《UNIX内核分析》课件.ppt
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1、UNIX UNIX 内核分析内核分析参考教材:参考教材:UNIX操作系统教程 尤晋元西安电子科技大学出版社前前 序序 UNIX系统1969年诞生,以其特有的简洁性和开放性获得赞同与青睐,已经被移植到数十种硬件平台上。UNIXUNIX是通用的,交互式的分时系统。是通用的,交互式的分时系统。是通用的,交互式的分时系统。是通用的,交互式的分时系统。UNIX系统已远远超出一个OS软件所起的作用,它在方方面面潜移默化地影响着人们对软件的设计和开发,其蕴含的设计思想至今仍然是十分值得借鉴的。UNIXUNIX系统特点系统特点n已有技术的精选、提炼和发展,简洁实用,短小精已有技术的精选、提炼和发展,简洁实用,
2、短小精悍,功能强大悍,功能强大n具有分层、可装卸的文件卷系统具有分层、可装卸的文件卷系统n任何一个程序可不加改变地在前台任何一个程序可不加改变地在前台/后台异步运行后台异步运行n将文件、目录和设备均统一看作文件将文件、目录和设备均统一看作文件n提供提供I/O缓冲技术缓冲技术n提供功能完备、使用灵活的命令语言提供功能完备、使用灵活的命令语言n丰富的核外系统程序丰富的核外系统程序n采用高级语言编写,可移植性好采用高级语言编写,可移植性好UNIXUNIX系统结构系统结构进程控制子系统进程控制子系统进程通信调 度存储管理文件子系统文件子系统高速缓存字符设备块设备设备驱动程序系统调用接口系统调用接口硬件
3、控制硬件控制库函数用户程序核核心心级级用用户户级级UNIXUNIX核心源程序结构核心源程序结构 以以UNIX V6为例,其内核源程序约一万行,按编译为例,其内核源程序约一万行,按编译方式大致分方式大致分3类类44个文件:个文件:n.c文件文件:28个文件,个文件,190个可单独编译的子程序个可单独编译的子程序n.h文件文件:全局变量,:全局变量,14个文件个文件n.s文件文件:汇编程序文件,约:汇编程序文件,约1000条,条,2个文件个文件33个个子程序子程序进程描述进程描述 程序状态字和通用寄存器程序状态字和通用寄存器nPDP-11程序状态字组成15151414131312121111101
4、09 98 87 76 65 54 43 32 21 10 0当前态以前态优先级/8级TNZVCn进程分Kernel/User 2种运行状态,区别n进程处于不同地址空间:核心态/用户态空间n可否执行特权指令n使用不同的栈顶指针寄存器r6进程描述进程描述 程序状态字和通用寄存器程序状态字和通用寄存器n通用寄存器通用寄存器 PDP-11/40有有9个通用寄存器,长度个通用寄存器,长度16位,编号位,编号r0-r7nr0-r1:I/O参数传递参数传递nr2-r4:存放过程执行时的局部变量:存放过程执行时的局部变量n r5:环境指针:环境指针n r6:堆栈指针,:堆栈指针,kernel/user态各态
5、各1个个n r7:PC进程描述进程描述 进程与映像进程与映像(Process&Image)n进程是映像的执行进程是映像的执行n映像是计算机的执行环境,一个映像包括映像是计算机的执行环境,一个映像包括n存储映像存储映像n通用寄存器的值通用寄存器的值n打开文件的状态打开文件的状态n当前目录当前目录n其他信息其他信息进程描述进程描述 进程的存储影响进程的存储影响n进程映像中最为关键的部分是存储映像。进程映像中最为关键的部分是存储映像。n存储映像由存储映像由5部分组成:部分组成:n进程控制块进程控制块PCBn共享正文段共享正文段n数据段数据段n共享内存段共享内存段n工作区工作区进程控制块进程控制块PC
6、BPCBnUnix为了节省为了节省PCB所占主存,所占主存,PCB分为分为2部分部分n常驻内存部分:常驻内存部分:Proc结构。包含进程调度必须的信息;结构。包含进程调度必须的信息;n非常驻内存部分:非常驻内存部分:User结构。包含进程运行时才要用到的结构。包含进程运行时才要用到的更多其他信息,它随用户程序和数据部分更多其他信息,它随用户程序和数据部分换进换进/换出换出主存。主存。User区的字段只能由正在运行的进程存取。即只有占用区的字段只能由正在运行的进程存取。即只有占用CPU的进程才能访问属于当前进程的私有的进程才能访问属于当前进程的私有User区。区。n整个系统有一个进程表,称为整个
7、系统有一个进程表,称为Proc数组。数组。Unix系统系统最多有最多有50个进程;个进程;n每个进程有专用的每个进程有专用的User区,但核心根据进程页表,区,但核心根据进程页表,通过地址映射机构,可访问当前进程的通过地址映射机构,可访问当前进程的User区。区。(好好像系统中仅有一个像系统中仅有一个User区区)共享正文段共享正文段n是指可由多个进程共享的区域,包括是指可由多个进程共享的区域,包括n纯代码形式的程序纯代码形式的程序n参数参数n一个进程的正文段也可以不存在一个进程的正文段也可以不存在数据段数据段n指进程执行时用到的数据,包括指进程执行时用到的数据,包括n外部变量外部变量n静态局
8、部变量静态局部变量n常数常数n如果进程执行的程序为非共享的,也可以构如果进程执行的程序为非共享的,也可以构成数据段的一部分,可被用户态进程读、写、成数据段的一部分,可被用户态进程读、写、执行执行工作区工作区n进程的用户栈和核心栈分别为进程用户态和进程的用户栈和核心栈分别为进程用户态和核心态下运行的工作区核心态下运行的工作区n用于函数调用时的常数传递,现场保留,返用于函数调用时的常数传递,现场保留,返回地址保存,局部变量存储等回地址保存,局部变量存储等进程映像在存储器中的分布进程映像在存储器中的分布nPDP-11/40最多配置最多配置248K内存,进程映像分为常内存,进程映像分为常驻驻/非常驻内
9、存部分非常驻内存部分n常驻部分:常驻部分:Proc,共享正文段的控制信息块,共享正文段的控制信息块n非常驻部分:数据段,共享正文段,工作区。非常驻部分:数据段,共享正文段,工作区。nUnix将除了共享正文段以外的其他部分作为一个整将除了共享正文段以外的其他部分作为一个整体处理,体处理,(结构见下页结构见下页)n无论在主存还是在盘交换区,该部分占用连续存储区无论在主存还是在盘交换区,该部分占用连续存储区n作为整体入作为整体入/出主存出主存nUnix设置设置text数组数组(共共40个元素个元素)管理所有可共享正管理所有可共享正文段,表目内容主要有:共享正文段外存地址,段文段,表目内容主要有:共享
10、正文段外存地址,段长度,共享该段的进程数等长度,共享该段的进程数等非常驻部分的分布结构非常驻部分的分布结构nppda区只有核心态进程可以访问User结构系统栈区用户程序/数据段用户栈区底部底部/02891024顶部顶部进程数据区进程数据区/ppdaPer Process Data Area进程的数据结构进程的数据结构 进程的基本控制块进程的基本控制块/Proc结构结构Struct proc(主要部分主要部分)int p-pid;/*唯一标识一个进程的整数:唯一标识一个进程的整数:0 215-1 int p-ppid;/*父进程标识数父进程标识数 char p-uid;/*用户标识符用户标识符U
11、ID,由高级用户分配,由高级用户分配 char p-stat;/*进程当前状态进程当前状态 char p-flag;/*表示进程映像是否在主存表示进程映像是否在主存/盘交换区盘交换区 char p-pri;/*-100+127。值越小,优先权越高。值越小,优先权越高 char p-time;/*调度驻留时间:进程映像最近一次入调度驻留时间:进程映像最近一次入/出主存后的时间出主存后的时间 char p-cpu /*CPU使用情况使用情况 char p-nice;/*偏置值:计算进程优先权时使用,可由用户设置偏置值:计算进程优先权时使用,可由用户设置 char p-sig;/*进程接收的信号类型
12、数:进程接收的信号类型数:0 19,0 13系统定义系统定义 int p-addr;/*ppda区的起址区的起址(单位是字符块数单位是字符块数):内存:内存64B/块,外存块,外存512B/块块 int p-size;/*除共享正文段外,可交换映像长度除共享正文段外,可交换映像长度 int p-wchan;/*睡眠原因:原因消失,则唤醒睡眠原因:原因消失,则唤醒 int p-textp;/*指向指向text结构的指针结构的指针 procNproc;/*Nproc是系统可容纳的最大进程数是系统可容纳的最大进程数/50进程的数据结构进程的数据结构 进程的扩充控制块进程的扩充控制块/User结构结构
13、(1)n每个进程每个进程User结构的虚拟起始地址都是结构的虚拟起始地址都是u=14000。操作系统通过编译、链接给操作系统通过编译、链接给u变量赋值,其地址空变量赋值,其地址空间对应核心空间第间对应核心空间第7页,其物理地址可以映射到主页,其物理地址可以映射到主存中各进程的存中各进程的user结构。结构。nUser结构含有当进程换出内存候不需要访问的所有结构含有当进程换出内存候不需要访问的所有数据数据进程的数据结构进程的数据结构 进程的扩充控制块进程的扩充控制块/User结构结构(2)Struct user(主要部分主要部分)int u-rsav2;/*调度进程的正常保留区:调度进程的正常保
14、留区:r5,r6 int u-qsav2;/*中止系统调用的越级返回保留区中止系统调用的越级返回保留区 int u-ssav2;/*fork时恢复子进程运行的保留区时恢复子进程运行的保留区 char u-segflg;/*I/O标志,标志,0/1/2分别为:用户数据分别为:用户数据/系统系统/用户指令空间用户指令空间 char u-error;/*出错返回码出错返回码 char u-uid;/*有效用户标识号有效用户标识号 char u-gid;/*有效用户组标识号有效用户组标识号 char u-ruid /*实际用户标识号实际用户标识号 char u-rgid;/*实际用户组标识号实际用户组
15、标识号 int u-procp;/*指向本进程的指向本进程的proc结构指针结构指针 char*u-base;/*I/O基址,文件传输中表示主存地址,基址,文件传输中表示主存地址,R/W-目标目标/信息源指针信息源指针 char*u-count;/*I/O字节数字节数 char*u-offset2;/*文件传输中表示文件内相对位移量文件传输中表示文件内相对位移量(字节字节)char*u-cdir;/*当前目录项当前目录项i节点指针节点指针 char u-dbufDIRSIZE;/*保留当前用到的文件路径名保留当前用到的文件路径名 char*u-dirp;/*当前目录文件名指针当前目录文件名指针
16、进程的数据结构进程的数据结构 进程的扩充控制块进程的扩充控制块/User结构结构(3)Struct int u-ino /*i结点号结点号 /*该结构保存一个文件目录项该结构保存一个文件目录项 char u-nameDIRSIZE;/*该文件路径名分量该文件路径名分量 u-dent;int*u-pdir;/*父目录项父目录项i结点指针结点指针 char u-uisa16;/*存放本进程用户空间地址寄存器内容存放本进程用户空间地址寄存器内容 char u-uisd16;/*存放本进程用户空间说明寄存器内容存放本进程用户空间说明寄存器内容 char u-ofileNOFILE;/*用户打开文件表,
17、共用户打开文件表,共15个表目个表目 char u-arg5;/*用户传入的自变量用户传入的自变量 char u-tsize /*本进程正文段块数本进程正文段块数 char u-dsize;/*本进程数据段块数本进程数据段块数 int u-ssize;/*本进程堆栈段块数本进程堆栈段块数 char u-signalNSIG;/*软中断处理程序入口表,软中断处理程序入口表,20个表目个表目 char u-utime;/*进程用户态下运行时间进程用户态下运行时间 char u-stime;/*进程核心态下运行时间进程核心态下运行时间 char u-cutime;/*已中止子进程用户态下运行时间总和
18、已中止子进程用户态下运行时间总和 char u-cstime;/*已中止子进程核心态下运行时间总和已中止子进程核心态下运行时间总和 char u-intflag;/*系统调用是否执行完成标志系统调用是否执行完成标志u;进程的数据结构进程的数据结构 共享正文段共享正文段/text结构结构Struct text int x-daddr;/*共享正文段在盘交换区的起始地址共享正文段在盘交换区的起始地址 int x-caddr;/*共享正文段在内存中的起始块号共享正文段在内存中的起始块号(*64=起始地址起始地址)int x-size;/*共享正文段长度共享正文段长度 char x-count /*共
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- 关 键 词:
- UNIX内核分析 UNIX 内核 分析 课件
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