UNIX系统内核结构培训教材课件

第十章UNIX系统内核结构10.1UNIX系统概述10.2进程的描述和控制10.3进程的同步与通信10.4存储器管理10.5设备管理10.6文件管理1第十章UNIX系统内核结构10.1UNIX系统概述10.1UNIX系统概述10.1.1UNIX系统的发展史10.1.2UNIX系统的特征1、开放性2、多用户、多任务环境3、功能强大，实现高效4、提供了丰富的网络功能5、支持多处理器功能210.1UNIX系统概述10.1.1UNIX系统的发展10.1.3UNIX系统的内核结构图10-1UNIX核心的框图字符设备块设备设备驱动程序硬件控制高速缓存文件子系统系统调用接口进程间通信调度存储管理进程控制子系统核心级硬件级硬件核心级用户级库函数用户程序捕俘310.1.3UNIX系统的内核结构图10-1UNIX1、进程控制子系统进程控制(2)进程通信(3)存储器管理(4)进程调度10.1.3UNIX系统的内核结构2、文件子系统文件管理(2)高速缓冲机制(3)设备驱动程序41、进程控制子系统进程控制10.1.3UNIX系统的10.2进程的描述和控制10.2.1进程控制块PCB在UNIX系统Ⅴ中，把进程控制块分为四部分：(1)进程表项(2)U区(3)进程区表(4)系统区表510.2进程的描述和控制10.2.1进程控制块PCB图10-2进程区表项、系统区表项和区的关系正文数据栈正文数据栈abcdeabcde系统区表A进程区表B进程区表4、本进程区表(PerProcessRegionTable)6图10-2进程区表项、系统区表项和区的关系正文数据栈正图10-3进程的数据结构4、本进程区表(PerProcessRegionTable)U区进程表abcabc本进程区表系统区表7图10-3进程的数据结构4、本进程区表(PerPr10.2.2进程状态与进程映像1、进程状态图10-4进程的状态转换62379845唤醒换出换出换入内存中睡眠睡眠且换出睡眠调度核心态执行1抢夺被抢夺内存中就绪内存足内存不足创建fork用户态执行返回到用户态系统调用中断中断中断返回返回僵死唤醒就绪且换出810.2.2进程状态与进程映像1、进程状态图10-42、进程映像（1）用户级上下文（2）寄存器上下文程序寄存器处理机状态寄存器(PSR)

栈指针通用寄存器（3）系统级上下文静态部分动态部分92、进程映像（1）用户级上下文910.2.3进程控制1、fork系统调用为新进程分配一个进程表项和进程标识符；(2)检查同时运行的进程数目；(3)拷贝进程表项中的数据；(4)子进程继承父进程的所有文件；(5)为子进程创建进程上下文；(6)子进程执行。1010.2.3进程控制1、fork系统调用为新进程分配2、exec系统调用图10-5execⅤ的参数组织方式trappathargvarg2parg1parg0p0文件名字符串参数字符串112、exec系统调用图10-5execⅤ的参数组织方3、exit系统调用(1)关闭软中断；(2)回收资源；(3)写记账信息；(4)置进程为“僵死”状态。4、wait系统调用123、exit系统调用(1)关闭软中断；4、wait10.2.4进程调度与切换

1、引起进程调度的原因

2、调度算法

3、进程优先级的分类4、进程优先数的计算5、进程切换1310.2.4进程调度与切换1、引起进程调度的原因10.3进程的同步与通信1、sleep与wakeup同步机制2、信号（signal）机制

3、管道机制4、消息机制5、共享存储区机制6、信号量集机制1410.3进程的同步与通信1、sleep与wakeup同步10.3.4消息机制图10-6消息机制中的数据结构…队列

i…队列

n…消息首部msgh0消息首部msgh3消息首部msgh2消息缓冲区消息缓冲区消息缓冲区消息首部m消息缓冲区消息队列头表0321510.3.4消息机制图10-6消息机制中的数据结构10.3.5共享存储区机制图10-7利用共享存储区进行通信AB正文进程的虚空间数据栈共享存储区B正文数据B′栈内存空间进程的虚空间A′A1610.3.5共享存储区机制图10-7利用共享存储区进图10-8信号量集表与信号量表sem0sem1sem20sem31sem42sem53sem6sem7sem80sem91sem102sem110…信号量集表信号量表信号量集信号量集10.3.6信号量集机制17图10-8信号量集表与信号量表sem0sem1sem10.4存储器管理10.4.1请求调页管理的数据结构1、页表和磁盘描述表图10-9页表项和磁盘描述表项物理页号年龄写时拷贝修改位访问位有效位保护（a）页表项对换设备号设备块号存储器类型（b）盘块说明1810.4存储器管理10.4.1请求调页管理的图10-10页框数据表项及其散列队列2、页框数据表和对换使用表19图10-10页框数据表项及其散列队列2、页框数据表和对图10-11四种数据结构之间的关系页表项页框号794磁盘块描述项对换设备1块号2743引用数1对换设备1块号2743物理页794引用数1对换设备块2743对换使用表项页框数据表项794虚地址1493K20图10-11四种数据结构之间的关系页表项页框号794磁10.4.2换页进程

1、增加有效页的年龄2、对换出页的几种处理方式3、将换出页面写到对换设备上10.4.3请求调页1、缺页在可执行文件上2、缺页在对换设备上3、缺页在内存页面缓冲区中2110.4.2换页进程1、增加有效页的年龄10.5设备管理10.5.1字符设备缓冲区管理1、空闲字符缓冲区队列图10-12空闲字符缓冲区队列cblock[0]c_nextc_nextc_nextcblock[1]cblock[2]c_nextcblock[N­1]cfreelist…

2、空闲字符缓冲区的分配与回收3、设备的字符缓冲区队列2210.5设备管理10.5.1字符设备缓冲区管理110.5.2块设备缓冲区管理1、盘块缓冲区及其首部图10-13缓冲首部设备号块号状态缓冲区指针散列队列的前向指针散列队列的后向指针空闲表上的前向指针空闲表上的后向指针2310.5.2块设备缓冲区管理1、盘块缓冲区及其首部图12、盘块缓冲池结构图10-14空闲队列(链)及散列队列blkno0mod4blkno1mod4blkno2mod4blkno3mod4281798346459750103599空闲表头标3、盘块缓冲区的分配

4、盘块缓冲区的回收242、盘块缓冲池结构图10-14空闲队列(链)及散列队列10.5.3内核与驱动程序接口1、设备开关表的作用图10-15设备开关表及系统调用和驱动程序间的接口openclosereadwriteioctl字符设备开关表openmountcloseunmountreadwrite块设备开关表高速缓冲调用openclosereadwriteioctl驱动程序设备中断处理程序openclosestrategy驱动程序设备中断处理程序中断向量中断向量设备中断文件子系统2510.5.3内核与驱动程序接口1、设备开关表的作用图110.5.4磁盘驱动程序1、打开磁盘驱动器的过程gdopen

2、启动磁盘控制器的过程

3、磁盘中断处理过程gdintr2610.5.4磁盘驱动程序1、打开磁盘驱动器的过程gdop10.5.5磁盘读、写程序1、磁盘的读写方式2、读过程bread和breada（1）一般读过程bread（2）提前读过程breada3、写过程bwrite、bawrite和bdwrite（1）一般写过程bwrite（2）异步写过程bawrite（3）延迟写过程bdwrite2710.5.5磁盘读、写程序1、磁盘的读写方式2、读过程b10.6文件管理10.6.1UNIX文件系统概述1、UNIX文件系统的特点文件系统的组织是分级树形结构；(2)文件的物理结构为混合索引式文件结构；(3)采用了成组链接法管理空闲盘块。2810.6文件管理10.6.1UNIX文件系统概2、文件系统的结构图10-18UNIX文件系统的结构ibinusrdeviiibin的目录表usr的目录表dev的目录表Root目录表iilettertesttestreportWangWang292、文件系统的结构图10-18UNIX文件系统的结构ib图10-19直接寻址和间接寻址i.addr(0)i.addr(1)i.addr(2)…i.addr(9)i.addr(10)i.addr(11)i.addr(12)一次间接块数据块二次间接块三次间接块直接寻址一次间址二次间址三次间址…1、寻址方式10.6.2文件的物理结构30图10-19直接寻址和间接寻址i.addr(0)i.a图10-20文件的地址映射示例2、地址转换i.addr(0)i.addr(1)i.addr(2)…i.addr(10)i.addr(11)i.addr(12)数据块二次间接块直接寻址一次间址二次间址三次间址…36742891563313333952一次间接块952331333331图10-20文件的地址映射示例2、地址转换i.add10.6.3索引结点的管理1、超级块(Superblock)(1)文件系统的盘块数目(2)空闲盘块号栈(3)当前空闲盘块号数目(4)空闲磁盘i结点号栈(5)空闲磁盘i结点数目(6)空闲盘块编号栈的锁字段(7)空闲磁盘i结点栈的锁字段(8)超级块修改标志(9)修改时间3210.6.3索引结点的管理1、超级块(Superbloc2、磁盘索引结点的分配与回收（1）分配过程ialloc（2）回收过程ifree3、内存索引结点的分配与回收（1）分配过程iget（2）回收过程iput332、磁盘索引结点的分配与回收（1）分配过程ialloc310.6.4空闲磁盘空间的管理图10-21文件卷的组织1、文件卷的组织2、空闲盘块的组织3、空闲盘块的分配与