1、 本章主要本章主要介紹Linux的發(fā)展歷史，Linux進(jìn)程管理、Linux 存儲(chǔ)管理、Linux 文件管理、Linux 設(shè)備管理的基本原理。第八章Linux內(nèi)核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁，共79頁。本章主要內(nèi)容 8.2Linux進(jìn)程管理 8.1Linux概述8.3Linux進(jìn)程通信 8.6Linux設(shè)備管理 8.5Linux文件系統(tǒng) 8.4Linux存儲(chǔ)管理 第2頁，共79頁。8.1Linux概述 1984年理查德斯塔爾曼(Richard M.Stallman)首先開創(chuàng)了自由軟件體系(GNU)，GNU旨在發(fā)展一個(gè)類UNIX的完整操作系統(tǒng)，各種使用Linux作為內(nèi)核的GNU操作系統(tǒng)正被廣泛地使用著，實(shí)際上它

2、們更精確的稱呼應(yīng)該是GNU/Linux系統(tǒng)。 通用公共許可GPL(General Public License)是GNU工程所要遵循的規(guī)則，按照這一規(guī)則，自由軟件允許用戶自由拷貝、修改和銷售，但是對(duì)其源代碼的任何修改都必須向所有用戶公開。所有人可以自由地占有自由軟件，所有人為自由軟件所做出的成果必須和其它人共享。 Linux目前在服務(wù)器的工作上具有強(qiáng)大的功能和越來越重要的地位，除此之外，linux還被廣泛的運(yùn)用在嵌入式系統(tǒng)中（這些應(yīng)用包括IBM 的微型 Linux 腕表、手持設(shè)備（PDA 和蜂窩電話、工業(yè)機(jī)器人等）。第3頁，共79頁。 8.1.1 Linux發(fā)展歷程 談到Linux，我們不能不

3、首先提到這個(gè)了不起的名字：Linus Torvalds（李納斯托沃茲）。這個(gè)是一個(gè)與Linux的誕生、發(fā)展緊密聯(lián)系在一起的名字，人們常常稱他為Linux之父。Linus Torvalds李納斯托沃茲第4頁，共79頁。 時(shí)光回溯到1991年初，21歲的Linus Torvalds（生于1969年12月28日）就讀于芬蘭的赫爾辛基大學(xué)（University of Helsinki），當(dāng)時(shí)他正在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程，所用教材是Andrew S. Tanenbaum和Albert S. Woodhull編著的Operating Systems:：Design and Implementation

4、。 04 八月 20225 Torvalds渴望使用Unix操作系統(tǒng)，但學(xué)校服務(wù)器很緊張，Torvalds常常用不上終端，于是他采用分期付款的方式，花了大約3500美元購買了一臺(tái)廉價(jià)的雜牌386計(jì)算機(jī)，另外還花了169美元購買了Minix操作系統(tǒng)。由于Minix主要用于教學(xué)，因此功能比較簡單，Torvalds對(duì)Minix的一些性能感到很不滿意，其中最大的失望是終端仿真。Torvalds決定自己動(dòng)手開發(fā)終端仿真程序。第5頁，共79頁。 為了有更好的性能，他不想在Minix系統(tǒng)中開發(fā)，而是直接在硬件的水平上完成它。 為能直接從硬件啟動(dòng)自己的程序，Torvalds使用了匯編語言和C語言，而且不得不從

5、BIOS引導(dǎo)磁盤啟動(dòng)計(jì)算機(jī)開始編程。 Torvalds可以使用這個(gè)終端仿真程序登錄到學(xué)校的電腦上，收發(fā)、閱讀電子郵件，參加Minix討論組。但是新的問題又來了，他還想下載和上傳資料，也就是說，這個(gè)終端程序必須能讀寫磁盤，這意味著他不得不為自己的終端仿真程序繼續(xù)開發(fā)磁盤設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件管理系統(tǒng)，這樣才能將下載的內(nèi)容保存成文件，或者查看磁盤里的東西。04 八月 20226第6頁，共79頁。 Torvalds還想把文件保存在Minix文件系統(tǒng)中，這樣，就可以在Minix系統(tǒng)下查看終端仿真程序下載的文件，于是他就讓自己的文件系統(tǒng)可以和Minix文件系統(tǒng)兼容。Torvalds也意識(shí)到了這一點(diǎn)，不再把它

6、看成一個(gè)終端仿真程序，而是一個(gè)操作系統(tǒng)。據(jù)Torvalds自己回憶：“這個(gè)轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在我馬拉松似的編程過程中的哪個(gè)時(shí)間段，是白天還是晚上，我已經(jīng)想不起來了。也許在這一刻之前，我還穿著破舊的睡袍奮力敲擊著鍵盤，在為終端仿真器增添更多的功能；而轉(zhuǎn)瞬之間我擁有的功能是如此之多，以至于整個(gè)體系已經(jīng)變成了一個(gè)OS。” 7第7頁，共79頁。 為了能更好地開發(fā)這個(gè)操作系統(tǒng)，Torvalds決定通過網(wǎng)絡(luò)尋求幫助，于是1991年7月3日他在一個(gè)名為“comp.os.minix”討論組中發(fā)了一個(gè)帖子： Hello everybody out there using minixIm doing a (free) op

7、erating system “各位網(wǎng)友好！ 我現(xiàn)在正在Minix系統(tǒng)下做一個(gè)項(xiàng)目，對(duì)POSIX標(biāo)準(zhǔn)很感興趣。有誰能向我提供一個(gè)（最好）是機(jī)器可讀形式的最新的POSIX規(guī)則？能有FTP地址就更好了。” POSIX是Portable Operating System Interface（可移植操作系統(tǒng)接口）的簡稱，POSIX是由IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）操作系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，POSIX為不同平臺(tái)下的應(yīng)用程序提供了相同的API（Application Programming Interface：應(yīng)用編程接口），一個(gè)完全符

8、合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序?qū)⒛苓\(yùn)行在不同的符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng) 從這個(gè)帖子中可以看出，Torvalds一開始就打算設(shè)計(jì)一個(gè)符合國際標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，這是一個(gè)重要的決定，因?yàn)橐粋€(gè)操作系統(tǒng)必須有大量的應(yīng)用程序支持才有生命力，04 八月 20228第8頁，共79頁。 而Torvalds的決定為后來Linux操作系統(tǒng)能有大量應(yīng)用程序移植過來奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。 雖然，Torvalds后來沒有收到別人提供的POSIX標(biāo)準(zhǔn)文檔，但他的帖子也沒有石沉大海。這個(gè)帖子引起了赫爾辛基工學(xué)院的助教Ari Lemke（阿里萊姆克）的注意，Ari Lemke表示愿意在他們學(xué)校的FTP服務(wù)器上為Torvalds提

9、供空間，建一個(gè)子目錄，以便Torvalds可以把他的操作系統(tǒng)發(fā)布上去，讓感興趣的人們下載。 Torvalds全身心地投入到系統(tǒng)的開發(fā)中去，他自己回憶說： “這花費(fèi)了我大量的精力：編程睡覺編程睡覺編程吃飯（餅干）編程睡覺編程洗澡（沖沖了事）編程?！?“那個(gè)夏天我除了伏在電腦面前，其他什么都沒做。這么說一點(diǎn)也不夸張。芬蘭四月到八月的日子是一年中最美好的時(shí)光。人們到布滿小島的海上航船，去海灘上曬日光浴，到夏日小木屋中消閑。但是我卻在沒日沒夜地工作，不知哪一天是周末，哪一天是工作日。黑色窗簾遮蔽了。 04 八月 20229第9頁，共79頁。 幾乎晝夜?fàn)N爛的陽光，也遮蔽了整個(gè)世界。有時(shí)候或許是夜晚？我會(huì)

10、從床上爬起來，直接坐到離床僅幾英尺遠(yuǎn)的電腦旁?！?“毫不夸張地說，我和電腦之外的世界幾乎沒有任何聯(lián)系。當(dāng)然，也許每周有一次，一個(gè)朋友會(huì)敲敲我的窗戶，而我如果沒在搗騰什么重要的編碼時(shí)，會(huì)請(qǐng)他進(jìn)來。我們會(huì)喝杯茶，也許還會(huì)擠在窄小的廚房里看一小時(shí)的MTV?！?另一方面，Torvalds仍然通過網(wǎng)絡(luò)上的討論組不斷地征求大家對(duì)新操作系統(tǒng)的要求和意見，不斷的改進(jìn)和完善這個(gè)系統(tǒng)。 1991年9月17日，這是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上值得紀(jì)念的一天，Torvalds將自己的開發(fā)的系統(tǒng)源程序完整地上傳到FTP服務(wù)器上，供大家下載測(cè)試。本來，Torvalds想用“Freax”這個(gè)名字，但Ari Lemke更喜歡開發(fā)時(shí)用的代號(hào)

11、“Linux”，根據(jù)Ari Lemke的建議，Torvalds將這個(gè)具有劃時(shí)代意義的操作系統(tǒng)命名為：Linux。由于Torvalds認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)還很不完善，因此謙虛地將其命名為：0.01版。 Linux終于誕生了！雖然當(dāng)天世界上只有幾個(gè)人知道！ 04 八月 202210第10頁，共79頁。 8.1.2 Linux的發(fā)展 Linux誕生后的幾個(gè)月里，Torvalds在不斷地聽取試用者的反饋的同時(shí)，仍然潛心于不斷地改進(jìn)程序，使其功能更強(qiáng)大、性能更穩(wěn)定。到了1991年底，已經(jīng)陸續(xù)推出了0.02版、0.03版、0.1版、0.11版。 也許由于Torvalds從小深受其祖父（一名統(tǒng)計(jì)學(xué)教授，Torval

12、d少年時(shí)代學(xué)習(xí)的電腦啟蒙者）和信仰共產(chǎn)主義的父親的影響，加上本身淡泊金錢的個(gè)性，所以盡管當(dāng)時(shí)Torvalds已欠了大約五千美元的學(xué)生貨款，但在開始發(fā)布源代碼時(shí)，他就制定了這樣的版權(quán)規(guī)則： （1）任何人可以免費(fèi)使用該操作系統(tǒng)，但不得將其作為商品出售； （2）任何人可以對(duì)該操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，但必須將其修改以源代碼的形式公開； （3）如果不同意以上規(guī)定，任何人無權(quán)對(duì)其進(jìn)行復(fù)制或從事任何行為。 軟件按其分發(fā)方式可以劃分為三種模式，即商業(yè)軟件（Commercial Software）、共享軟件（Share Software）和自由軟件（Free Software）。 04 八月 202211第11頁，共

13、79頁。 商業(yè)軟件的代表是美國微軟公司（Microsoft）的Windows操作系統(tǒng)，用戶必須先購買商業(yè)軟件許可證才能使用軟件，并且不能得到軟件的源代碼，也不能對(duì)軟件進(jìn)行任何逆向工程以得到源代碼，即使軟件存在缺陷用戶也無權(quán)對(duì)軟件進(jìn)行任何修改或改進(jìn)，否則將被認(rèn)為侵犯版權(quán)。 共享軟件在分發(fā)時(shí)，用戶可以先試用后付費(fèi)，通常不提供軟件源代碼，如果超過試用期沒有購買而仍使用，將被認(rèn)為侵犯版權(quán)，目前許多通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)銷售的軟件都采用這種方式，著名的軟件有代理服務(wù)器軟件WinGate。 自由軟件在分發(fā)時(shí)必須向用戶公開源代碼，通常用戶可以通過某種途徑（如網(wǎng)絡(luò)下載）免費(fèi)得到其分發(fā)版，但用戶如果付費(fèi)的話將得到完善的服

14、務(wù)和文檔。自由軟件的出現(xiàn)給人們帶來很多的好處。首先，免費(fèi)的軟件可給用戶節(jié)省相當(dāng)一筆費(fèi)用。其次，源代碼公開和可自由修改吸引了眾多的開發(fā)者參與軟件的查錯(cuò)與改進(jìn)，使自由軟件更加完善，同時(shí)還可以在改進(jìn)自由軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)出更符合用戶要求的應(yīng)用軟件。目前人們非常熟悉的一些軟件如Linux、OpenOffice 、Perl、Apache、Gnome、GCC等大量軟件實(shí)際上都是自由軟件的經(jīng)典之作。04 八月 202212第12頁，共79頁。 顯然，Torvalds在Linux誕生時(shí)確定的版權(quán)規(guī)則體現(xiàn)了開放源代碼運(yùn)動(dòng)的基本思想，在Linux誕生的初期有力地促進(jìn)了它的傳播、發(fā)展、完善，吸引網(wǎng)絡(luò)上越來越多的程序高

15、手（這些人常常被稱作黑客）加入到Linux的測(cè)試、開發(fā)中來。但是，由于這里的版權(quán)規(guī)則禁止銷售Linux，實(shí)際上又阻礙了Linux的推廣、傳播，因?yàn)檐浖职l(fā)需要時(shí)間、精力、物質(zhì)、資金的投入，如果一味禁止分發(fā)者獲得回報(bào)，必然阻礙Linux的推廣和傳播，使得Linux最終局限在計(jì)算機(jī)軟件愛好者的小范圍內(nèi)傳播，無法到達(dá)普通計(jì)算機(jī)用戶手中。 不久，Linux的機(jī)遇又出現(xiàn)了。Torvalds有機(jī)會(huì)聆聽了自由軟件運(yùn)動(dòng)之父Richard Stallman （理查德斯托曼，生于1953年）的一次演講，促使他考慮轉(zhuǎn)向GUN的GPL。 Richard Stallman是自由軟件運(yùn)動(dòng)的精神領(lǐng)袖、GNU計(jì)劃以及自由軟件

16、基金會(huì)（Free Software Foundation）的創(chuàng)立者、著名黑客。他最大的成就是為自由軟件運(yùn)動(dòng)創(chuàng)立了道德、政治以及法律框架，因而被譽(yù)為當(dāng)今自由軟件的斗士、偉大的理想主義者。GNU計(jì)劃是由Richard Stallman在1983年9月27日公開發(fā)起的，它的目標(biāo)是創(chuàng)建一套完全自由的操作系統(tǒng)。為保證GNU軟件可以自由地“使用、復(fù)制、修改和發(fā)布”，所有GNU軟件必須遵守 04 八月 202213第13頁，共79頁。 GNU通用公共許可證（GNU General Public License，簡稱GNU GPL），GNU GPL創(chuàng)造性地提出了“反版權(quán)”（即Copyleft）的概念，這是一個(gè)

17、不同于商業(yè)軟件的“版權(quán)所有”（即Copyright）的法律概念，GNU GPL并不是為了否認(rèn)版權(quán)，也不禁止分發(fā)軟件時(shí)收取費(fèi)用或取得利潤。其核心思想是任何人發(fā)布一個(gè)遵守GNU GPL的軟件時(shí)，不管是收費(fèi)的還是免費(fèi)的，都必須將發(fā)布者具有的一切權(quán)利給予軟件的接受者，必須保證軟件接受者能同時(shí)收到或通過其他途徑得到源程序，并且將GNU GPL附加在軟件的版權(quán)聲明中，使軟件接受者知道自己有這樣的權(quán)利。GNU GPL本身也是受法律保護(hù)的版權(quán)聲明。 從0.12版本開始，Torvalds把GNU GPL作為Linux的版權(quán)聲明，把Linux奉獻(xiàn)給了自由軟件，奉獻(xiàn)給了GNU，從而鑄就了包括Linux在內(nèi)的自由軟件

18、今天的輝煌。從此，Linux走上迅速發(fā)展的康莊大道。 Linux誕生于網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展于網(wǎng)絡(luò)，從一開始就吸引了越來越多的開發(fā)人員加入到Linux內(nèi)核開發(fā)社區(qū)中來，請(qǐng)讓我們快速地回顧一下的Linux發(fā)展歷史： 04 八月 202214第14頁，共79頁。 1991年9月17日，Linus Torvalds在新聞組comp.os.minix發(fā)表了Linux V0.01，約有一萬行代碼。 1992年，全世界大約有1000個(gè)左右的人使用Linux，并有不少人提供初期的代碼上載和評(píng)論。 1993年，大約由100多個(gè)程序員參與內(nèi)核代碼修改，內(nèi)核核心由5人組成，V0.99 約有十萬行代碼。 1993 年底， Li

19、nux全球用戶數(shù)約在10萬左右。 1994年3月14日，Linux1.0問世，約有17萬行代碼。 1995年，Linux 全球用戶數(shù)超過50萬， Linux 已可在Intel、 Digital 和Sun SPARC 處理器上運(yùn)行，Linux Journal 雜志已發(fā)行了10萬冊(cè)。內(nèi)核發(fā)展到1.2, 約由25萬行代碼。 1996年6月，Linux 內(nèi)核2.0 發(fā)布，可支持多個(gè)處理器，約由40萬行代碼。Linux 全球用戶數(shù)約在350萬左右。 1997年夏，制作電影泰坦尼克號(hào)所用的160臺(tái)Alpha圖形工作站中，有105臺(tái)采用了Linux操作系統(tǒng)。 04 八月 202215第15頁，共79頁。 今

20、天，Linux經(jīng)歷了12年的風(fēng)風(fēng)雨雨，這位曾經(jīng)被嘲笑為“黑客的玩具”、“軟件小丑”，軟件業(yè)“下等公民”正在重新定義電腦世界的新規(guī)則。 今天，已經(jīng)很少有哪所大學(xué)或大型培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)專業(yè)沒有Linux課程，已經(jīng)很少有哪家軟件連鎖店不銷售Linux的軟件，已經(jīng)很少有專業(yè)的計(jì)算機(jī)報(bào)刊不談Linux，望著書店里琳瑯滿目的Linux書籍，難怪美國的商業(yè)周刊2003年初曾驚呼：“Linux時(shí)代來臨了！”。再讓我們看看全球計(jì)算機(jī)業(yè)巨頭們對(duì)Linux的態(tài)度或評(píng)論吧！ 現(xiàn)在，全球的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的巨頭們紛紛感受到了Linux的魅力：在IBM、惠普戴爾、Oracle、英特爾這些巨頭的支持下，Linux的應(yīng)用走向了克萊

21、斯勒公司、湯姆-海菲戈、NEC、華爾街證券機(jī)構(gòu)這些全球經(jīng)濟(jì)巨頭。3年前，在服務(wù)器市場(chǎng)Linux幾乎是空白，但是到2003年，在全球509億美元的服務(wù)器市場(chǎng)，Linux已經(jīng)占據(jù)了13.7%的份額，據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，到2006年Linux更是將占據(jù)全球服務(wù)器市場(chǎng)25.5%的份額，將一躍成為全球第二大服務(wù)器操作系統(tǒng)。 另據(jù)2003年12月24日ZDNet報(bào)道：“Linux桌面操作系統(tǒng)從2000年底Linux的占市場(chǎng)份額1.5%升到2.8%，幾乎增長了2倍，到今年年底將超過蘋果的Mac OS（占市場(chǎng)份額的2.9%)，成為第二大最流行的操作系統(tǒng)?！?04 八月 202216第16頁，共79頁。 芯片業(yè)巨頭

22、英特爾在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，也開始為Linux度身定制，這使Linux性能得到更高的發(fā)揮，進(jìn)一步刺激了企業(yè)用戶的需求。 IBM公司更是在幾年前就投入了10億美元，支持linux發(fā)展。它對(duì)Linux傾注了巨大的熱情，從大型主機(jī)到英特爾服務(wù)器，直至手表型計(jì)算機(jī)，IBM都采用了Linux系統(tǒng)。2002年第四季度，IBM的Linux服務(wù)器銷售額也突破了1.6億美元。 Linux在消費(fèi)電器領(lǐng)域取得了一席之地。2003年7月，全球消費(fèi)類最電子產(chǎn)品的巨頭索尼、日立、NEC、飛利浦、三星、夏普、三菱電氣和東芝宣布成立消費(fèi)類電子產(chǎn)品Linux論壇，這是一個(gè)修改和改善應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的操作系統(tǒng)的論壇。2003年12

23、月，三星公司推出一款支持中文、英文的高端Linux智能手機(jī)，這款手機(jī)型號(hào)為SCH-i519，如圖1.2所示，該產(chǎn)品首先在中國發(fā)布，支持中國聯(lián)通的CDMA2000 1x網(wǎng)絡(luò)。另外，索尼的PS游戲平臺(tái)和ViVo攝像機(jī)都采用了Linux技術(shù)。 圖8.1Linux智能手機(jī)04 八月 202217第17頁，共79頁。 IBM、惠普、戴爾、Oracle、英特爾對(duì)Linux青睞有加，投入巨資為其提供全方位的支持，這使得企業(yè)用戶猶如吃了定心丸，可以放心使用Linux和開放式軟件而不必冒太大的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)高盛公司最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，39%的大型企業(yè)公司都采用了Linux技術(shù)，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)還會(huì)保持高速增長。 Linu

24、x技術(shù)應(yīng)用并不是只有西方發(fā)達(dá)國家，包括中國在內(nèi)的亞太地區(qū)正在掀起一股Linux產(chǎn)品應(yīng)用熱潮，這一地區(qū)已成在Linux應(yīng)用方面一馬當(dāng)先。讓我們看看Linux國內(nèi)的應(yīng)用情況。 據(jù)報(bào)道，2002年中國Linux市場(chǎng)的年收入已經(jīng)達(dá)到52億人民幣，比上一年增長了45.6%。經(jīng)過過去3年的發(fā)展，Linux在可靠性和可拓展性方面都已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就，目前在一些主要的產(chǎn)業(yè)上也有了較為成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)大型企業(yè)應(yīng)用Linux技術(shù)實(shí)例信手可拈，如勝利、新疆等大型油田的高性能計(jì)算均已移植到Linux平臺(tái)上，實(shí)踐證明Linux的高性能運(yùn)算能力是高效穩(wěn)定的。 我國政府對(duì)Linux的支持力度顯著增加，無論是中央政府

25、還是地方政府目前對(duì)Linux在電子政府中的應(yīng)用都非常重視。04 八月 202218第18頁，共79頁。 IBM 11月底宣布，將于明年起開始支持臺(tái)式機(jī)使用Linux。而IBM公司與金山軟件公司在11月5日的簽約也充分證實(shí)了藍(lán)色巨人支持Linux桌面系統(tǒng)的決心。根據(jù)協(xié)議，IBM將與金山攜手向國內(nèi)的企業(yè)用戶提供基于Linux開放標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，以滿足國內(nèi)市場(chǎng)日益增長的對(duì)電子商務(wù)解決方案的需求。04 八月 202219第19頁，共79頁。企鵝的來源 1994年發(fā)表 Linux 正式核心 1.0 的時(shí)候，大家要 Linus Torvalds 想一只吉祥物，怪怪的 Torvalds 突然想到小時(shí)候去動(dòng)物

26、園被一只企鵝追著滿地打滾還被咬了一口！既然想不到其它的吉祥物了，干脆就以這支企鵝來當(dāng)吉祥物算了！所以，目前我們常?？吹竭@一 只企鵝就是這么來的！ 第20頁，共79頁。葛雷格克羅哈曼第21頁，共79頁。linux開發(fā)時(shí)間圖第22頁，共79頁。8.1.3 Linux系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 1Linux的優(yōu)點(diǎn):完全免費(fèi),修改其源代碼；多用戶,多任務(wù);Linux同時(shí)具有字符界面和圖形界面;豐富的網(wǎng)絡(luò)功能;可靠的安全，穩(wěn)定性能;Linux可以支持各種類型的文件系統(tǒng)，支持多種硬件平臺(tái)。 2Linux的不足支持Linux的應(yīng)用軟件較Windows少一些；許多硬件設(shè)備面對(duì)Linux的驅(qū)動(dòng)程序也不足。第23頁，共79

27、頁。8.1.4 內(nèi)核結(jié)構(gòu)Linux采用模塊機(jī)制，可以方便地將模塊裝入內(nèi)核或從內(nèi)核中卸下。整個(gè)Linux系統(tǒng)內(nèi)核由許多過程組成，每個(gè)過程可以獨(dú)立編譯，然后用連接程序?qū)⑵溥B接為單獨(dú)的目標(biāo)程序，每個(gè)過程對(duì)其他過程都是可見的，不同的人可參與不同過程的開發(fā)。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的靈魂，內(nèi)核負(fù)責(zé)維護(hù)操作系統(tǒng)的核心功能，如圖。虛擬文件系統(tǒng)邏輯文件系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程間通信 內(nèi)存管理 硬件無關(guān) 硬件相關(guān)網(wǎng) 絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議硬件驅(qū)動(dòng)程序81 Linux內(nèi)核子系統(tǒng)及其之間的關(guān)系第24頁，共79頁。8.2Linux進(jìn)程管理 一、進(jìn)程組成每個(gè)進(jìn)程在創(chuàng)建時(shí)都會(huì)被分配一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為進(jìn)程控制塊（PCB）。Linux中的進(jìn)程

28、控制塊是一個(gè)名叫task_struct的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，放在include/linux/sched.h中。 task_struct記錄了進(jìn)程ID；程序的讀取上下文，它表示程序讀取執(zhí)行的狀態(tài)；程序當(dāng)前執(zhí)行目錄；程序服務(wù)的文件和目錄；程序的訪問權(quán)限；內(nèi)存和其他分配給進(jìn)程的系統(tǒng)資源。 Linux中的進(jìn)程分為普通進(jìn)程和實(shí)時(shí)進(jìn)程兩種，實(shí)時(shí)進(jìn)程必須對(duì)外部事件作出快速反應(yīng)，實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)高于普通進(jìn)程。 Linux進(jìn)程符合一般操作系統(tǒng)教科書中的進(jìn)程概念的解釋：即進(jìn)程是一個(gè)程序的一次執(zhí)行的過程，進(jìn)程是系統(tǒng)資源管理的最小單位。程序是靜態(tài)的，它是一些保存在磁盤上的可執(zhí)行的代碼和數(shù)據(jù)集合，進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。在Linu

29、x 系統(tǒng)中，進(jìn)程仍是最小的調(diào)度單位。第25頁，共79頁。struct task_struct volatile long state; /* 進(jìn)程的狀態(tài)*/unsigned long flags; /* 進(jìn)程標(biāo)志 */mm_segment_t addr_limit; /* 線性地址空間*/long counter; /* 進(jìn)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)*/long nice（priority）; /* 進(jìn)程的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)*/unsigned long policy; /* 進(jìn)程采用的調(diào)度策略*/struct mm_struct *mm; /* 進(jìn)程屬性中指向內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)mm_structd的 指針*/s

30、truct task_struct *next_task , *prev_task; /*進(jìn)程通過這兩個(gè)指針組成一個(gè)雙向鏈表*/struct mm_struct *active_mm; /* 指向活動(dòng)地址空間*/ 第26頁，共79頁。/* task state */pid_t pid; /* 進(jìn)程標(biāo)志符, */pid_t pgrp; /* 進(jìn)程組標(biāo)號(hào)*/struct task_struct *p_opptr, *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;/* 這五個(gè)標(biāo)志表示一個(gè)進(jìn)程的在計(jì)算機(jī)中的親屬關(guān)系,分別標(biāo)志祖先進(jìn)程,父進(jìn)程,子進(jìn)程,弟進(jìn)程和兄進(jìn)程,為了在兩個(gè)

31、進(jìn)程之間共享方便而設(shè)立 */struct list_head thread_group;struct task_struct *pidhist_next;struct task_struct *pidhist_pprev; /* 上面兩個(gè)指針是為了在計(jì)算機(jī)中快速查一個(gè)進(jìn)程而設(shè)立*/struct fs_struct *fs; /* 進(jìn)程屬性中指向和文件管理有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/ ;第27頁，共79頁。二、Linux 中的進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換（1）可運(yùn)行狀態(tài)（TASK_RUNNING）。相當(dāng)于進(jìn)程三種基本狀態(tài)中的執(zhí)行狀態(tài)和就緒狀態(tài)，所以是正在運(yùn)行或準(zhǔn)備運(yùn)行的進(jìn)程處于這種狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的進(jìn)程實(shí)際參與進(jìn)程

32、的調(diào)度。（2）可中斷阻塞狀態(tài)（TASK_INTERRUPTIBLE）。處于這種阻塞狀態(tài)中的進(jìn)程，通常只要阻塞的原因解除，比如請(qǐng)求資源未能滿足而阻塞，一旦資源滿足后，就可以被喚醒到就緒狀態(tài)，也可以由其他進(jìn)程通過信號(hào)或定時(shí)中斷喚醒，并進(jìn)入就緒隊(duì)列。這種中斷阻塞狀態(tài)類似于一般進(jìn)程的阻塞狀態(tài)。(inter（3）不可中斷阻塞狀態(tài)（TASK_UNINTERRUPTIBLE）。處于這種阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，只能由資源請(qǐng)求得到滿足時(shí)喚醒到就緒隊(duì)列，不能通過信號(hào)或定時(shí)中斷喚醒。只有打開設(shè)備文件時(shí)用第28頁，共79頁。（4）僵死狀態(tài)（TASK_ZOMBLE）。處于這種狀態(tài)的進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束運(yùn)行，離開CPU，并歸還所占用的資

33、源，只是進(jìn)程控制塊PCB結(jié)構(gòu)還沒有歸還釋放。（5）暫停狀態(tài)（TASK_STOPPED）.處于這種狀態(tài)的進(jìn)程被暫停執(zhí)行而阻塞，通過其他進(jìn)程的信號(hào)才能喚醒。導(dǎo)致暫停的原因有兩點(diǎn)：一是收到暫停信號(hào)（SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTIN、SIGTOU)；二是受其他進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用的控制，而暫時(shí)把CPU交出給控制進(jìn)程，處于暫停狀態(tài)。（6）交換狀態(tài)（TASK_SWAPPING）。處于這種狀態(tài)時(shí)，進(jìn)程的頁面可以從內(nèi)存換出。第29頁，共79頁。第30頁，共79頁。Linux內(nèi)核中涉及一個(gè)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的主要內(nèi)核函數(shù)有以下幾個(gè)：創(chuàng)建進(jìn)程函數(shù)do_fork();調(diào)試函數(shù)schedule();睡眠函數(shù)，這些函數(shù)

34、有：sleep_on()和interruptible_sleep_on()喚醒函數(shù)wake_up()和中斷喚醒函數(shù)wake_up_interruptible().退出函數(shù)do_exit().第31頁，共79頁。三、Linux的進(jìn)程調(diào)度 為了減少os設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，只有核心的幾個(gè)位置調(diào)度。 對(duì)于普通進(jìn)程，Linux進(jìn)程調(diào)度采用的是基于時(shí)間片的動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法。 1.調(diào)度的時(shí)機(jī) （1）進(jìn)程自動(dòng)放棄CPU，wait()、sleep()、exit（）。 （2) 由核心態(tài)轉(zhuǎn)入用戶態(tài)，調(diào)用ret_from_call(），此函數(shù)檢測(cè)，調(diào)度標(biāo)志need_resched=1時(shí)，啟動(dòng)調(diào)度。（3) 直

35、接執(zhí)行調(diào)度程序 2.調(diào)度標(biāo)識(shí)的設(shè)置（1）新來進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前進(jìn)程，調(diào)用add_runqueue()；（2）時(shí)間片用完，時(shí)鐘中斷設(shè)置；（3）被進(jìn)程喚醒優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前進(jìn)程。第32頁，共79頁。3.調(diào)度算法 Linux 中，內(nèi)核函數(shù)schedule() 進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。它的主要任務(wù)就是從就緒隊(duì)列run_queue中選中一個(gè)進(jìn)程并投入運(yùn)行。 進(jìn)程調(diào)度策略采用的是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法，但同時(shí)又保證高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程及時(shí)運(yùn)行且運(yùn)行時(shí)間較長，分為普通進(jìn)程和實(shí)時(shí)進(jìn)程（高）。用戶可以通過系統(tǒng)調(diào)用sched_setschedule()函數(shù)改變自己的調(diào)度策略。 （1）普通分時(shí)進(jìn)程：調(diào)度策略policy=SCHED-OTHER（

36、默認(rèn)）（ rt_priority=0）采用的是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。它的優(yōu)先級(jí)受剩余時(shí)間片counter的影響，是動(dòng)態(tài)變化的。在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)給進(jìn)程優(yōu)先級(jí)priority賦一個(gè)值（默認(rèn)）20，這個(gè)值也是counter的值。實(shí)際上priority代表的是分給這個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片值，而counter代表的是該進(jìn)程剩余的時(shí)間片，在進(jìn)程的執(zhí)行過程中，counter的值不斷減少，而priority的值是不變的。當(dāng)counter的值減少為0時(shí)（最低時(shí)）表示進(jìn)程用完了所分配的時(shí)間片，這時(shí)就要放棄CPU。這時(shí)要再一次重新賦值，只有這樣普遍進(jìn)程才能有重新被調(diào)度的可能。第33頁，共79頁。某進(jìn)程的counter值為0時(shí)，會(huì)完全放棄

37、對(duì)CPU的使用，其他進(jìn)程運(yùn)行的機(jī)會(huì)就會(huì)增加，所以稱之為動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法。 Linux中，一個(gè)“時(shí)鐘滴答”為10ms，意味著每秒鐘有100次時(shí)鐘中斷。時(shí)間片的大小就是指“時(shí)鐘滴答”的個(gè)數(shù)。當(dāng) priority為20時(shí)，表示分配給該進(jìn)程的時(shí)間片為10ms20=200ms。這個(gè)值的大小可由用戶自己決定，內(nèi)核在新創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)分給進(jìn)程的時(shí)間片值默認(rèn)為200ms。 調(diào)度有關(guān)的可控制優(yōu)先級(jí)因子nice(-2019)，默認(rèn)值是0，-20任代表最高優(yōu)級(jí)，+10表示降低一個(gè)優(yōu)先級(jí)。sys_nice()改變nice的值。顯然增加nice值將降低進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，只有超級(jí)用戶才能降低一個(gè)進(jìn)程的nice值，從而提高進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。

38、 一個(gè)進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，父進(jìn)程的counter值加1后被分成兩部分，一半給子進(jìn)程，另一半再被除2后賦給父進(jìn)程，防止用戶通過無限制的創(chuàng)建后代而長期占用CPU。 而進(jìn)程的policy、nice、 rt_priority均從父進(jìn)程處繼承。第34頁，共79頁。 （3) Linux的調(diào)度函數(shù)通過goodness()函數(shù)從就緒進(jìn)程隊(duì)列中確定具有最高優(yōu)先權(quán)的進(jìn)程。 goodness()先計(jì)算隊(duì)列中的每一個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先權(quán)，并把它賦給變量weight返回，schedule()把weight作為調(diào)度運(yùn)行的依據(jù)，值 大優(yōu)先權(quán)高。 a.動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法 運(yùn)行度量函數(shù)： weight=counter+priority-nice(

39、或 weight=counter+priority） 重新計(jì)算：counter=counter/2+priority b.輪轉(zhuǎn)法(policy=SCHED_RR)適合長的實(shí)時(shí)進(jìn)程，SCHED_FIFO 適合短的實(shí)時(shí)進(jìn)程。 weight=rt_priority+1000 （3）進(jìn)程切換保存當(dāng)前進(jìn)程上下文，跳轉(zhuǎn)到就緒進(jìn)程的上下文中執(zhí)行。（2）實(shí)時(shí)進(jìn)程：調(diào)度策略policy=SCHED-RR或SCHED-FIFO兩種策略，前者的進(jìn)程之間是輪轉(zhuǎn)調(diào)度的加優(yōu)先級(jí)(rt_priority，099)。每一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行也不能超過200ms。當(dāng)進(jìn)程時(shí)間片用完而需要調(diào)度時(shí)，移到運(yùn)行隊(duì)列尾，讓其它同等或更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程

40、運(yùn)行；后者進(jìn)程是“先進(jìn)先出”策略，即前面的進(jìn)程運(yùn)行完了或者睡眠了，后面的進(jìn)程才有機(jī)會(huì)運(yùn)行。第35頁，共79頁。四、Linux的進(jìn)程控制 1. 進(jìn)程建立 0#進(jìn)程引導(dǎo)1#進(jìn)程（init）調(diào)用fork為每個(gè)終端建立終端進(jìn)程。進(jìn)程樹第36頁，共79頁。進(jìn)程的pidhash鏈表 為了快速的找到進(jìn)程的PCB，Linux中引入pidhash散列表，把32位的PID轉(zhuǎn)換成散列表的索引，散列表中還有PCB的指針。 創(chuàng)建的時(shí)機(jī) 通常系統(tǒng)遇到下列服務(wù)時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程 當(dāng)操作系統(tǒng)從批處理作業(yè)中讀入一個(gè)新作業(yè)時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程來處理該敘作業(yè)；一個(gè)終端用戶登錄到系統(tǒng)時(shí)，為其創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程；如果用戶請(qǐng)求一個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，如

41、打印一份文件，操作系統(tǒng)可以為其創(chuàng)建一個(gè)打印進(jìn)程；允許一個(gè)進(jìn)程生成另一個(gè)進(jìn)程。2.進(jìn)程的撤銷 Void exit（status )進(jìn)程終止，釋放資源，重新調(diào)度。Status=0正常結(jié)束， Status=！0，程序有錯(cuò)誤。 wait(&status)等待子進(jìn)程結(jié)束， status=0子進(jìn)程正常結(jié)束，非0表示子進(jìn)程出現(xiàn)了問題，由 exit（status )返回。第37頁，共79頁。3.系統(tǒng)調(diào)用fork() 理解：調(diào)用一次返回兩次。 fork()通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)d0_fork()來實(shí)現(xiàn)。主要工作： 建立進(jìn)程控制結(jié)構(gòu)并賦初值：內(nèi)存中分配一個(gè)task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把父進(jìn)程PCB中的內(nèi)容復(fù)制給新進(jìn)

42、程，重置子進(jìn)程中和父進(jìn)程值不同的數(shù)據(jù)成員；為新進(jìn)程設(shè)置跟蹤進(jìn)程的相關(guān)內(nèi)核數(shù)據(jù)：把新進(jìn)程插入到進(jìn)程鏈表中，插入到pidhash散列表中，通過拷貝父進(jìn)程上下文初始化新進(jìn)程的上下文。啟動(dòng)調(diào)度程序使新進(jìn)程獲得運(yùn)行機(jī)會(huì)：置新進(jìn)程的狀態(tài)為TASKRUNNING，然后掛到就緒隊(duì)列，重新啟動(dòng)調(diào)度程序使其運(yùn)行。向父進(jìn)程返回子進(jìn)程的PID，設(shè)置子進(jìn)程從do_fork返回0值。 為使產(chǎn)生的新進(jìn)程能執(zhí)行新的代碼，內(nèi)核中開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用exec(可執(zhí)行文件的路徑)。調(diào)用一次，返回兩次：子進(jìn)程0；父進(jìn)程0的子進(jìn)程的ID；復(fù)制父進(jìn)程上下文的邏輯副本。 exec(char *path,char *argv)函數(shù)簇：將當(dāng)前（

43、調(diào)用）進(jìn)程的代碼替換為exec（）中指定(path)的程序代碼。第38頁，共79頁。例 ：#include#inlcudeVoid Do_somting(t ) int t; for (i=0;it;i+); main() pid_t pid；/*此時(shí)僅有一個(gè)進(jìn)程*/ pid=fork()；/*此時(shí)已經(jīng)有兩個(gè)進(jìn)程在同時(shí)運(yùn)行*/ if(pid0)printf(“error in fork!”)； else if(pid=0) printf(“I am the child process, my process ID is %dn”,getpid()； do_somting(10000); els

44、eprintf(I am the parent process, my process ID is %dn,getpid(); do_somting(10000); 第39頁，共79頁。8.3 Linux進(jìn)程通信 Linux提供的進(jìn)程通信方式和原理與UNIX的通信機(jī)制一樣，有管道方式、信號(hào)方式、SYSTEM V的IPC通信機(jī)制，即消息隊(duì)列、信號(hào)量機(jī)制和共享存儲(chǔ)器方式 。一、管道通信 管道通信技術(shù)又分為無名管道和有名管道兩種類型。 無名管道為建立管道的進(jìn)程及其子孫進(jìn)程提供一條以比特流方式傳遞消息的通信管道。該管道在邏輯上被看做管道文件，在物理上則由文件系統(tǒng)的高速緩存區(qū)構(gòu)成。發(fā)送進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用w

45、rite（fd1，buf，size）把buf中的長度為size字符的消息送入管道口fd1，接收進(jìn)程則使用系統(tǒng)調(diào)用read（fd0，buf，size）從管道出口 fd0讀出size字符的消息送入buf中。此外，管道按先進(jìn)先出（FIFO）方式傳遞消息，且只能單向傳遞。圖 管道通信示意圖寫入端fd1讀出端fd0第40頁，共79頁。#include main() int x,fd2; char buf50,s50; pipe(fd); while(x=fork()=-1) if (x=0) sprintf(buf,“This is an example of pipen”); write(fd1,bu

46、f,50); exit(0); else wait（0）; read（fd0,s,50）; printf(“%s”,s); 第41頁，共79頁。 Linux中，管道是通過指向同一個(gè)臨時(shí)VFS的i節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)文件file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件描述符實(shí)現(xiàn)的。VFS中i節(jié)點(diǎn)指向內(nèi)存中的一個(gè)物理頁面，進(jìn)程各自的file結(jié)構(gòu)都有f_op操作項(xiàng)，分別指向?qū)懭牍艿篮妥x出管道。當(dāng)寫入過程對(duì)管道進(jìn)行寫入操作時(shí)，數(shù)據(jù)被復(fù)制到共享的數(shù)據(jù)頁面中，而讀取進(jìn)程則從管道的共享數(shù)據(jù)頁面中復(fù)制數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳遞 。 Linux必須保證對(duì)管道訪問的同步，為此需要使用鎖、等待隊(duì)列和信號(hào)量等同步機(jī)制。只要管道未被讀出進(jìn)程加鎖，

47、系統(tǒng)就為寫入進(jìn)程對(duì)管道加鎖，并將寫入進(jìn)程地址空間中的數(shù)據(jù)復(fù)制到共享數(shù)據(jù)頁面中。 Linux允許進(jìn)程以非阻塞的方式讀出管道的內(nèi)容。此時(shí)如果沒有數(shù)據(jù)可讀或者管道被加鎖，則返回出錯(cuò)信息。阻塞方式則使該進(jìn)程在管道i節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列上睡眠，直到寫進(jìn)程寫入操作的結(jié)束。當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程對(duì)管道的使用結(jié)束后，管道i節(jié)點(diǎn)或共享數(shù)據(jù)頁面同時(shí)被釋放。 Linux還支持有名管道（named pipe），即FIFO管道。這種管道總是按先進(jìn)先出的原則工作，第一個(gè)被寫入的數(shù)據(jù)將首先從管道中讀出。和無名管道不同的是，F(xiàn)IFO管道不是臨時(shí)對(duì)象，而是文件系統(tǒng)中的實(shí)體，并且可以通過mkfifo命令來創(chuàng)建。 第42頁，共79頁。二、信號(hào) 如果

48、想終止正在運(yùn)行的進(jìn)程，按Ctrl+C,進(jìn)程將收到SIGINT信號(hào)，內(nèi)核運(yùn)行相應(yīng)的中斷處理程序，完成有關(guān)SIGINT的處理工作。 進(jìn)程可以選擇對(duì)某種信號(hào)所采取的特定操作，這些操作包括（1）忽略信號(hào)。進(jìn)程可忽略產(chǎn)生的信號(hào)，但SIGKILL和SIGSTOP信號(hào)不能被忽略；（2）阻塞信號(hào)。進(jìn)程可選擇阻塞某些信號(hào);（3）由進(jìn)程處理該信號(hào)。進(jìn)程本身可在系統(tǒng)中注冊(cè)處理信號(hào)的處理程序地址，當(dāng)發(fā)出該信號(hào)時(shí)，由注冊(cè)的處理程序處理信號(hào)；（4）由內(nèi)核進(jìn)行默認(rèn)處理。信號(hào)由內(nèi)核的默認(rèn)處理程序處理。大多數(shù)情況下，信號(hào)由內(nèi)核進(jìn)行處理。 用signal(int sig,int(*sig-process)來處理其它進(jìn)程發(fā)來的信號(hào)

49、:捕獲信號(hào)sig,當(dāng)捕捉到該信號(hào)時(shí)后，以函數(shù)sig-process來處理該信號(hào)。Kill(int pid,int sig):給進(jìn)程pid發(fā)送sig信號(hào)。Pause():使進(jìn)程暫停執(zhí)行直到收到信號(hào)為止。第43頁，共79頁。三、IPC機(jī)制（Interprocess communication)msg_permsmsg_firstmsg_lastmsg_nextmsg_spotmsg_stimemsg_tsmessagemsgque(系統(tǒng)所有消息隊(duì)列）msgid_ds（一個(gè)消息隊(duì)列控制結(jié)構(gòu)）msg(一個(gè)消息的頭）圖 Linux消息隊(duì)列1.消息隊(duì)列 一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程可向消息隊(duì)列寫入消息，而一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程

50、可從消息隊(duì)列中讀取消息，這種進(jìn)程間通訊機(jī)制通常使用在客戶/服務(wù)器模型中，客戶向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求消息，服務(wù)器讀取消息并執(zhí)行相應(yīng)請(qǐng)求。Linux 為系統(tǒng)中所有的消息隊(duì)列維護(hù)一個(gè) msgque 鏈表，該鏈表中的每個(gè)指針指向一個(gè) msgid_ds 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)完整描述一個(gè)消息隊(duì)列。當(dāng)建立一個(gè)消息隊(duì)列時(shí)，系統(tǒng)從內(nèi)存中分配一個(gè) msgid_ds 結(jié)構(gòu)并將指針添加到 msgque 鏈表。第44頁，共79頁。 struct msgbuf int mttype /*消息類型*/ char mtex1 /*消息正文*/ ； int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,sixe-

51、t magz,int msgflg)發(fā)送消息； int msgrcv (int msgid,struct msgbuf *msgp,sixe-t magz,int msgflg, int msgtyp)接收消息； int msgid=msgget(key-t key,int msgflg),建立消息隊(duì)列，key通信雙方的約定值， msgflg隊(duì)列訪問控制方式。 第45頁，共79頁。圖 linux信號(hào)量集合arrayof embufproc_nextsem_undo所有信號(hào)量semarysem_permpendings sem_baseundo信號(hào)量semid_ds掛起隊(duì)列sem_queuepr

52、oc_nextsemadjsem_queue 數(shù)組array of semnextnextprev sleeperundosopsnsopsarray of semadj2.信號(hào)量第46頁，共79頁。struct sem intsemval;/* current value */ intsempid;/* pid of last operation */ ;int semid=semget(key-t key,int nsems,int semflg )創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量組，nsems信號(hào)量個(gè)數(shù)， semflg信號(hào)量存取權(quán)限。int semop(int semid,struct sembuf *s

53、ops,unsignd nosps)完成對(duì)信號(hào)量的操作。 nosps信號(hào)量操作個(gè)數(shù), struct sembuf unsigned short sem_num;/* semaphore index in array */ shortsem_op;/* semaphore operation */ short sem_flg;/* operation flags */;(P、V) 如果sem_op0，把它的值加到信號(hào)量，這意味著歸還資源。 如果sem_op=0，本次操作要對(duì)信號(hào)量進(jìn)行測(cè)試。若為零正常返回，不為零，進(jìn)程睡眠直到信號(hào)量為0。第47頁，共79頁。 Linux 負(fù)責(zé)將操作實(shí)際應(yīng)用于信號(hào)量

54、隊(duì)列的相應(yīng)元素。 Linux 按如下的規(guī)則判斷是否所有的操作都可以成功：操作值和信號(hào)量的當(dāng)前值相加大于 0，或操作值和當(dāng)前值均為 0，則操作成功。如果系統(tǒng)調(diào)用中指定的所有操作中有一個(gè)操作不能成功時(shí)，則 Linux 會(huì)掛起這一進(jìn)程。但是，如果操作標(biāo)志指定這種情況下不能掛起進(jìn)程的話，系統(tǒng)調(diào)用返回并指明信號(hào)量上的操作沒有成功，而進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行。如果進(jìn)程被掛起，Linux 必須保存信號(hào)量的操作狀態(tài)并將當(dāng)前進(jìn)程放入等待隊(duì)列。為此，Linux 在堆棧中建立一個(gè) sem_queue 結(jié)構(gòu)并填充該結(jié)構(gòu)。新的 sem_queue 結(jié)構(gòu)添加到信號(hào)量對(duì)象的等待隊(duì)列中（利用 sem_pending 和 sem_pe

55、nding_last 指針）。當(dāng)前進(jìn)程放入 sem_queue 結(jié)構(gòu)的等待隊(duì)列中（sleeper）后調(diào)用調(diào)度程序選擇其他的進(jìn)程運(yùn)行。 Linux 檢查任何等待的或掛起的進(jìn)程，看它們的信號(hào)量操作是否可以成功。如果這些進(jìn)程的信號(hào)量操作可以成功，Linux 就會(huì)將它們從掛起隊(duì)列中移去，并將它們的操作實(shí)際應(yīng)用于信號(hào)量隊(duì)列。如果所有的信號(hào)量操作都成功了，當(dāng)前進(jìn)程可繼續(xù)運(yùn)行 第48頁，共79頁。3.共享內(nèi)存 進(jìn)程的虛擬地址可以映射到任意一處物理地址，這樣，如果兩個(gè)進(jìn)程的虛擬地址映射到同一物理地址，這兩個(gè)進(jìn)程就可以利用這一虛擬地址進(jìn)行通訊。但是，一旦內(nèi)存被共享之后，對(duì)共享內(nèi)存的訪問同步需要由其他 IPC 機(jī)

56、制，例如信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)。Linux 中的共享內(nèi)存通過訪問鍵來訪問，并進(jìn)行訪問權(quán)限的檢查。 每個(gè)新創(chuàng)建（int shmit=shmget(key_t key,int size,int shmflg)的共享內(nèi)存區(qū)域由一個(gè)shmid_ds數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示。它們被保存在shm_segs數(shù)組中。shmid_ds數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述共享內(nèi)存的大小，進(jìn)程如何使用以及共享內(nèi)存映射到其各自地址空間的方式。由共享內(nèi)存創(chuàng)建者控制(int shmctl(int shmid,struct shmid_ds *buf, int cmd)對(duì)此內(nèi)存的存取權(quán)限以及其鍵是公有還是私有。如果它由足夠權(quán)限，它還可以將此共享內(nèi)存加載）到物理內(nèi)存中

57、。第49頁，共79頁。 每個(gè)使用此共享內(nèi)存的進(jìn)程必須通過系統(tǒng)調(diào)用將其連接到虛擬內(nèi)存上(共享內(nèi)存段地址char *shmat(int shmid,char *shaddr ,int shmflg)）。這時(shí)進(jìn)程創(chuàng)建新的vm_area_struct來描述此共享內(nèi)存。進(jìn)程可以決定此共享內(nèi)存在其虛擬地址空間的位置，或者讓Linux選擇一塊足夠大的區(qū)域。新的vm_area_struct結(jié)構(gòu)將被放到由shmid_ds指向的vm_area_struct鏈表中。通過vm_next_shared和vm_prev_shared指針將它們連接起來。虛擬內(nèi)存在連接時(shí)并沒有創(chuàng)建；進(jìn)程訪問它時(shí)才創(chuàng)建 。當(dāng)進(jìn)程不再共享此虛擬

58、內(nèi)存時(shí)，進(jìn)程和共享內(nèi)存的連接將被斷開（int shmdt(char shmaddr)）。 。如果其它進(jìn)程還在使用這個(gè)內(nèi)存，則此操作只影響當(dāng)前進(jìn)程。其對(duì)應(yīng)的vm_area_struct結(jié)構(gòu)將從shmid_ds結(jié)構(gòu)中刪除并回收。當(dāng)前進(jìn)程對(duì)應(yīng)此共享內(nèi)存地址的頁表入口也將被更新并置為無效。當(dāng)最后一個(gè)進(jìn)程斷開與共享內(nèi)存的連接時(shí)，當(dāng)前位于物理內(nèi)存中的共享內(nèi)存頁面將被釋放，同時(shí)釋放的還有此共享內(nèi)存的shmid_ds結(jié)構(gòu)。不同的進(jìn)程可以相同的關(guān)鍵字共享。第50頁，共79頁。shm_segsshm_permshm_pagesattachsshm_dsvm_area_structvm_next_sharedvm_

59、next_sharedvm_area_structarray of pte圖 linux共享內(nèi)存段第51頁，共79頁。一、虛存空間8.4Linux存儲(chǔ)管理 Linux系統(tǒng)采用了虛擬的內(nèi)存管理機(jī)制，就是交換和請(qǐng)求分頁存儲(chǔ)管理技術(shù)。進(jìn)程的虛存空間第52頁，共79頁。圖 進(jìn)程虛存空間的結(jié)構(gòu)第53頁，共79頁。 linux的三級(jí)分頁管理三級(jí)分頁管理把虛擬地址分成四個(gè)位段：頁目錄、頁中間目錄、頁表、頁內(nèi)偏址。系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)頁表系列： 頁目錄PGD（PaGe Directory）、 頁中間目錄PMD（Page Middle Directory） 頁表PTE（Page TablE）。二、三級(jí)分頁結(jié)構(gòu)第54頁，

60、共79頁。三、地址映射過程 linux的地址映射第55頁，共79頁。1.內(nèi)存頁面:Linux對(duì)物理內(nèi)存空間按照分頁方式進(jìn)行管理，把物理內(nèi)存劃分成大小相同的物理頁面。Linux設(shè)置了一個(gè)mem_map數(shù)組管理內(nèi)存頁面。 四、物理內(nèi)存的管理 typedef struct page struct page *next;/* 把page結(jié)構(gòu)體鏈接成一個(gè)雙向循環(huán)鏈表 struct page *prev; struct inode *inode;/*有關(guān)文件的inode unsigned long offset;/*在文件中的偏移量 struct page *next_hash;把有關(guān)page結(jié)構(gòu)體連成一