Linux操作系統(tǒng)-第8章-Linux內(nèi)核簡介

第8章Linux內(nèi)核簡介1進(jìn)程是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的核心概念，它用來描述程序的執(zhí)行過程，是實現(xiàn)多任務(wù)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)的其他所有內(nèi)容都是圍繞著進(jìn)程展開的。因此，正確地理解和認(rèn)識進(jìn)程是理解操作系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。28.1進(jìn)程管理8.1.1程序的順序執(zhí)行與并發(fā)執(zhí)行1.程序的順序執(zhí)行 程序的各操作步驟之間是依序執(zhí)行的，程序與程序之間是串行執(zhí)行的（1）順序性（2）封閉性（3）可再現(xiàn)性38.1進(jìn)程管理8.1.1程序的順序執(zhí)行與并發(fā)執(zhí)行2.程序的并發(fā)執(zhí)行 若干程序或程序段同時運行。它們的執(zhí)行在時間上是重疊的。（1）間斷性（2）沒有封閉性（3）不可再現(xiàn)性48.1進(jìn)程管理8.1.1程序的順序執(zhí)行與并發(fā)執(zhí)行3.并發(fā)執(zhí)行的潛在問題 程序在并發(fā)執(zhí)行時會導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果的不可再現(xiàn)性，這是多道程序系統(tǒng)必須解決的問題。58.1進(jìn)程管理設(shè)某停車場使用程序控制電子公告牌來顯示空閑車位數(shù)?？臻e車位數(shù)用一個計數(shù)器C記錄。車輛入庫時執(zhí)行程序A，車輛出庫時執(zhí)行程序B，它們都要更新同一個計數(shù)器C。并發(fā)執(zhí)行示例如果兩個程序的運行時序如表所示，即一個程序?qū)進(jìn)行更新的操作是在另一個程序的更新操作全部完成之后才開始，則C被正確地更新了。時間T0T1T2T3T4T5程序AC

NN-1N

C

程序B

C

MM+1M

CC的值100100999999100并發(fā)執(zhí)行示例如果兩個程序的運行時序如表所示穿插地進(jìn)行，即當(dāng)一個程序正在更新C，更新操作還未完成時，CPU發(fā)生了切換，另一個程序被調(diào)度運行，并且也對C進(jìn)行更新。時間T0T1T2T3T4T5程序AC

N

N-1N

C

程序B

C

MM+1

M

CC的值10010010010099101并發(fā)執(zhí)行示例8.1.2進(jìn)程的概念1.進(jìn)程進(jìn)程是一個可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集上的一次運行程序是進(jìn)程的組成部分，是進(jìn)程的執(zhí)行文本，而進(jìn)程是程序的執(zhí)行過程程序是靜態(tài)的指令集合，可以永久存在；而進(jìn)程是動態(tài)的過程實體，動態(tài)地產(chǎn)生、發(fā)展和消失98.1進(jìn)程管理8.1.2進(jìn)程的概念2.進(jìn)程的特性（1）動態(tài)性（2）并發(fā)性（3）獨立性（4）異步性108.1進(jìn)程管理8.1.2進(jìn)程的概念3.進(jìn)程的基本狀態(tài)（1）就緒態(tài)（2）運行態(tài)（3）等待態(tài)118.1進(jìn)程管理8.1.2進(jìn)程的概念3.進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換128.1進(jìn)程管理8.1.3進(jìn)程控制塊進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊3個基本部分組成：程序是進(jìn)程執(zhí)行的可執(zhí)行代碼數(shù)據(jù)是進(jìn)程所處理的對象進(jìn)程控制塊用于記錄有關(guān)進(jìn)程的各種信息。138.1進(jìn)程管理8.1.3進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊（PCB）是為管理進(jìn)程而設(shè)置的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄進(jìn)程的相關(guān)信息：（1）進(jìn)程描述信息（2）進(jìn)程控制與調(diào)度信息（3）資源信息（4）現(xiàn)場信息148.1進(jìn)程管理8.1.4Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程1．Linux進(jìn)程的狀態(tài)158.1進(jìn)程管理8.1.4Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程Linux進(jìn)程的基本狀態(tài)（1）可執(zhí)行態(tài)（2）睡眠態(tài)（3）暫停態(tài)（4）僵死態(tài)168.1進(jìn)程管理8.1.4Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程2．Linux進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程新創(chuàng)建的進(jìn)程處于可執(zhí)行的就緒態(tài)，等待調(diào)度執(zhí)行處于可執(zhí)行態(tài)的進(jìn)程在就緒態(tài)和運行態(tài)之間輪回運行態(tài)、睡眠態(tài)和就緒態(tài)形成一個回路運行態(tài)、暫停態(tài)和就緒態(tài)也構(gòu)成一個回路處于運行態(tài)的進(jìn)程執(zhí)行結(jié)束后進(jìn)入僵死態(tài)178.1進(jìn)程管理8.1.4Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程3．Linux的進(jìn)程描述符Linux系統(tǒng)用task_struct結(jié)構(gòu)來記錄進(jìn)程的信息進(jìn)程標(biāo)識號（pid）：標(biāo)識該進(jìn)程的一個整數(shù)歸屬關(guān)系（uid、gid）：進(jìn)程的屬主和屬組的標(biāo)識號家族關(guān)系（parent、children、sibling）：關(guān)聯(lián)父進(jìn)程、子進(jìn)程及兄弟進(jìn)程的鏈接指針鏈接指針（tasks、run_list）：將進(jìn)程鏈入進(jìn)程鏈表和可執(zhí)行隊列的指針狀態(tài)（state）：進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)。188.1進(jìn)程管理調(diào)度信息（policy、prio、time_slice）：調(diào)度使用的調(diào)度策略、優(yōu)先級和時間片等。記時信息（start_time、utime、stime）：進(jìn)程建立的時間以及執(zhí)行用戶代碼與系統(tǒng)代碼的累計時間。信號信息（signal、sighand）：進(jìn)程收到的信號以及使用的信號處理程序。退出碼（exit_code）：進(jìn)程運行結(jié)束后的退出代碼，供父進(jìn)程查詢用。文件系統(tǒng)信息（fs、files）：包括文件系統(tǒng)及打開文件的信息。地址空間信息（mm）：進(jìn)程使用的地址空間。硬件現(xiàn)場信息（thread）：進(jìn)程切換時保存的CPU寄存器的內(nèi)容。運行信息（thread_info）：有關(guān)進(jìn)程運行環(huán)境、狀況的CPU相關(guān)信息。198.1進(jìn)程管理1.查看系統(tǒng)進(jìn)程信息要對進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測和控制，首先必須要了解當(dāng)前進(jìn)程的情況（1）ps命令使用該命令可以確定有哪些進(jìn)程正在運行以及進(jìn)程運行的狀態(tài)、進(jìn)程是否結(jié)束、進(jìn)程有沒有僵死，以及哪些進(jìn)程占用了過多的資源等208.2進(jìn)程管理的命令例1．顯示所有的進(jìn)程。[root@rhel~]#ps-e例2．顯示所有不帶控制帶終端的進(jìn)程，并顯示用戶名和進(jìn)程的起始時間。[root@rhel~]#ps-aux例3．顯示root用戶的進(jìn)程。[root@rhel~]#ps-uroot21ps命令示例（2）top命令

使用top命令可以顯示當(dāng)前正在運行的進(jìn)程以及關(guān)于它們的重要信息，包括它們的內(nèi)存和CPU使用量。執(zhí)行top命令可以顯示目前正在系統(tǒng)中執(zhí)行的進(jìn)程，并通過它所提供的互動式界面，用熱鍵加以管理。要退出top，按[q]鍵即可。228.2進(jìn)程管理的命令選項選項含義-c列出進(jìn)程時,顯示每個進(jìn)程的完整命令,包括命令名稱、路徑和參數(shù)等-d<間隔秒數(shù)>監(jiān)控進(jìn)程執(zhí)行狀況的間隔時間,單位以秒計算-n<執(zhí)行次數(shù)>設(shè)置監(jiān)控信息的更新次數(shù)-u<用戶名|有效用戶UID>僅監(jiān)視指定有效用戶UID或用戶名匹配的進(jìn)程-p<進(jìn)程PID>僅監(jiān)視指定進(jìn)程UID的進(jìn)程-U<用戶名|用戶UID>僅監(jiān)視指定用戶UID或用戶名匹配的進(jìn)程top命令常用選項（3）殺死進(jìn)程使用kill命令可以殺死進(jìn)程，在使用kill命令之前，需要得到要被殺死的進(jìn)程的PID（進(jìn)程號）用戶可以使用ps命令獲得進(jìn)行的PID，然后用進(jìn)程的PID作為kill命令的參數(shù)248.2進(jìn)程管理的命令8.3進(jìn)程通信25系統(tǒng)中的進(jìn)程和系統(tǒng)內(nèi)核之間,以及各個進(jìn)程之間需要相互通信,以便協(xié)調(diào)彼此間的活動。Linux系統(tǒng)支持的進(jìn)程通信機制信號機制管道SystemIPC機制8.3.1信號機制261.信號概念信號(signal,亦稱做軟中斷)機制是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬。異步進(jìn)程可以通過彼此發(fā)送信號來實現(xiàn)簡單通信。信號機制流程27系統(tǒng)預(yù)先規(guī)定若干個不同類型的信號運行進(jìn)程當(dāng)遇到相應(yīng)事件,就把一個信號寫到相應(yīng)進(jìn)程task_struct結(jié)構(gòu)的signal位圖接收信號的進(jìn)程如果已收到信號,則執(zhí)行預(yù)先規(guī)定好的信號處理程序處理之后，再返回原先正在執(zhí)行的程序。2.信號分類，隨系統(tǒng)而變，可分為：進(jìn)程終止、進(jìn)程執(zhí)行異常系統(tǒng)調(diào)用出錯報警信號終端交互作用、系統(tǒng)一般用戶自己留出定義信號的編號283.進(jìn)程對信號可采取的處理方式(1)忽略信號(2)阻塞信號(3)由進(jìn)程處理該信號(4)由系統(tǒng)進(jìn)行默認(rèn)處理294.對信號的檢測和處理流程對信號的檢測和響應(yīng)是在系統(tǒng)空間進(jìn)行的：從系統(tǒng)空間返回用戶空間之前進(jìn)行信號檢測當(dāng)前進(jìn)程在內(nèi)核中進(jìn)入睡眠以后剛被喚醒,要檢測有無信號308.3.2管道文件31管道是Linux中最常用的IPC機制，一個管道線就是連接兩個進(jìn)程的一個打開文件命令ls|more。在執(zhí)行這個命令行時要創(chuàng)建一個管道文件和兩個進(jìn)程:“|”對應(yīng)管道文件,命令ls對應(yīng)一個進(jìn)程,它向該文件中寫入信息,稱做寫進(jìn)程;命令more對應(yīng)另一個進(jìn)程,它從文件中讀出信息,稱做讀進(jìn)程。8.3.3SystemIPC機制32消息通信：進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用建立消息隊列,其他進(jìn)程都可以向該隊列發(fā)送消息或者接收消息,從而實現(xiàn)進(jìn)程間的消息傳遞。共享內(nèi)存：進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用設(shè)立一片共享內(nèi)存區(qū)，相關(guān)進(jìn)程就可以讀/寫該共享區(qū)的信息信號量：信號量是系統(tǒng)內(nèi)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的值代表著可使用資源的數(shù)量,可以被一個或多個進(jìn)程進(jìn)行檢測和設(shè)置。8.4磁盤管理338.4.1磁盤分區(qū)(1)磁盤分區(qū)的目的：（a）易于管理和使用（b）有利于數(shù)據(jù)的安全（c）節(jié)約尋找文件的時間8.4磁盤管理34(2)磁盤分區(qū)的類別：基本分區(qū)能立刻生效但不能再分區(qū)擴展分區(qū)需要再次分區(qū)后才能生效，由擴展分區(qū)進(jìn)行二次劃分就是邏輯分區(qū)，況且邏輯分區(qū)沒有數(shù)量上限制。注意：基本分區(qū)和擴展分區(qū)兩種，他們總數(shù)目之和不能大于四個8.4磁盤管理35(2)磁盤分區(qū)命令：查看當(dāng)前磁盤的分區(qū)狀況：fdisk–l讓硬盤進(jìn)入分區(qū)模式：fdisk/dev/sdb要創(chuàng)建分區(qū)，需要輸入ｎ，并設(shè)置分區(qū)的起始和終止扇區(qū)8.4磁盤管理368.4.2磁盤格式化創(chuàng)建分區(qū)，對磁盤進(jìn)行格式化后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲：磁盤的格式化命令：mkfs8.4磁盤管理378.4.3磁盤的掛載在掛載某個分區(qū)前，需要先建立一個以目錄的形式掛載點。如果將分區(qū)掛載到該掛載點下，那么往這個目錄寫數(shù)據(jù)時，就都會寫到該分區(qū)中。8.4磁盤管理38（1）掛載點目錄:將磁盤切到根目錄，media和mnt這兩個目錄被叫做掛載點目錄。也可以自己創(chuàng)建一個目錄作為一個掛載點目錄。（2）臨時掛載：將指定的一個目錄作為掛載點目錄時，如果掛載點的目錄有文件，那么文件會被隱藏。如使用命令：mount/dev/sdb5/test，將/dev/sdb5掛載到test目錄中8.4磁盤管理39（3）查看到當(dāng)前系統(tǒng)上所有磁盤的掛載信息：df–h（4）查看對應(yīng)分區(qū)的UUID（編號）：blkid（5）永久掛載：使用永久掛載，即開機會自動掛載在命令行直接輸入vim/etc/fstab就可以編輯，實現(xiàn)開機自動掛載由于內(nèi)核還沒有讀取這個命令，需要使用mount-a來讓內(nèi)核讀取這個文件。然后用mount|grep/test來過濾信息，查看是否成功掛載。8.5內(nèi)存管理40早期Linux內(nèi)存主要采用的是頁式內(nèi)存管理，但同時也采用了段機制程序所使用的地址，通常是沒被段式內(nèi)存管理映射的地址，稱為邏輯地址通過段式內(nèi)存管理映射的地址，稱為線性地址8.5內(nèi)存管理41在Linux操作系統(tǒng)中，虛擬地址空間分為：內(nèi)核空間是控制計算機的硬件資源，并提供上層應(yīng)用程序運行的環(huán)境用戶空間即上層應(yīng)用程序的活動空間，應(yīng)用程序的執(zhí)行必須依托于內(nèi)核提供的資源8.5內(nèi)存管理42用戶態(tài)的應(yīng)用程序可以通過三種方式來訪問內(nèi)核態(tài)的資源：（1）系統(tǒng)調(diào)用（2）庫函數(shù)（3）Shell腳本8.5內(nèi)存管理43發(fā)生從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換：（1）系統(tǒng)調(diào)用（2）異常事件（3）外圍設(shè)備的中斷8.6設(shè)備管理448.6.1Linux設(shè)備管理綜述 Linux設(shè)備管理的主要特點是把設(shè)備當(dāng)作文件來看待,只要安裝了設(shè)備的驅(qū)動程序,應(yīng)用程序就可以像使用文件一樣使用設(shè)備,而不必知道它們的具體存在形式和操作方式。8.6設(shè)備管理451.Linux設(shè)備的標(biāo)識在Linux系統(tǒng)中,每個設(shè)備都對應(yīng)一個設(shè)備文件,位于dev目錄下。設(shè)備文件是一種特殊類型的文件,字符設(shè)備的文件類型為“c”,塊設(shè)備的文件類型為“b”。用戶用設(shè)備文件的名稱來指定設(shè)備,而內(nèi)核則使用主設(shè)備號(majornumber)和次設(shè)備號(minornumber)來標(biāo)識一個具體的設(shè)備8.6設(shè)備管理462.Linux偽設(shè)備及其標(biāo)識偽設(shè)備(pseudodevice)是指沒有對應(yīng)任何實際設(shè)備,完全由驅(qū)動軟件虛構(gòu)出來的設(shè)備(1)空設(shè)備/dev/null(2)滿設(shè)備/dev/full(3)零設(shè)備/dev/zero:(4)隨機數(shù)設(shè)備/dev/random8.6設(shè)備管理473.設(shè)備文件的描述結(jié)構(gòu)每個設(shè)備文件都有一個獨立的i節(jié)點沒有文件大小和數(shù)據(jù)塊索引等信息,而是包含了主次設(shè)備號和一些設(shè)備描述信息沒有數(shù)據(jù)塊,因為它并不包含任何實際數(shù)據(jù)8.6設(shè)備管理488.6.2LinuxI/O系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) Linux實現(xiàn)設(shè)備獨立性的手段是通過分層軟件結(jié)構(gòu)把設(shè)備納入文件系統(tǒng)的管理之下,使進(jìn)程可以通過文件系統(tǒng)的接口來使用設(shè)備。8.6設(shè)備管理498.6.3Linux的設(shè)備管理機制1.設(shè)備驅(qū)動模型與設(shè)備管理器2.設(shè)備的注冊與注銷3.設(shè)備節(jié)點的建立與刪除4.設(shè)備的操作8.6設(shè)備管理508.6.4字符設(shè)備的管理