第8章 Linux操作系统.ppt

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1、第第8章章 操作系统实例二：操作系统实例二：Linux 教学目标：本章的重点：了解Linux操作系统的特点、进程通信和调度、三级页式虚拟存储器管理、VFS和ext2文件系统以及Linux的安全机制等内容。教学提示：Linux是可免费获得的多用户、多任务操作系统，是可以自由使用的UNIX兼容产品，这就是学习Linux的主要原因。了解Linux操作系统的特点、核心技术和实现方法有助于该系统进一步的开发和应用。8.1 Linux概述概述 8.1.1 8.1.1 学习学习LinuxLinux操作系统的意义操作系统的意义8.1.2 Linux8.1.2 Linux系统的特点系统的特点8.1.3 Linu

2、x 8.1.3 Linux 系统的发展系统的发展8.1.4 Linux8.1.4 Linux体系结构体系结构 8.1.5 Linux8.1.5 Linux的用户界面的用户界面 8.2 Linux的进程管理的进程管理 8.2.1 Linux8.2.1 Linux进程的组成进程的组成LinuxLinux系统中的进程都具有以下系统中的进程都具有以下4 4个要素。个要素。(1)(1)有一个程序正文段供其执行。有一个程序正文段供其执行。(2)(2)有进程专用的系统堆栈空间。有进程专用的系统堆栈空间。(3)(3)有一个进程描述符，即在内核中的一个有一个进程描述符，即在内核中的一个task_structta

3、sk_struct数据结构。有数据结构。有了这个数据结构，进程才能成为内核调度的一个基本单位，接受内核了这个数据结构，进程才能成为内核调度的一个基本单位，接受内核的调度。同时，该结构还记录着进程所占用的各项资源。的调度。同时，该结构还记录着进程所占用的各项资源。(4)(4)有一个独立的地址空间，即拥有专有的用户空间和专用的用户空有一个独立的地址空间，即拥有专有的用户空间和专用的用户空间堆栈。间堆栈。8.2.2 Linux进程的状态进程的状态 LinuxLinux的进程状态共有的进程状态共有6 6种。种。(1)(1)TASK_RUNNINGTASK_RUNNING：正在运行正在运行(己获得己获得

4、CPU)CPU)或准备运行或准备运行(就绪态就绪态等待获得等待获得CPU)CPU)的进程的进程。(2)(2)TASK_INTERRUPTIBLETASK_INTERRUPTIBLE：可中断等待状态。进程处于等待队列中，一旦资可中断等待状态。进程处于等待队列中，一旦资源可用时被唤醒，也可以由其他进程通过信号源可用时被唤醒，也可以由其他进程通过信号(SIGNAL)(SIGNAL)或中断唤醒。或中断唤醒。(3)(3)TASK_UNINTERRUPTIBLETASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中断等待状态。进程处于等待队列中，一不可中断等待状态。进程处于等待队列中，一旦资源可用时被唤醒，但不

5、可以由其他进程通过信号旦资源可用时被唤醒，但不可以由其他进程通过信号(SIGNAL)(SIGNAL)或中断唤醒。或中断唤醒。(4)(4)TASK_ZOMBIETASK_ZOMBIE：进程僵死状态。进程停止运行但是尚未释放进程僵死状态。进程停止运行但是尚未释放PCBPCB。(5)(5)TASK_STOPPEDTASK_STOPPED：进程停止状态。可能被特定信号终止，也可能是受其他进程停止状态。可能被特定信号终止，也可能是受其他进程的跟踪调用而暂时将进程的跟踪调用而暂时将CPUCPU出让给跟踪它的进程。出让给跟踪它的进程。(6)(6)TASK_SWAPPINGTASK_SWAPPING：页面被交

6、换出内存的进程。页面被交换出内存的进程。8.2.3 8.2.3 进程状态的切换时机进程状态的切换时机第第一一类类是是隐隐式式地地主主动动放放弃弃CPUCPU。这这往往往往是是因因为为需需要要的的资资源源目目前前不不能能获获取取，如如执执行行read()read()、selecselec()()等系统调用的过程中。等系统调用的过程中。第第 二二 类类 是是 进进 程程 显显 式式 地地 主主 动动 放放 弃弃 CPUCPU，如如 系系 统统 调调 用用 sched_yieldsched_yield()()、sched_setschedulersched_setscheduler()()及及pau

7、se()pause()均均会会导导致致当前进程让出当前进程让出CPUCPU。8.2.4 Linux8.2.4 Linux的进程控制的进程控制 1.1.进程的创建进程的创建2.2.LinuxLinux操操作作系系统统中中，除除初初始始化化进进程程外外，其其他他进进程程都都是是用用系系统统调调用用fork()fork()和和clone()clone()创创建建的的，调调用用fork()fork()和和clone()clone()的的进进程程是是父父进程，被生成的进程是子进程。进程，被生成的进程是子进程。2.2.进程的等待进程的等待 父父进进程程可可用用系系统统调调用用wait3()wait3()等

8、等待待它它的的任任何何一一个个子子进进程程终终止止，也也可可以以用用系系统统调调用用wait4wait4()()等待某个特定的子进程终止。等待某个特定的子进程终止。3.3.进程的终止进程的终止 当当命命令令执执行行完完，希希望望终终止止自自己己时时，可可在在其其程序末尾使用系统调用程序末尾使用系统调用exit()exit()。4.4.进程上下文切换进程上下文切换 改改变变进进程程上上下下文文的的工工作作很很复复杂杂，是是由由系系统统调调用用execveexecve()()实实现现的的。它它用用一一个个可可执执行行文文件件的副本覆盖该进程的内存空间。的副本覆盖该进程的内存空间。8.2.5 Lin

9、ux 8.2.5 Linux 线程线程 LinuxLinux并并不不确确切切区区分分进进程程与与线线程程，或或者者说说没没有有真真正正意意义义上上的的线线程程概概念念，但但通通过过cloneclone()()系系 统统 调调 用用，可可 以以 支支 持持 轻轻 量量 级级 进进 程程(Lightweight Process)(Lightweight Process)。8.2.6 PCB8.2.6 PCB(进程控制块进程控制块)LinuxLinux内内 核核 利利 用用 一一 个个 数数 据据 结结 构构(task_structtask_struct)标标 志志 一一 个个 进进 程程 的的 存

10、存 在在。task_structtask_struct也就是也就是LinuxLinux进程控制块进程控制块PCB PCB 8.2.7 8.2.7 进程的调度进程的调度 LinuxLinux中实现了中实现了3 3种进程调度策略。种进程调度策略。SCHED_FIFOSCHED_FIFO：先先进进先先出出(First(First In In First First Out)Out)策略。策略。SCHED_RRSCHED_RR：轮转调度轮转调度(RoundRobinRoundRobin)策略。策略。SCHED_OTHERSCHED_OTHER：其他策略。其他策略。8.8.2.8 Linux8.8.2.

11、8 Linux进程通信进程通信 信信号号是是UNIXUNIX系系统统中中最最古古老老的的进进程程间间通通信信机机制，它主要用来向进程发送异步的事件信号。制，它主要用来向进程发送异步的事件信号。LinuxLinux中中，信信号号种种类类的的数数目目和和具具体体的的平平台台有有关关，因因为为内内核核用用一一个个字字代代表表所所有有的的信信号号，因因此此字字的的位位数数就就是是信信号号种种类类的的最最多多数数目目。对对3232位位的的i386i386平平台台而而言言，一一个个字字为为3232位位，因因此此信号有信号有3232。8.2.9 8.2.9 信号量与信号量与PVPV操作操作 信信号号量量也也

12、用用来来保保护护关关键键代代码码或或数数据据结结构构(即即临临界界资资源源)。LinuxLinux利用信号量实现对关键代码和数据的互斥访问。利用信号量实现对关键代码和数据的互斥访问。LinuxLinux信号量数据结构中包含的信息主要有。信号量数据结构中包含的信息主要有。1)1)count(count(计数计数)2)2)waking(waking(等待唤醒计数等待唤醒计数)3)3)等待队列等待队列4)lock(4)lock(锁锁)8.2.10 8.2.10 管道管道 管管道道是是LinuxLinux中中最最常常用用的的进进程程间间通通信信IPCIPC机机制制。利利用用管管道道时时，一一个个进进程

13、程的的输输出出可可成成为为另另外外一一个个进进程程的的输输入入。当当输输入入输输出出的的数数据据量量特特别大时，这种别大时，这种IPCIPC机制非常有用。机制非常有用。8.2.11 8.2.11 共享存储区与消息队列通信机制共享存储区与消息队列通信机制 1.Linux1.Linux进程间的共享存储区通信进程间的共享存储区通信 2.Linux2.Linux进程间的消息队列进行通信进程间的消息队列进行通信 LinuxLinux进进程程间间的的通通信信也也可可以以通通过过消消息息队队列列进进行行。消消息息队队列列可可以以是是单单消消息息队队列列，也也可可以以是是多多消消息息队队列列(按按消消息息类类

14、型型)；既既可可以以单单向向，也也可可以以双双向向通通信信；既既可可以以仅仅和和两两个个进进程程有有关关，也可以被多个进程使用。也可以被多个进程使用。8.3.1 Linux8.3.1 Linux的虚拟内存管理的虚拟内存管理 LinuxLinux的的虚虚拟拟内内存存管管理理功功能能可可以以概概括括为为以以下几点。下几点。(1)(1)地址空间扩充。地址空间扩充。(2)(2)进程保护。进程保护。(3)(3)内存映射。内存映射。(4)(4)物理内存分配。物理内存分配。8.3 Linux 存储器管理存储器管理 8.3.2 Linux8.3.2 Linux系统采用三级页表系统采用三级页表 8.3.3 8.

15、3.3 内存页的分配与释放内存页的分配与释放 LinuxLinux系系统统的的物物理理内内存存页页分分配配采采用用链链表表和和位图相结合的方法。位图相结合的方法。8.3.4 8.3.4 内存交换内存交换 当当系系统统出出现现内内存存不不足足时时，LinuxLinux内内存存管管理理子子系系统统就就要要释释放放一一些些内内存存页页，从从而而增增加加系系统统中中空空闲闲内内存存页页的的数数量量。此此任任务务是是由由内内核核的的交交换守护进程换守护进程kswapdkswapd完成的。完成的。8.3.5 8.3.5 内存的共享和保护内存的共享和保护 LinuxLinux中内存共享是以页共享的方式实现的

16、中内存共享是以页共享的方式实现的LinuxLinux可以对虚存段中的任一部分加锁或保护。可以对虚存段中的任一部分加锁或保护。8.3.6 8.3.6 缺页中断缺页中断 磁磁盘盘中中的的可可执执行行文文件件映映像像一一旦旦被被映映射射到到一一个个进进程程的的虚虚拟拟空空间间，它它就就开开始始执执行行。由由于于一一开开始始只只有有该该映映像像区区的的开开始始部部分分被被调调入入内内存存，因因此此，进进程程迟迟早早会会执执行行那那些些未未被被装装入入内内存存的的部部分分。当当一一个个进进程程访访问问了了一一个个还还没没有有有有效效页页表表项项的的虚虚拟拟地地址址时时，处处理理器器将将产产生生缺缺页页中

17、中断断，通通知知操操作作系系统统，并并把把缺缺页页的的虚虚拟拟地地址址(保保存存在在CR2CR2寄寄存存器器中中)和和缺缺页页时时访访问问虚虚存存的的模模式式一一并传给并传给LinuxLinux的缺页中断处理程序。的缺页中断处理程序。8.4 Linux文件管理文件管理 8.4.1 Linux8.4.1 Linux文件系统的目录结构文件系统的目录结构 LinuxLinux采采用用的的是是树树型型目目录录结结构构管管理理文文件件。最最上上层层是是根根目目录录，其其他他的的所所有有目目录录都都是是从从根根目目录录出发而生成的。出发而生成的。8.4.2 Linux8.4.2 Linux文件系统的实现文

18、件系统的实现 LinuxLinux支支持持多多种种不不同同类类型型的的文文件件系系统统，包包括括EXTEXT、EXT2EXT2、MINIXMINIX、UMSDOSUMSDOS、NCPNCP、IS09660IS09660、HPFSHPFS、MSDOSMSDOS、NTFSNTFS、XIAXIA、VFATVFAT、PROCPROC、NFSNFS、SMBSMB、SYSVSYSV、AFFSAFFS以以及及UFSUFS等等。由由于于每每一一种种文文件件系系统统都都有有自自己己的的组组织织结结构构和和文文件件操操作作函函数数，并并且且相相互互之之间间的的差差别别很很大大，LinuxLinux文文件件系系统统

19、的的实实现现有有一一定定的的难难度度。为为支支持持上上述述的的各各种种文文件件系系统统，LinuxLinux在在实实现现文文件件系系统统时时采采用用了了两两层层结结构构。第第一一层层是是虚虚拟拟文文件件系系统统(Virtual(Virtual File File SystemSystem，VFS)VFS)，它它把把各各种种实实际际文文件件系系统统的的公公共共结结构构抽抽象象出出来来，建建立立统统一一的的以以i_nodei_node为为中中心心的的组组织织结结构构，为为实实际际文文件件系系统统提提供供兼兼容容性性。它它的的作作用用是是屏屏蔽蔽各各类类文文件件系系统统的的差差异异，给给用用户户、应

20、应用用程程序序和和LinuxLinux的的其其他他管管理理模模块块提提供供统统一一的的接接口口。第第二二层层是是LinuxLinux支支持持的的各各种种实实际文件系统。际文件系统。8.4.3 8.4.3 虚拟文件系统虚拟文件系统 虚虚拟拟文文件件系系统统(VFS)(VFS)是是物物理理文文件件系系统统与与服服务务之之间间的的一一个个接接口口层层，它它对对每每一一个个具具体体的的文文件件系系统统的的所所有有细细节节进进行行抽抽象象，使使得得LinuxLinux用用户能够用同一个接口使用不同的文件系统。户能够用同一个接口使用不同的文件系统。8.4.4 EXT28.4.4 EXT2文件系统文件系统

21、扩扩展展文文件件系系统统EXTEXT和和第第二二代代扩扩展展文文件件系系统统EXT2EXT2是专门为是专门为LinuxLinux设计可扩展的文件系统。设计可扩展的文件系统。8.4.5 Linux8.4.5 Linux的文件操作系统调用的文件操作系统调用 1.1.文件的打开文件的打开 主要函数有主要函数有sys_open()sys_open()和和sys_creatsys_creat()()。2.2.文件的关闭文件的关闭 3.3.文件指针移动文件指针移动 4.4.读写文件操作读写文件操作 5.5.文件属性控制文件属性控制 6.6.文件上锁文件上锁 7.7.文件的文件的I/OI/O控制控制 8.8

22、.各种其他文件操作各种其他文件操作 8.5 Linux设备管理设备管理 8.5.1 Linux8.5.1 Linux设备驱动程序设备驱动程序 LinuxLinux核核心心具具体体负负责责I/OI/O设设备备的的操操作作，这这些些管管理理和和控控制制硬硬件件设设备备控控制制器器的的程程序序代代码码称称为为设设备备驱驱动动程程序序，它它们们是是常常驻驻内内存存的的底底层层硬硬件件处处理理子子程序，具有控制和管理程序，具有控制和管理I/OI/O设备的作用。设备的作用。8.5.2 8.5.2 设备的管理设备的管理 在在LinuxLinux操操作作系系统统中中，输输入入输输出出设设备备可可以以分为字符设备、块设备和网络设备。分为字符设备、块设备和网络设备。8.6 Linux安全机制安全机制 8.6.1 Linux8.6.1 Linux自身的安全机制自身的安全机制 LinuxLinux自身的安全机制主要包括以下几方面。自身的安全机制主要包括以下几方面。(1)(1)身份识别和认证。身份识别和认证。(2)(2)安全的审计。安全的审计。(3)(3)访问控制。访问控制。(4)(4)入侵防御。入侵防御。(5)(5)提供安全的服务和应用。提供安全的服务和应用。