UNIX内核分析1课件

UNIX内核分析参考教材：UNIX操作系统教程

前序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。

UNIX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。UNIX系统特点已有技术的精选、提炼和发展，简洁实用，短小精悍，功能强大具有分层、可装卸的文件卷系统任何一个程序可不加改变地在前台/后台异步运行将文件、目录和设备均统一看作文件提供I/O缓冲技术提供功能完备、使用灵活的命令语言丰富的核外系统程序采用高级语言编写，可移植性好UNIX核心源程序结构以UNIXV6为例，其内核源程序约一万行，按编译方式大致分3类44个文件：.c文件：28个文件，190个可单独编译的子程序.h文件：全局变量，14个文件.s文件：汇编程序文件，约1000条，2个文件33个子程序进程描述

——程序状态字和通用寄存器PDP-11程序状态字组成1514131211109876543210当前态以前态优先级/8级TNZVC进程分Kernel/User2种运行状态，区别进程处于不同地址空间：核心态/用户态空间可否执行特权指令使用不同的栈顶指针寄存器r6进程描述

——程序状态字和通用寄存器通用寄存器PDP-11/40有9个通用寄存器，长度16位，编号r0-r7r0-r1：I/O参数传递r2-r4：存放过程执行时的局部变量r5：环境指针r6：堆栈指针，kernel/user态各1个r7：PC进程描述

——进程的存储影响进程映像中最为关键的部分是存储映像。存储映像由5部分组成：进程控制块PCB共享正文段数据段共享内存段工作区进程控制块PCBUnix为了节省PCB所占主存，PCB分为2部分常驻内存部分：Proc结构。包含进程调度必须的信息；非常驻内存部分：User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换进/换出主存。User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User区。整个系统有一个进程表，称为Proc数组。Unix系统最多有50个进程；每个进程有专用的User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User区。(好像系统中仅有一个User区)共享正文段是指可由多个进程共享的区域，包括纯代码形式的程序参数一个进程的正文段也可以不存在工作区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，局部变量存储等进程映像在存储器中的分布PDP-11/40最多配置248K内存，进程映像分为常驻/非常驻内存部分常驻部分：Proc，共享正文段的控制信息块非常驻部分：数据段，共享正文段，工作区。Unix将除了共享正文段以外的其他部分作为一个整体处理，(结构见下页)无论在主存还是在盘交换区，该部分占用连续存储区作为整体入/出主存Unix设置text数组(共40个元素)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，段长度，共享该段的进程数等非常驻部分的分布结构ppda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/02891024顶部进程数据区/ppdaPerProcessDataArea进程的数据结构

——进程的扩充控制块/User结构(1)每个进程User结构的虚拟起始地址都是u=14000。操作系统通过编译、链接给u变量赋值，其地址空间对应核心空间第7页，其物理地址可以映射到主存中各进程的user结构。User结构含有当进程换出内存候不需要访问的所有数据进程的数据结构

——进程的扩充控制块/User结构(2)Structuser(主要部分){intu-rsav[2];/*调度进程的正常保留区：r5，r6intu-qsav[2];/*中止系统调用的越级返回保留区intu-ssav[2];/*fork时恢复子进程运行的保留区charu-segflg;/*I/O标志，0/1/2分别为：用户数据/系统/用户指令空间charu-error;/*出错返回码charu-uid;/*有效用户标识号charu-gid;/*有效用户组标识号charu-ruid/*实际用户标识号charu-rgid;/*实际用户组标识号intu-procp;/*指向本进程的proc结构指针char*u-base;/*I/O基址，文件传输中表示主存地址，R/W-目标/信息源指针char*u-count;/*I/O字节数char*u-offset[2];/*文件传输中表示文件内相对位移量(字节)char*u-cdir;/*当前目录项i节点指针charu-dbuf[DIRSIZE];/*保留当前用到的文件路径名char*u-dirp;/*当前目录文件名指针进程的数据结构

——进程的扩充控制块/User结构(3)Struct{intu-ino/*i结点号/*该结构保存一个文件目录项charu-name[DIRSIZE];/*该文件路径名分量}u-dent;int*u-pdir;/*父目录项i结点指针charu-uisa[16];/*存放本进程用户空间地址寄存器内容charu-uisd[16];/*存放本进程用户空间说明寄存器内容charu-o];/*用户打开文件表，共15个表目charu-arg[5];/*用户传入的自变量charu-tsize/*本进程正文段块数charu-dsize;/*本进程数据段块数intu-ssize;/*本进程堆栈段块数charu-signal[NSIG];/*软中断处理程序入口表，20个表目charu-utime;/*进程用户态下运行时间charu-stime;/*进程核心态下运行时间charu-cutime;/*已中止子进程用户态下运行时间总和charu-cstime;/*已中止子进程核心态下运行时间总和charu-intflag;/*系统调用是否执行完成标志}u;进程映像的基本结构图p-addrp-sizep-textpx-daddrx-caddrx-iptr

共享正文段user核心栈数据段用户栈ppdau-dsizeu-ssizeProc[]text[]file[]inode[]盘交换区P-sizex-sizeProc[n]text[m]进程的状态进程在其生命周期的不同时刻有不同状态；同一时刻不同进程有不同状态Unix系统中，进城的完整状态有9种。(转换图见下一页)①创建状态②内存就绪③就绪且换出：新创建/原就绪进程，因内存紧张而换出④核心态执行⑤用户态执行⑥内存中睡眠：执行I/O操作进程，等待⑦睡眠且换出：内存紧张时，睡眠进程首先被换出⑧被剥夺状态：进程被调度程序剥夺了处理机后的状态⑨僵死状态：类似于中止状态进程状态转换图被剥夺485926371内存外存盘交换区内存足内存不足调度exit中断/返回中断返回返回用户态睡眠/唤醒睡眠fork调度调度唤醒被剥夺态进程上下文进程上下文由三部分组成：用户级上下文：正文，数据，堆栈，共享内存段寄存器上下文：PC,PS,SP,r0,…系统级上下文：Proc[],User,核心栈上下文切换时，要保证内部数据的完整性和一致性。所以切换有严格的条件：当进程是自己进入睡眠时系统调用/中断完成返回用户态而被剥夺以exit退出时Q：进程从用户态到核心态切换时，是否为上下文切换？进程管理

——Unix进程的各种调度状态(1)UnixV6中进程的调度状态有6种，由p-stat描述。1SSLEEP：高优先权睡眠状态2SWAIT：低优先权睡眠状态3SRUN：运行/可运行状态4SIDL：创建子进程的中间状态5SZOMB：进程终止时的中间状态6SSTOP：暂停/正被跟踪状态进程管理——睡眠状态等待时间发生而停止运行的一种状态，特点：P-stat为SSLEEP或SWAIT，不参与竞争处理机P-flag可能包含SLOAD标志，也可能不包含KISA6,KISD6不反映进程图像在内存的位置睡眠原因：进程间同步与互斥引起使用互斥资源无法满足同步等待I/O结束同步等待出现处理对象，如0#进程/sched暂时没有处理对象进程间的其他同步操作，sleep(),wait()..临界区互斥进程管理

——高低优先权睡眠状态核心态下执行sleep进入睡眠状态P-pri由系统按照睡眠原因设置，-100-+127SSLEEP:P-pri<0，高优先权睡眠0#进程：-100请求资源：-50等快速设备I/O：-50SWAIT:P-pri>0，低优先权睡眠父子进程同步：40等低速设备I/O：10-20唤醒：wakeup程序完成，唤醒后P-pri<100。有时还要由sched完成内存/盘交换区的交换进程调度算法

——动态优先权法Unix采用动态优先权法，采用的策略有：核心态运行时，除非自动放弃，不重新调度，保证高速；进程睡眠唤醒后，较其他就绪进程有高的优先权。因为该类进程将继续执行OS程序；进程睡眠唤醒后，按照等待事件的紧迫程度，赋予不同优先权。即同一程序不同段有不同优先权；高级用户进程较一般用户进程有较高的优先级；使用处理机程度低、交互作用平凡的进程赋予较高优先权，以获得比较合理的响应时间。进程调度算法

——进程优先数计算方法(1)优先数确定的两种方法设置方式：用于高/低优先权睡眠进程计算方式：包括计算方法和计算时机进程正在/即将转入用户态运行时，用计算方式确定其优先权对于一般用户进程来说，用计算方式获得的优先数大于设置获得的优先数进程调度算法

——进程优先数计算方法(2)算式：p-pri=min{127,(p-cpu/16+PUSER+p-nice)}说明：P-pri:字符型变量，-128~+127，最低-100PUSER:固定偏置值。设置目的是：为了使被唤醒的睡眠进程应具有的优先数相衔接。被唤醒进程优先数：-100~100V6:PUSER=100;S5:PUSER=60进程调度算法

——进程优先数计算程序Setpri(up)/*up是proc结构指针{register*pp,p;pp=up;p=(pp→p-cpu&0377)/16;/*p-cpu最大值为255p=+PUSER+pp→p-nice;if(p>127)p=127;if(p>curpri)runrun++;/*curpri:现行运行进程被调度占用处理机时的优先数/*runrun:进程调度标志，为0表示不要求进行切换调度pp→p-pri=p;}进程调度算法——关于p-niceP-nice反映进程具有的相对优先程度一般用户可设置范围：0~20；高级用户：-128~20通过系统调用nice(priority)完成设置，代码：{registern;n=u.uar0[R0];/*u.uar0[R0]保存系统调用参数if(n>20)n=20;if(n<0&&!suser())n=0;/*!suser()判断是否为高级用户u.u-proc→p-nice=n;}进程调度算法——关于p-cpuP-cpu反映进程使用cpu程度每个时钟周期+1

rt=tu/tl=tu/(tu+tnu)其中:rt:进程使用cpu的时间比

tu:进程生成后使用cpu时间的累计值

tl:进程生成后所经时间

tnu:进程生成候不占用cpu的时间累计值进程调度算法

——计算进程优先数的3个时机时钟中断处理程序中，每隔一秒，对所有优先数大于PUSER的进程复算优先数；陷入处理结束前，重新计算本进程优先数；现进程执行时钟中断处理程序时，如果中断前为用户态，每隔一秒，重新计算本进程优先数。进程调度算法

——进程切换调度的2个时机(1)当前运行进程不再具备运行条件，自动放弃CPU进程结束进程等待子进程进入暂停状态，等待父进程处理执行进程申请扩充主存，无法满足，入盘交换区执行进程要求调入某一共享正文段，则先将该进程图像调出，等到适当时机按下列顺序调入：

共享正文段，ppda，数据段，用户栈段进程调度算法

——进程切换调度的2个时机(2)系统中存在较当前执行进程更适宜占用CPU的进程，于是系统在中断/陷入处理末尾强迫当前运行进程放弃CPU强迫调度标志是runrun，它的设置时机为：睡眠进程被唤醒，或被暂停运行进程变为运行状态时，发现其优先权高于现运行进程Setpri程序中，发现计算所的进程优先数高于当前运行进程被调度运行时的优先数/curpri。下列2种情况现运行进程计算所的优先数大于原先值：进程由核心态变为用户态用户态下运行进程已占用了一段处理机时间，使p-cpu增大进程调度算法

——进程切换调度程序swtchSwtch任务：选择进程占用CPU，保存/恢复现场Swtch执行可能涉及三个处于核心态的进程原运行进程，即调用swtch的进程，保存现场，恢复0#系统调度进程0#：从内存就绪队列选一个进程占用CPU新选中运行进程：1)设置UISA,UISD寄存器组2)从核心栈中恢复PC，返回原核心态进程的睡眠和唤醒进程间实施互斥、同步机制时，需要进入睡眠状态睡眠原因消失，进程被唤醒进程睡眠sleep()Sleep(chan,pri)可使进程进入高/低优先权睡眠Chan：睡眠原因Pri：睡眠后预置的优先数，>0低优先权主要工作：设置欲睡眠进程的p-whan/原因,p-stat,p-pri，并调用swtch进行调度rp→p-wchan=chan;rp→p-stat=SSLEEP/SWAIT;rp→p-pri=pri设置过程执行语句为临界区，执行前处理既优先级提高为6级(避免中断)进程睡眠sleep()说明若进程欲进入低优先权睡眠，首先应检测是否收到不可忽略的信号p-flag。如果收到，先转去执行信号处理程序；系统设置runrun标志，说明是否有在盘交换区的进程准备就绪而因内存不足无法进入。若runrun已经设置，则将低优先级睡眠进程入盘交换区，并调用sched.睡眠唤醒wakeup()wakeup(chan)唤醒因chan原因睡眠的进程，并将其状态置为SRUN主要工作：搜索proc[]区，由setrun唤醒所有因chan睡眠的进程：p-wchan=0;p-stat=SRUN说明：系统设置runout标志，表示盘交换区无进程图像可入内存。若runout>=1,则执行sched的0#进程睡眠，否则唤醒。进程图像在内存/盘交换区间传递图像传递由0#进程调用sched完成图像入内存算法：sched按照盘交换区中就绪进程p-time，从长到短逐个调入内存，直到全部调入，或者无足够内存图像出内存算法：若调入进程因内存不足无法调入时，sched试图从内存调出一进程，然后再次执行调入操作。调出算法考虑因素某些进程不应该被调出：P-flag为SSYS和SLOCK的进程优先调出：p-stat为SWAIT和SSTOP的进程。若上述优先进程，则优先考虑：p-stat为SSLEEP或SRUN中在内存驻留时间最长/p-time的进程。同时要求：内存被选中进程p-time>2s盘交换区欲入内存进程p-time>3s否则，不执行调出操作进程的创建Unix进程创建有2种方式