點在include/linux/list.h中增加結點的函數(shù)為：

staticinlinevoidlist_add();staticinlinevoidlist_add_tail();

在內核代碼中，函數(shù)名前加兩個下劃線表示內部函數(shù)。list_add()和list_add_tail()均調用__list_add()真正實現(xiàn)頭插和尾插。staticinlinevoid__list_add(structlist_head*new,structlist_head*prev,structlist_head*next){next->prev=new;new->next=next;new->prev=prev;prev->next=new;}staticinlinevoidlist_add(structlist_head*new,

structlist_head*head){__list_add(new,head,head->next);}該函數(shù)向指定鏈表的head結點后插入new結點。因為是循環(huán)鏈表，而且通常沒有首尾結點的概念，所以可以將任何結點傳給head。若傳最后一個元素給head，該函數(shù)就可以實現(xiàn)一個棧。Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用

list_add_tail()的內核實現(xiàn):

staticinlinevoidlist_add_tail(structlist_head*new,structlist_head*head){__list_add(new,head->prev,head);}

list_add_tail()函數(shù)向指定鏈表的head結點前插入new結點。說明：關于staticinline關鍵字。

“static”加在函數(shù)前，表示這個函數(shù)是靜態(tài)函數(shù)，所謂靜態(tài)函數(shù)，實際上是對函數(shù)作用域的限制，指該函數(shù)的作用域僅局限于本文件。所以說，static具有信息隱藏的作用。而關鍵字"inline“加在函數(shù)前，說明這個函數(shù)對編譯程序是可見的，也就是說編譯程序在調用這個函數(shù)時就立即展開該函數(shù)。Linux內核中鏈表的實現(xiàn)及應用

鏈表的遍歷

這種鏈表只是找到了一個個結點在鏈表中的偏移位置pos，如下圖(a)。那么如何通過pos獲得結點的起始地址，從而可以引用結點中的域呢？(a)(b)list.h中定義了晦澀難懂的list_entry（）宏：#definelist_entry(ptr,type,member)\

((type*)(