第二版linux操作系统原理与应用chp1要点课件.ppt

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1、第一章操作系统概述认识操作系统 操作系统的发展开放源代码的Unix/Linux操作系统 Linux内核 Linux内核源代码Linux内核模块编程入门Linux内核中链表的实现及应用不同角度看到的操作系统不同角度看到的操作系统不同角度看到的操作系统不同角度看到的操作系统操作系统操作系统操作系统操作系统整体看整体看整体看整体看操作系统设计者操作系统设计者操作系统设计者操作系统设计者使用者使用者使用者使用者普通开发者普通开发者普通开发者普通开发者认识操作系统认识操作系统v打开计算机，首先跳入眼帘的是什么？v要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？l你需要知道文件存放在何处吗？l柱面、磁道、扇区描

2、述什么？l数据的搬动过程怎样进行v繁琐留给自己，简单留给用户l操作系统穿上华丽的外衣图形界面l操作系统穿上朴素的外衣字符界面认识操作系统认识操作系统从使用者的角度看从使用者的角度看v拷贝命令的C语言实现片断inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);do dol=read(inf,buf,4096);l=read(inf,buf,4096);wr

3、ite(outf,buf,l);write(outf,buf,l);while(l);while(l);close(outf);close(outf);close(inf);close(inf);认识操作系统认识操作系统从程序开发者的角度看从程序开发者的角度看 浏览器 信息管理 文件管理系统 游戏编译程序编辑程序命令解释程序操作系统CPU、内存、I/O接口硬件内核认识操作系统认识操作系统从所处位置看从所处位置看操作系统是其它所有用户程序运行的基础。#includemain()printf(“Hello worldn”)用户告诉操作系统执行用户告诉操作系统执行testtest程序程序 操作系统通

4、过文件名找到该程序操作系统通过文件名找到该程序 检查其类型检查其类型,检查程序首部，找出代检查程序首部，找出代码和数据存放的地址码和数据存放的地址文件系统找到第一个磁盘块文件系统找到第一个磁盘块 操作系统建立程序的执行环境操作系统建立程序的执行环境 操作系统把程序从磁盘装入内存，并操作系统把程序从磁盘装入内存，并跳到程序开始处执行跳到程序开始处执行 该程序的执行过程简述如下该程序的执行过程简述如下:操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找到字符串被送往的设备操作系统找到字符串被送往的设备 操作系统将字符串送往输出设备窗口操作系统将字符串送往输出设备窗口系统确

5、定这是一个合法的操作，然后系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素将字符串转换成像素窗口系统将像素写入存储映像区窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）信号控制显示器（重画屏幕）显示器发射电子束。你在屏幕上看到显示器发射电子束。你在屏幕上看到Hello worldHello world。从中看从中看到什么到什么认识操作系统认识操作系统从程序执行看从程序执行看从操作系统设计者的角度看v操作系统的设计目标是什么？l尽可能地方便用户使用计算机 l让各种软件资源和硬件资源高效而协调地运转起来。v计算机的硬件资源和

6、软件资源各指什么？v假设在一台计算机上有三道程序同时运行，并试图在一台打印机上输出运算结果，必须考虑哪些问题?v从操作系统设计者的角度考虑，一个操作系统必须包含以下几部分 l操作系统接口lCPU管理l内存管理l设备管理l文件管理认识操作系统认识操作系统从设计者角度看从设计者角度看 操作系统操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效、顺畅地运行。认识操作系统认识操作系统定义定义操作系统的组成操

7、作系统的组成(1)通常意义上的操作系统被认为是整个系统中负责完成最通常意义上的操作系统被认为是整个系统中负责完成最基本的功能和系统管理的部分。除了内核，这些部分还应该基本的功能和系统管理的部分。除了内核，这些部分还应该包括启动引导程序、命令行包括启动引导程序、命令行shell或者其他种类的用户界面、或者其他种类的用户界面、基本的文件管理工具和系统工具等。基本的文件管理工具和系统工具等。实际上，人们在得到操作系统的同时，更需要的是构架实际上，人们在得到操作系统的同时，更需要的是构架于其上的应用软件，从而完成所需的实际功能。为此，操作于其上的应用软件，从而完成所需的实际功能。为此，操作系统一般要和

8、应用软件绑定发行和出售。这样的软件包在系统一般要和应用软件绑定发行和出售。这样的软件包在linux领域被称作发布版。领域被称作发布版。操作系统的组成操作系统的组成(2)从从开发者开发者的角度看，的角度看，操作系统本质上是大型软件包操作系统本质上是大型软件包，因此，因此结构组织不会与其它大型软件迥异：操作系统的设计采用分层结构组织不会与其它大型软件迥异：操作系统的设计采用分层结构，越向上层抽象程度越高，越接近用户；越向下层，越靠结构，越向上层抽象程度越高，越接近用户；越向下层，越靠近硬件，抽象也越接近硬件。近硬件，抽象也越接近硬件。上层软件依靠下层软件提供的服务，而且上层软件自身还上层软件依靠下

9、层软件提供的服务，而且上层软件自身还提供附加服务。因此，操作系统的结构整体总体呈现倒金字塔提供附加服务。因此，操作系统的结构整体总体呈现倒金字塔形。形。用一组简单的公式描述操作系统的组成要素：用一组简单的公式描述操作系统的组成要素：操作系统操作系统=内核内核+系统程序系统程序系统程序系统程序=编译环境编译环境+API(+API(应用程序接口应用程序接口)+AUI()+AUI(用户接口用户接口)编译环境编译环境=编译程序编译程序+链接程序链接程序+装载程序装载程序API=shell+API=shell+系统服务例程系统服务例程+应用程序应用程序对于整个软件系统：对于整个软件系统：软件系统软件系统

10、=操作系统操作系统+AUI+AUI操作系统的演变v单道批处理系统单道批处理系统 l串行执行预先组织好的一组一组任务 l提高了系统效率。v多道批处理系统多道批处理系统 l可以交错运行多个程序 l再次提高系统效率。v分时分时系统系统l将处理器的运行时间分成数片，均分或依照一定权重派发给系统中的用户使用 l快速响应 操作系统的发展操作系统的发展硬件角度下的操作系发展轨迹 年 代 硬 件 特点 操作系统特点 背 景 机械计算机时代17世纪20世纪初 1）纯机械结构，低速2）只能进行简单的数学运算 纯手工操作 从计算尺至差分机到分析机发展了数百年第一代计算机1946年50年代末电子管计算机 1)体积大、

11、能耗高、故障多、价格贵2)难以普及应用 无操作系统（程序按机器码编写，载体从插件板到卡片与纸带）1906年发明电子管1946 ENIAC研制成功(第一台电子管计算机)年 代 硬 件 特点 操作系统特点 背 景 第二代计算机50年代末60年代中期晶体管计算机 1)采用印刷电路2)稳定性与可靠性 大 大 提 高3)批量生产成为可能4)进入实际应用领域但数量有限1）单道批处理系统2）操作系统以监督软件形式出现3）任务按顺序方式处理 1947年发明晶体管 第三代计算机60年代中期70年代初集成电路计算机 1)体积减小，性价 比 迅 速 提 高2)小型计算机发展迅速3)进入商业应用4)尚不适合家庭应用的

12、需求1)涌现大批操作系统多道批处理系统、分时系统和实时系统2）奠定了现代操作系统的基本框架 1958年发明集成电路1971年INTEL发明微处理器 硬件角度下的操作系统发展轨迹硬件角度下的操作系统发展轨迹分析v在硬件的性价比较低的时候，操作系统设计追求什么？v在硬件性价比越来越高后，操作系统的设计开始追求的目标是什么？v计算机开始普及后，操作系统的设计开始追求？v从第三代到第四代计算机，操作系统的发展逐渐摆脱追随硬件发展的状况，形成自己的理论体系v进入第四代系统后，分布式系统和多处理器系统虽然极大的扩充了操作系统理论，但系统结构并没有变化，只是各功能模块得以进一步完善。操作系统的发展操作系统的

13、发展硬件角度下操作系统发展的分析硬件角度下操作系统发展的分析主流操作系统 系统特点 计 算 机 语 言 背 景 无 手工操作 无编程语言直接使用机器代码 1936年图灵提出图灵机 单道批处理系统 作业运行的监督程序 编程语言雏形期 1957年 FORTRAN语言开发成功多道批处理分时系统实时系统多处理系统 操作系统结构确立，分为处理机管理、内存管理、设备管理、文件管理等模块 1）编程语言大量涌现2）结构化程序设计3）C语言逐渐 60年代的软件危机导致软件工程的发展1969年 Unix诞生1972年 C语言推出 主流操作系统 系统特点 计 算 机 语 言 背 景 类Unix系列WINDOWS系列

14、 人机交互成为主题1）可视化界面2）多媒体技 面向对象语言成为主流 80年代中期开始面向对象技术逐步发展网络操作系统分布式操作系统 微内核技术兴起 1）JAVA语言2）脚本语言兴起 1995年 JAVA推出 嵌入式系统 单内核与微内核竞争激烈 编程工具向跨平台方向发 1991年免费的操作系统Linux发布 软件角度下的操作系统发展轨迹软件角度下的操作系统发展轨迹 分析v程序设计理论约束着操作系统设计。操作系统的发展滞后于计算机语言的发展，从结构化设计到对象化设计，操作系统总是最后应用新编程理论的软件之一。v至今操作系统对于是否需要彻底对象化（即微内核化），还处于徘徊时期，仍在探索单内核与微内核

15、的最佳结合方式。v人机交互技术主要是为用户考虑，这是对操作系统设计进行的变革。v以Linux为代表的开源软件的出现，打破了带有神秘色彩的传统的封闭式开发模式。软件角度下的操作系统发展轨迹分析软件角度下的操作系统发展轨迹分析 讲究效率的单模块操作系统讲究效率的单模块操作系统进程管理进程管理内存管理内存管理设备管理设备管理文件管理文件管理模块之间可以互相调用的单模块结构模块之间可以互相调用的单模块结构讲究效率的单模块操作系统讲究效率的单模块操作系统v模块之间直接调用函数，除了函数调用的开销模块之间直接调用函数，除了函数调用的开销外，没有额外开销。外，没有额外开销。v庞大的操作系统有数以千计的函数v

16、复杂的调用关系势必导致操作系统维护的困难追求简洁的微内核操作系统追求简洁的微内核操作系统客户进程客户进程进程服务器进程服务器内存服务器内存服务器文件服务器文件服务器微内核微内核追求简洁的微内核操作系统追求简洁的微内核操作系统v内核与各个服务器之间通过通信机制进行交互，内核与各个服务器之间通过通信机制进行交互，这使得微内核结构的效率大大折扣。这使得微内核结构的效率大大折扣。v内核发出请求，服务器做出应答v为各个服务器模块的相对独立性，使得其维护相对容易历史悠久的历史悠久的Unixv在在MULTICS（1969）的肩上的肩上制研制者制研制者KenThompson和和DennisM.Ritchie

17、Unix的诞生还伴有的诞生还伴有C语言呱呱落地语言呱呱落地UnixUnix是现代操作系统的代表：安全、可靠、强大是现代操作系统的代表：安全、可靠、强大的计算能力的计算能力UnixUnix的商业化是一把双刃剑的商业化是一把双刃剑 自由而奔放的黑马自由而奔放的黑马Linux诞生于学生之手诞生于学生之手成长于成长于Internet Internet 壮大于自由而开壮大于自由而开放的文化放的文化LinuxLinux之父之父-Linus TorvaldsLinus Torvalds芬兰、赫尔辛基大学、芬兰、赫尔辛基大学、19901990起始于写两个进程起始于写两个进程 然后写驱动程序、文件然后写驱动程序

18、、文件系统、任务切换程序，系统、任务切换程序，从而形成一个操作系统从而形成一个操作系统邹形邹形Linux得以流行的原因之一得以流行的原因之一 遵循遵循POSIXPOSIX标准标准vPOSIX POSIX 表示可移植操作系统接口表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Portable Operating System InterfaceInterface）vPOSIXPOSIX是在是在UnixUnix标准化过程中出现的产物。标准化过程中出现的产物。vPOSIX 1003.1POSIX 1003.1标准定义了一个最小的标准定义了一个最小的UnixUnix操作系统

19、接口操作系统接口 v任何操作系统只有符合这一标准，才有可任何操作系统只有符合这一标准，才有可能运行能运行UnixUnix程序程序 Linux的肥沃土壤的肥沃土壤GNUvGNU GNU 是是 GNU Is Not Unix GNU Is Not Unix 的递归缩写，是自的递归缩写，是自由软件基金会的一个由软件基金会的一个项目项目 。v GNU GNU 项目产品包括项目产品包括 emacs emacs 编辑器、著名的编辑器、著名的 GNU C GNU C 和和 Gcc Gcc编译器等，这些软件叫做编译器等，这些软件叫做GNUGNU软件。软件。vGNU GNU 软件和派生工作均适用软件和派生工作均

20、适用 GNU GNU 通用公共许通用公共许可证，即可证，即 GPL GPL（General Public License）vLinuxLinux的开发使用了众多的的开发使用了众多的GUNGUN工具工具GPL开源软件的法律开源软件的法律vGPL GPL 允许软件作者拥有软件版权允许软件作者拥有软件版权 v但但GPLGPL规定授予其他任何人以合法复制、规定授予其他任何人以合法复制、发发行和修改软件的权利。行和修改软件的权利。LinuxLinux系系统统或或发发布版布版 v符合符合 POSIX POSIX 标准的操作系统内核、标准的操作系统内核、Shell Shell 和外围工具。和外围工具。v C

21、 C 语言编译器和其他开发工具及函数库语言编译器和其他开发工具及函数库 vX Window X Window 窗口系统窗口系统 v各种应用软件，包括字处理软件、图象处理各种应用软件，包括字处理软件、图象处理软件等。软件等。开放与开放与协协作作的开发模式的开发模式 v世界各地软件爱好者集体智慧的结晶世界各地软件爱好者集体智慧的结晶 v提供源代码，遵守提供源代码，遵守GPLGPL。v经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定性好。性好。v开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造性。性。LinuxLinux内核内核 vLinusL

22、inus领导下的开发小组开发出的系统内核领导下的开发小组开发出的系统内核 v是所有是所有Linux Linux 发布版本的核心发布版本的核心 v内核开发人员一般在百人以上，任何自由程内核开发人员一般在百人以上，任何自由程序员都可以提交自己的修改工作。序员都可以提交自己的修改工作。v采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误报告报告v有大量的用户进行测试，正式发布的代码质有大量的用户进行测试，正式发布的代码质量高量高 LinuxLinux内核内核的技术特点的技术特点 vlinuxlinux内核被设计成单内核结构，这是相对微内核而言的内核被设计成单内核结构，这是相

23、对微内核而言的 v2.62.6版本以前的版本以前的linuxlinux内核是单线程结构，是非抢占式的内内核是单线程结构，是非抢占式的内 核结构核结构vlinuxlinux内核支持动态加载内核模块内核支持动态加载内核模块 vLinuxLinux内核被动地提供服务内核被动地提供服务vlinuxlinux内核采用了虚拟内存技术，使得内存空间达到内核采用了虚拟内存技术，使得内存空间达到4GB4GBvlinuxlinux文件系统实现了一种文件系统实现了一种UNIXUNIX风格的抽象文件模型风格的抽象文件模型虚虚拟文件系统拟文件系统(Virtual Filesysterm Switch,VFS)(Virt

24、ual Filesysterm Switch,VFS)vlinuxlinux提供了一套很有效的延迟机制提供了一套很有效的延迟机制下半部分、软中断下半部分、软中断 tasklet tasklet和和2.62.6版本新引进的工作队列等。版本新引进的工作队列等。整个系统的核心内核整个系统的核心内核 硬件硬件系统调用接口应用应用程序进程程序进程1应用应用程序进程程序进程2应用应用程序进程程序进程3Linux内核内核用户进程用户进程内核子系统内核子系统系统调用系统调用整个系统的核心内核整个系统的核心内核 v用户进程用户进程运行在运行在LinuxLinux内核之上的一个庞大软件集内核之上的一个庞大软件集合

25、。合。v系统调用系统调用内核的出口，用户程序通过它使用内核内核的出口，用户程序通过它使用内核提供的功能。提供的功能。vLinuxLinux内核内核操作系统的灵魂，负责管理磁盘上的文操作系统的灵魂，负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等等。收和发送数据包等等。v硬件硬件包括了包括了LinuxLinux安装时需要的所有可能的物理设安装时需要的所有可能的物理设备。例如，备。例如，CPUCPU、内存、硬盘、网络硬件等等。内存、硬盘、网络硬件等等。内核子系统内核子系统 内核子系统内核子系统 v进程调度控制着进程对进程调度

26、控制着进程对CPUCPU的访问。的访问。v内存管理允许多个进程安全地共享主内存区域内存管理允许多个进程安全地共享主内存区域 v虚拟文件系统隐藏各种不同硬件的具体细节，为虚拟文件系统隐藏各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口。所有设备提供统一的接口。v网络提供了对各种网络标准协议的存取和各种网网络提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。络硬件的支持。v进程间通信进程间通信(IPC)(IPC)支持进程间各种通信机制，包支持进程间各种通信机制，包括共享内存、消息队列及管道等。括共享内存、消息队列及管道等。LinuxLinux内核版本树内核版本树 0.01Linux（第一版）（第

27、一版）0.13版版|产品化版本产品化版本实验版本实验版本1.0.01.1.0(1.0.0的拷贝的拷贝)1.0.X(修改修改)1.1.X(增加新功能，进行增加新功能，进行测试测试)1.1.95(1.1.95(成为成为1.2.0)1.2.0)内核源代码结构内核源代码结构Linux内核源代码分析工具内核源代码分析工具 vLinuxLinux超文本交叉代码检索工具超文本交叉代码检索工具 http:/lxr.linux.no/http:/lxr.linux.no/v Windows平台下的源代码阅读工具SourceInsightLinux内核内核模块编程入门模块编程入门 u认识内核模块认识内核模块 内核

28、模块是linux内核向外部提供的一个插口，是内核的一部分，但是并没有被编译到内核里面去，其全称为动态可加载内核模块(Loadable Kernel Module,LKM)，简称模块。u为什么要使用模块？为什么要使用模块？l linux内核之所以提供模块机制，是因为它本身是一个单内核。而单内核的最大优点就是效率高，因为所有的内容都集成在一起，但其缺点是可扩展性和可维护性相对较差，模块机制就是为了弥补这一缺陷。Linux内核内核模块编程入门模块编程入门 u模块的定义模块的定义 模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这与运行

29、在用户空间的进程是不同的。模块通常由一组函数和数据结构组成，用来实现一种文件系统、一个驱动程序或者其他内核上层的功能。u编写简单的内核模块编写简单的内核模块 模块和内核都在内核空间运行，模块编程在一定意义上说就是内核编程。一个内核模块应该至少有两个函数，第一个为module_init()，是模块加载函数，当模块被插入到内核时调用它；第二个为module_exit()，是模块卸载函数，当模块从内核移走时调用它。Linux内核内核模块编程入门模块编程入门 u简单的内核模块实例：简单的内核模块实例：任何模块都要包含的三个头文件：#include#include#incldue 说明：module.h

30、头文件包含了对模块的版本控制；kernel.h包含了常用的内核函数；init.h包含了宏_init和_exit，宏_init告诉编译程序相关的函数和变量仅用于初始化，编译程序将标有_init的所有代码存储到特殊的内存段中，初始化结束就释放这段内存。在此使用了printk()函数，该函数是由内核定义的，功能和C库中的printf()类似，它把要打印的日志输出到终端或系统日志。字符串中的是输出的级别，表示立即在终端输出。Linux内核内核模块编程入门模块编程入门 u内核模块的内核模块的MakefileMakefile文件文件 内核模块不是独立的可执行文件，但在运行时其目标文件被链接到内核中。只有超

31、级用户才能加载和卸载模块。给前面的程序起名叫module_example.c，那么其对应的Makefile文件的基本内容如下：obj-m:=obj-m:=这个赋值语句的含义是说明要使用目标文件这个赋值语句的含义是说明要使用目标文件modulemodule_example.o_example.o建立一个模块，最后生成的模块名为建立一个模块，最后生成的模块名为module_module_example.koexample.ko。.o.o文件是经过编译和汇编，而没有经过链接的文件是经过编译和汇编，而没有经过链接的中间文件。中间文件。注：注：makefilemakefile文件中，若某一行是命令，则它

32、必须以一个文件中，若某一行是命令，则它必须以一个TabTab键开头。键开头。Linux内核内核模块编程入门模块编程入门 u运行代码运行代码 当编译好模块，就可以用insmod命令将新的模块插入到内核中，如：insmod module_example.ko然后，可以用lsmod命令查看模块是否正确地插入到了内核中。模块的输出由printk()产生。该函数默认打印系统文件/var/log/messages的内容。卸载模块时，使用rmmod命令加上在insmod中看到的模块名，就可以从内核中移除该模块：rmmod module_exampleLinux内核内核模块编程入门模块编程入门 u应用程序与内

33、核模块的比较应用程序与内核模块的比较 C C语言应用程序语言应用程序 内核模块程序内核模块程序 使用函数使用函数 Libc Libc库库 内核函数内核函数 运行空间运行空间 用户空间用户空间 内核空间内核空间 运行权限运行权限 普通用户普通用户 超级用户超级用户 入口函数入口函数 main()main()module_init()module_init()出口函数出口函数 exit()exit()module_cleanup()module_cleanup()编译编译 gcc gcc c c make make 连接连接 gcc gcc insmod insmod 运行运行 直接运行直接运行

34、insmod insmod 调试调试 gdb gdb kdbug,kdb,kgdb kdbug,kdb,kgdb等等Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用为什么要用链表？为什么要用链表？与数组相比，链表中可以动态插入或删除元素，在编译时不必知道要与数组相比，链表中可以动态插入或删除元素，在编译时不必知道要创建的元素个数。创建的元素个数。在内存无需占用连续的内存单元。在内存无需占用连续的内存单元。每个元素都包含一个指向下一个元素的指针，当有元素加入链表或者每个元素都包含一个指向下一个元素的指针，当有元素加入链表或者从链表中删除元素时，只需要调整下一个节点的指针就可以了。从链表中删

35、除元素时，只需要调整下一个节点的指针就可以了。Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用通过前趋（prev）和后继（next）两个指针域，就可以从两个方向遍历双链表，这使得遍历链表的代价减少。链表的演化链表的演化 在C语言中，一个基本的双向链表定义如下：structmy_listvoid*mydata;structmy_list*next;structmy_list*prev;Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u链表的定义链表的定义 linux内核对链表的实现方式与众不同，不是在链表中包含数据，而是在数据结构中包含链表。其具体的定义如下：struct list_

36、head struct list_head struct list_head*next,*prev;struct list_head*next,*prev;这个不含数据结构的通用双向链表可以嵌入到任何结构中。说明：说明：1.list域隐藏了链表的指针特性 2.struct list_head可以位于结构的任何位置，可以给其起任何名字 3.在一个结构中可以有多个list域 以struct list_head为基本对象，可以对链表进行插入、删除、合并以及遍历等各种操作。Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u链表的声明和初始化链表的声明和初始化 struct list_head只定

37、义了链表节点，并没有专门定义链表头，那么一个链表结构是如何建立起来的？内核代码list.h中定义了两个宏：#defineLIST_HEAD_INIT(name)&(name),&(name)/*仅初始化*/#defineLIST_HEAD(name)structlist_headname=LIST_HEAD_INIT(name)/*声明并初始化*/当我们调用LIST_HEAD(name)声明一个名为name的链表头时，它的next和prev指针都初始化指向自己。这样，我们就有了一个空链表，因为linux用头指针的next是否指向自己来判断链表是否为空：staticinlineintlist_e

38、mpty(conststructlist_head*head)returnhead-next=head;Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u在链表中增加一个节点在链表中增加一个节点 在在include/linux/list.hinclude/linux/list.h中增加结点的函数为：中增加结点的函数为：staticinlinevoidlist_add();staticinlinevoidlist_add_tail();在内核代码中，函数名前加两个下划线表示内部函数。list_add()和list_add_tail()均调用_list_add()_list_add()真正实

39、现头插和尾插。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);该函数向指定链表的head结点后插入new结点。因为是循环链表，而且通常没有首尾结点的概念，所以可以将任何

40、结点传给head。若传最后一个元素给head，该函数就可以实现一个栈。Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u list_add_tail()list_add_tail()的内核实现的内核实现:staticinlinevoidlist_add_tail(structlist_head*new,structlist_head*head)_list_add(new,head-prev,head);list_add_tail()函数向指定链表的head结点前插入new结点。说明说明：关于static inlinestatic inline关键字。“staticstatic”加在函数前

41、，表示这个函数是静态函数，所谓静态函数，实际上是 对函数作用域的限制，指该函数的作用域仅局限于本文件。所以说，static具有信息隐藏的作用。而关键字inlineinline“加在函数前，说明这个函数对编译程序是可见的，也就是说编译程序在调用这个函数时就立即展开该函数。Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u 链表的遍历链表的遍历 这种链表只是找到了一个个结点在链表中的偏移位置pos，如下图(a)。那么如何通过pos获得结点的起始地址，从而可以引用结点中的域呢？(a)(b)list.hlist.h中定义了晦涩难懂的中定义了晦涩难懂的list_entrylist_entry（）宏

42、：（）宏：#definelist_entry(ptr,type,member)(type*)(char*)(ptr)-(unsignedlong)(&(type*)0)-member)指针ptr指向结构体type中的成员member；通过指针ptr，返回结构体type的起始地址，也就是list_entry返回指向type类型的指针，如上图(b)。#definelist_for_each(pos,head)for(pos=(head)-next;pos!=(head);pos=pos-next)list.h中定义了如下遍历遍历链表的宏：Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u关于

43、关于list_entrylist_entry宏的详细分析：宏的详细分析：(type*)0)-member把0地址强制转化为type结构的指针，再访问type结构体中的member成员,(&(type*)0)-member)获得了member在type结构中的偏移量。其中(char*)(ptr)求出的是ptr的绝对地址，二者相减，于是得到type类型结构体的起始地址，如图(c)所示。(c)list_entry宏解析至此，对Linux内核中链表的实现机制有了初步了解，更多的函数和实现请查看include/linux/list.h中的代码。“内核之旅内核之旅 ”网站网站v http:/ v 第一期第

44、一期“走入走入LinuxLinux世界世界”涉猎了操作系统的来龙涉猎了操作系统的来龙去脉后与大家携手步入去脉后与大家携手步入LinuxLinux世界。世界。v下载代码，亲手搭建实验系统。下载代码，亲手搭建实验系统。Linux内核中链表的实现及应用内核中链表的实现及应用u关于关于list_entrylist_entry宏的详细分析：宏的详细分析：(type*)0)-member把0地址强制转化为type结构的指针，再访问type结构体中的member成员,(&(type*)0)-member)获得了member在type结构中的偏移量。其中(char*)(ptr)求出的是ptr的绝对地址，二者相

45、减，于是得到type类型结构体的起始地址，如图(c)所示。作作业业及上机及上机1.Linux系统由哪些部分组成？Linux内核处于什么位置？2.Linux内核由哪几个子系统组成？各个子系统的主要功能是什么？3.访问http:/www.kernel.org/，理解Linux的内核的版本树，了解最新内核的特点4.了解Linux内核源代码结构，访问源代码导航网站http:/lxr.linux.no/，说明/kernel目录下包含哪些文件。5.编写简单的内核模块，上机调试，给出调试过程，遇到的问题以及解决思路。6.分析include/linux/list.h中哈希表的实现，给出分析报告，并编写内核模块，调用其中的函数和宏，实现哈希表的建立和查找。并上机调试。上机上机1.熟悉Linux内核源代码，编写简单的内核模块，并调试2.